Definition af Pauli udelukkelsesprincippet

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Pauli udelukkelsesprincippet er et af de grundlæggende principper i kvantemekanikken. Den siger, at i et lukket kvantesystem, såsom et atom eller et molekyle, kan ikke to identiske subatomære partikler samtidigt have den samme konfiguration eller er i nøjagtig samme kvantetilstand . Subatomære partikler refererer enten til elektroner eller til enhver af de partikler, der udgør atomkernen.

Dette princip blev postuleret af den østrigske teoretiske fysiker Wolfgang Pauli i 1925 for at forklare visse eksperimentelle observationer relateret til atomare emissionsspektre. Især gør det det muligt at forklare udseendet af et mønster af flere linjer ( multiplet ) i emissionsspektrene for atomer udsat for stærke magnetiske felter, en observation kaldet den anomale Zeeman-effekt . Indtil da definerede den nuværende kvanteatommodel atomer i form af kun tre kvantetal , nemlig det primære kvantetal (n), azimuttal (l) og det magnetiske kvantetal (ml ) , så Paulis observation indebar, at eksistensen af ​​et fjerde kvantetal svarende til spin.

Selvom det oprindeligt er etableret for elektroner inden for et atom, strækker dette princip sig til en bredere klasse af subatomære partikler, der kollektivt kaldes fermioner . Fermioner er de subatomære partikler, hvis spin er et ulige multiplum af ½, og som derfor opfylder Pauli-udelukkelsesprincippet . Ud over elektroner er protoner og neutroner også fermioner, så dette princip gælder også for dem og hjælper med at forklare kernemagnetiske resonansspektre.

Konsekvenser af Pauli udelukkelsesprincippet i kvantekemi

Alternativ erklæring om Pauli-udelukkelsesprincippet

I kemi udtrykkes Pauli-udelukkelsesprincippet på en lidt anden måde end den, der præsenteres i begyndelsen af ​​denne artikel. Faktisk er det normalt angivet baseret på en af ​​dets konsekvenser, idet det hedder, at:

I et atom kan ikke to elektroner have de samme fire kvantetal.

Denne måde at angive Pauli-udelukkelsesprincippet på er mindre generel end den foregående, men den svarer til den første sætning, når den anvendes specifikt på elektroner i et atom.

På den ene side er et isoleret atom et lukket kvantesystem. Når man taler om to elektroner, taler man om to identiske subatomære partikler, der også er fermioner, så de opfylder udelukkelsesprincippet. Endelig, i kvantemekanikken, er kvantetallene det, der bestemmer kvantetilstanden for hver elektron. At samtidig have de samme fire kvantetal svarer således til at være i nøjagtig den samme kvantetilstand, hvilket faktisk er det, som Pauli-princippet udelukker eller forbyder.

Kun to elektroner med antiparallelle spin kan passe i en orbital.

En anden konsekvens af Pauli udelukkelsesprincippet, og som i nogle tilfælde også bruges som en alternativ måde at angive det på, er, at der i samme atomare orbital ikke kan være mere end to elektroner, og at disse desuden skal have modsatte spins (+ eller – ½) .

Definition af Pauli udelukkelsesprincippet

Denne sætning er også ækvivalent (men igen mindre generel) end den foregående sætning, da en atomorbital er defineret af de første tre kvantetal, n, l og ml . Hvis to elektroner er i samme orbital, deler de disse tre kvantetal. Da disse to elektroner ikke kan have det samme spin (fordi de ville have de samme fire kvantetal, hvilket er forbudt af Pauli udelukkelsesprincippet), og da der kun er to mulige spinværdier for hver elektron, så kan de kun Der er to elektroner i hver orbital.

Anvendelse af Pauli udelukkelsesprincippet

i spektroskopi

Som allerede nævnt bruges Pauli udelukkelsesprincippet til at forklare atomare emissionsspektre under stærke magnetiske felter. Derudover hjælper det også med at forstå absorptions- og emissionsspektre, både atomare og molekylære, og kernemagnetiske resonansspektre. Disse teknikker har mange anvendelser inden for både kemi og medicin og andre områder.

I kemi

En af de mest almindelige anvendelser af dette princip i kemi er, at det bruges til at bygge den elektroniske konfiguration af atomerne i det periodiske system. Takket være Pauli udelukkelsesprincippet ved vi, at kun to elektroner kan passe i en orbital. Dette, kombineret med de andre udvælgelsesregler for de andre kvantetal, giver os mulighed for at bestemme, hvor mange elektroner hvert atom har i hvert energiniveau og i hver orbital inden for hvert niveau.

Følgende tabel illustrerer denne anvendelse ved at tillade bestemmelse af antallet af elektroner, der passer i hvert hovedenerginiveau.

Energiniveau (n) Lag Underniveauer eller typer af orbitaler antal orbitaler maksimalt antal elektroner
1 k Ja 1 2
2 L s, s 4 8
3 m s, p, d 9 18
4 Ingen. s, p, d, f 16 32

i astronomi

Pauli udelukkelsesprincippet bruges i astronomi til at forklare dannelsen af ​​hvide dværgstjerner, såvel som neutronstjerner, der er et resultat af en døende stjernes kollaps. De første (hvide dværge) understøtter kollapset takket være degenerationstrykket af elektronerne, der udgør det, mens neutronstjerner dannes og modstår sammenbruddet af deres egen tyngdekraft på grund af degenereringstrykket af neutronerne i kernerne. I begge tilfælde genereres dette kvantetryk på grund af den umulighed, der forudsiges af udelukkelsesprincippet, at to fermioner (enten elektroner eller neutroner, afhængigt af typen af ​​stjerne) indtager den samme kvantetilstand.

Referencer

Chang, R. (2021). Kemi (11. udgave ). MCGRAW HILL UDDANNELSE.

Udgivere af Encyclopedia Britannica. (2018, 19. januar). Pauli udelukkelsesprincip . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Pauli-exclusion-principle

Libretekster. (2021, 19. april). Pauli udelukkelsesprincip . Kemi LibreTexts. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Electronic_Structure_of_Atoms_and_Molecules/Electronic_Prinuli_Configurations/Electronic_Principle_Configurations

Nave, R. (nd). Pauli udelukkelsesprincip . hyperfysik. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pauli.html

Pauli udelukkelsesprincip. Encyklopædi artikel. (2019, 1. november). Encyclopedia.us.es. http://enciclopedia.us.es/index.php/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli

Waksman Minsky, N., & Saucedo Yáñez, A. (2019). Kort historie om kernemagnetisk resonans: fra opdagelse til anvendelse i billeddannelse. Chemistry Education , 30 (2), 129. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.2.68418

-Reklame-

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados

Flammefarvetesten