Ορισμός της αρχής του αποκλεισμού Pauli

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


Η αρχή του αποκλεισμού Pauli είναι μια από τις θεμελιώδεις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Δηλώνει ότι, σε ένα κλειστό κβαντικό σύστημα, όπως ένα άτομο ή ένα μόριο, κανένα ταυτόσημο υποατομικό σωματίδιο δεν μπορεί να έχει ταυτόχρονα την ίδια διαμόρφωση ή να βρίσκεται ακριβώς στην ίδια κβαντική κατάσταση . Τα υποατομικά σωματίδια αναφέρονται είτε σε ηλεκτρόνια είτε σε οποιοδήποτε από τα σωματίδια που αποτελούν τον ατομικό πυρήνα.

Αυτή η αρχή υποβλήθηκε από τον Αυστριακό θεωρητικό φυσικό Wolfgang Pauli το 1925 για να εξηγήσει ορισμένες πειραματικές παρατηρήσεις που σχετίζονται με τα φάσματα ατομικής εκπομπής. Συγκεκριμένα, καθιστά δυνατή την εξήγηση της εμφάνισης ενός σχεδίου πολλαπλών γραμμών ( πολλαπλή ) στα φάσματα εκπομπής των ατόμων που υπόκεινται σε ισχυρά μαγνητικά πεδία, μια παρατήρηση που ονομάζεται ανώμαλο φαινόμενο Zeeman . Μέχρι τότε, το τρέχον κβαντικό ατομικό μοντέλο όριζε τα άτομα με όρους μόνο τριών κβαντικών αριθμών , δηλαδή του κύριου κβαντικού αριθμού (n), του αζιμουθίου (l) και του μαγνητικού κβαντικού αριθμού (m l ), οπότε η παρατήρηση του Pauli υπονοούσε την ύπαρξη τέταρτου κβαντικού αριθμού που αντιστοιχεί στο σπιν.

Αν και αρχικά καθιερώθηκε για τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα άτομο, αυτή η αρχή επεκτείνεται σε μια ευρύτερη κατηγορία υποατομικών σωματιδίων που ονομάζονται συλλογικά φερμιόνια . Τα φερμιόνια είναι εκείνα τα υποατομικά σωματίδια των οποίων το σπιν είναι περιττό πολλαπλάσιο του ½ και επομένως ικανοποιούν την αρχή του αποκλεισμού Pauli . Εκτός από τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι επίσης φερμιόνια, επομένως αυτή η αρχή ισχύει και για αυτά και βοηθά στην εξήγηση των φασμάτων πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού.

Συνέπειες της αρχής αποκλεισμού Pauli στην κβαντική χημεία

Εναλλακτική δήλωση της αρχής αποκλεισμού Pauli

Στη χημεία, η αρχή του αποκλεισμού Pauli εκφράζεται με ελαφρώς διαφορετικό τρόπο από αυτόν που παρουσιάζεται στην αρχή αυτού του άρθρου. Στην πραγματικότητα, συνήθως δηλώνεται με βάση μια από τις συνέπειές του, δηλώνοντας ότι:

Σε κανένα άτομο, κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να έχει τους ίδιους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς.

Αυτός ο τρόπος δήλωσης της αρχής αποκλεισμού Pauli είναι λιγότερο γενικός από τον προηγούμενο, αλλά είναι ισοδύναμος με την πρώτη δήλωση όταν εφαρμόζεται ειδικά σε ηλεκτρόνια μέσα σε ένα άτομο.

Από τη μια πλευρά, ένα απομονωμένο άτομο είναι ένα κλειστό κβαντικό σύστημα. Όταν μιλάμε για δύο ηλεκτρόνια, μιλάμε για δύο πανομοιότυπα υποατομικά σωματίδια που είναι επίσης φερμιόνια, επομένως πληρούν την αρχή του αποκλεισμού. Τέλος, στην κβαντική μηχανική, οι κβαντικοί αριθμοί είναι αυτοί που καθορίζουν την κβαντική κατάσταση κάθε ηλεκτρονίου. Έτσι, η ταυτόχρονη ύπαρξη των ίδιων τεσσάρων κβαντικών αριθμών ισοδυναμεί με την ίδια ακριβώς κβαντική κατάσταση, κάτι που είναι, στην πραγματικότητα, αυτό που αποκλείει ή απαγορεύει η αρχή Pauli.

Μόνο δύο ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλα σπιν μπορούν να χωρέσουν σε ένα τροχιακό.

Μια άλλη συνέπεια της αρχής αποκλεισμού Pauli και η οποία, σε ορισμένες περιπτώσεις, χρησιμοποιείται επίσης ως εναλλακτικός τρόπος έκφρασης, είναι ότι στο ίδιο ατομικό τροχιακό δεν μπορούν να υπάρχουν περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια και ότι, επιπλέον, αυτά πρέπει να έχουν αντίθετα περιστροφές (+ ή – ½) .

Ορισμός της αρχής του αποκλεισμού Pauli

Αυτή η δήλωση είναι επίσης ισοδύναμη (αν και, πάλι, λιγότερο γενική) από την προηγούμενη πρόταση, αφού ένα ατομικό τροχιακό ορίζεται από τους τρεις πρώτους κβαντικούς αριθμούς, n, l και m l . Εάν δύο ηλεκτρόνια βρίσκονται στο ίδιο τροχιακό, τότε μοιράζονται αυτούς τους τρεις κβαντικούς αριθμούς. Δεδομένου ότι αυτά τα δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούν να έχουν το ίδιο σπιν (επειδή θα είχαν τους ίδιους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς, κάτι που απαγορεύεται από την αρχή του αποκλεισμού Pauli), και εφόσον υπάρχουν μόνο δύο πιθανές τιμές σπιν για κάθε ηλεκτρόνιο, τότε μπορούν μόνο εκεί είναι δύο ηλεκτρόνια σε κάθε τροχιακό.

Εφαρμογή της αρχής αποκλεισμού Pauli

στη φασματοσκοπία

Όπως αναφέρθηκε ήδη, η αρχή αποκλεισμού Pauli χρησιμοποιείται για να εξηγήσει τα φάσματα ατομικής εκπομπής κάτω από ισχυρά μαγνητικά πεδία. Επιπλέον, βοηθά επίσης στην κατανόηση των φασμάτων απορρόφησης και εκπομπής, τόσο των ατομικών όσο και των μοριακών, καθώς και των φασμάτων πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Αυτές οι τεχνικές έχουν πολλές εφαρμογές τόσο στη χημεία όσο και στην ιατρική και σε άλλους τομείς.

Στη χημεία

Μία από τις πιο κοινές εφαρμογές αυτής της αρχής στη χημεία είναι ότι χρησιμοποιείται για την κατασκευή της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης των ατόμων στον περιοδικό πίνακα. Χάρη στην αρχή του αποκλεισμού Pauli, γνωρίζουμε ότι μόνο δύο ηλεκτρόνια μπορούν να χωρέσουν σε ένα τροχιακό. Αυτό, σε συνδυασμό με τους άλλους κανόνες επιλογής για τους άλλους κβαντικούς αριθμούς, μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε πόσα ηλεκτρόνια έχει κάθε άτομο σε κάθε ενεργειακό επίπεδο και σε κάθε τροχιακό σε κάθε επίπεδο.

Ο παρακάτω πίνακας απεικονίζει αυτήν την εφαρμογή επιτρέποντας τον προσδιορισμό του αριθμού των ηλεκτρονίων που χωρούν σε κάθε κύριο ενεργειακό επίπεδο.

Επίπεδο ενέργειας (n) Στρώμα Υποεπίπεδα ή τύποι τροχιακών αριθμός τροχιακών μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων
1 κ Ναί 1 2
2 μεγάλο s,p 4 8
3 Μ s, p, d 9 18
4 Οχι. s, p, d, f 16 32

στην αστρονομία

Η αρχή του αποκλεισμού Pauli χρησιμοποιείται στην αστρονομία για να εξηγήσει το σχηματισμό λευκών νάνων αστέρων, καθώς και άστρων νετρονίων που προκύπτουν από την κατάρρευση ενός ετοιμοθάνατου αστέρα. Οι πρώτοι (λευκοί νάνοι) υποστηρίζουν την κατάρρευση χάρη στην πίεση εκφυλισμού των ηλεκτρονίων που την αποτελούν, ενώ τα αστέρια νετρονίων σχηματίζονται και αντιστέκονται στην κατάρρευση της δικής τους βαρύτητας λόγω της πίεσης εκφυλισμού των νετρονίων στους πυρήνες. Και στις δύο περιπτώσεις, αυτή η κβαντική πίεση δημιουργείται λόγω της αδυναμίας που προβλέπεται από την αρχή του αποκλεισμού ότι δύο φερμιόνια (είτε ηλεκτρόνια είτε νετρόνια, ανάλογα με τον τύπο του αστέρα) καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση.

βιβλιογραφικές αναφορές

Chang, R. (2021). Χημεία (11η έκδ .). ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ MCGRAW HILL.

Εκδότες της Εγκυκλοπαίδειας Britannica. (2018, 19 Ιανουαρίου). Αρχή αποκλεισμού Pauli . Εγκυκλοπαίδεια Britannica. https://www.britannica.com/science/Pauli-exclusion-principle

Libretexts. (2021, 19 Απριλίου). Αρχή αποκλεισμού Pauli . LibreTexts Χημείας. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Electronic_Structure_of_Atoms_and_Molecules/Ecipulirinxurnicions/Ecipulirinxurnic

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

Αρχή αποκλεισμού Pauli. Άρθρο εγκυκλοπαίδειας. (2019, 1 Νοεμβρίου). Encyclopedia.us.es. http://enciclopedia.us.es/index.php/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli

Waksman Minsky, N., & Saucedo Yáñez, A. (2019). Σύντομη ιστορία του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού: από την ανακάλυψη στην εφαρμογή στην απεικόνιση. Chemistry Education , 30 (2), 129. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.2.68418

-Διαφήμιση-

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

Artículos relacionados