Definicja zasady wykluczenia Pauliego

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


Zasada wykluczenia Pauliego jest jedną z podstawowych zasad mechaniki kwantowej. Stwierdza, że ​​w zamkniętym układzie kwantowym, takim jak atom lub cząsteczka, żadne dwie identyczne cząstki subatomowe nie mogą jednocześnie mieć tej samej konfiguracji ani znajdować się w dokładnie tym samym stanie kwantowym . Cząsteczki subatomowe odnoszą się albo do elektronów, albo do dowolnej cząstki tworzącej jądro atomowe.

Zasada ta została postulowana przez austriackiego fizyka teoretycznego Wolfganga Pauliego w 1925 r. w celu wyjaśnienia pewnych obserwacji eksperymentalnych związanych z atomowymi widmami emisyjnymi. W szczególności umożliwia wyjaśnienie pojawiania się wzoru wielu linii ( multipletów ) w widmach emisyjnych atomów poddanych działaniu silnych pól magnetycznych, obserwacja ta nazywana jest anomalnym efektem Zeemana . Do tego czasu obecny kwantowy model atomowy definiował atomy tylko za pomocą trzech liczb kwantowych , a mianowicie głównej liczby kwantowej (n), azymutalnej (l) i magnetycznej liczby kwantowej (m l ), ​​więc obserwacja Pauliego implikowała istnienie czwartej liczby kwantowej odpowiadającej spinowi.

Chociaż pierwotnie ustanowiono ją dla elektronów w atomie, zasada ta rozciąga się na szerszą klasę cząstek subatomowych zwanych łącznie fermionami . Fermiony to te cząstki subatomowe, których spin jest nieparzystą wielokrotnością ½, a zatem spełniają zasadę wykluczenia Pauliego . Oprócz elektronów protony i neutrony są również fermionami, więc ta zasada odnosi się również do nich i pomaga wyjaśnić widma magnetycznego rezonansu jądrowego.

Konsekwencje zasady wykluczenia Pauliego w chemii kwantowej

Alternatywne stwierdzenie zasady wykluczenia Pauliego

W chemii zasada wykluczenia Pauliego jest wyrażona w nieco inny sposób niż przedstawiony na początku artykułu. W rzeczywistości jest to zwykle stwierdzane na podstawie jednej z konsekwencji, stwierdzając, że:

W żadnym atomie żadne dwa elektrony nie mogą mieć tych samych czterech liczb kwantowych.

Ten sposób wyrażenia zasady wykluczenia Pauliego jest mniej ogólny niż poprzedni, ale jest równoważny pierwszemu stwierdzeniu, gdy jest zastosowany konkretnie do elektronów w atomie.

Z jednej strony izolowany atom jest zamkniętym układem kwantowym. Mówiąc o dwóch elektronach, mówimy o dwóch identycznych cząstkach subatomowych, które są jednocześnie fermionami, więc spełniają zasadę wykluczenia. Wreszcie, w mechanice kwantowej liczby kwantowe określają stan kwantowy każdego elektronu. Tak więc jednoczesne posiadanie tych samych czterech liczb kwantowych jest równoważne znajdowaniu się dokładnie w tym samym stanie kwantowym, co w rzeczywistości wyklucza lub zabrania zasada Pauliego.

Tylko dwa elektrony o antyrównoległych spinach mogą zmieścić się na orbicie.

Inną konsekwencją zasady wykluczenia Pauliego, która w niektórych przypadkach jest również używana jako alternatywny sposób jej wyrażenia, jest to, że na tym samym orbicie atomowym nie może być więcej niż dwa elektrony, a ponadto muszą one mieć przeciwne obrotów (+ lub – ½) .

Definicja zasady wykluczenia Pauliego

To stwierdzenie jest również równoważne (choć znów mniej ogólne) niż poprzednie stwierdzenie, ponieważ orbital atomowy jest zdefiniowany przez pierwsze trzy liczby kwantowe, n, l i ml . Jeśli dwa elektrony znajdują się na tym samym orbicie, dzielą te trzy liczby kwantowe. Ponieważ te dwa elektrony nie mogą mieć tego samego spinu (ponieważ miałyby te same cztery liczby kwantowe, czego zabrania zasada wykluczania Pauliego), a ponieważ dla każdego elektronu są tylko dwie możliwe wartości spinu, to mogą tylko Tam są dwa elektrony na każdym orbicie.

Zastosowanie zasady wykluczenia Pauliego

w spektroskopii

Jak już wspomniano, zasada wykluczenia Pauliego służy do wyjaśnienia atomowych widm emisyjnych w silnych polach magnetycznych. Ponadto pomaga również zrozumieć widma absorpcyjne i emisyjne, zarówno atomowe, jak i molekularne, oraz widma magnetycznego rezonansu jądrowego. Techniki te mają wiele zastosowań zarówno w chemii, jak i medycynie oraz innych dziedzinach.

w chemii

Jednym z najczęstszych zastosowań tej zasady w chemii jest to, że jest ona wykorzystywana do budowy konfiguracji elektronowej atomów w układzie okresowym. Dzięki zasadzie wykluczenia Pauliego wiemy, że tylko dwa elektrony mogą zmieścić się na orbicie. To, w połączeniu z innymi regułami wyboru dla innych liczb kwantowych, pozwala nam określić, ile elektronów ma każdy atom na każdym poziomie energii i na każdym orbicie na każdym poziomie.

Poniższa tabela ilustruje to zastosowanie, umożliwiając określenie liczby elektronów, które pasują do każdego głównego poziomu energii.

Poziom energii (n) Warstwa Podpoziomy lub rodzaje orbitali liczba orbitali maksymalna liczba elektronów
1 k Tak 1 2
2 Ł s, str 4 8
3 M s, p, re 9 18
4 NIE. s, p, re, f 16 32

w astronomii

Zasada wykluczenia Pauliego jest używana w astronomii do wyjaśnienia powstawania białych karłów, a także gwiazd neutronowych, które powstają w wyniku zapadnięcia się umierającej gwiazdy. Pierwsze (białe karły) wspierają zapadanie się dzięki ciśnieniu degeneracji tworzących go elektronów, podczas gdy gwiazdy neutronowe powstają i opierają się zapadaniu własnej grawitacji z powodu ciśnienia degeneracji neutronów w jądrach atomowych. W obu przypadkach to ciśnienie kwantowe jest generowane z powodu niemożliwości przewidzianej przez zasadę wykluczenia, że ​​dwa fermiony (albo elektrony, albo neutrony, w zależności od rodzaju gwiazdy) zajmują ten sam stan kwantowy.

Bibliografia

Chang, R. (2021). Chemia ( wyd . 11 ). EDUKACJA MCGRAW HILL.

Wydawcy Encyklopedii Britannica. (2018, 19 stycznia). Zasada wykluczenia Pauliego . Encyklopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Pauli-exclusion-principle

Libretexty. (2021, 19 kwietnia). Zasada wykluczenia Pauliego . Chemia 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_Configurations/Pauli_Exclusion_Principle

Nawa, R. (nd). Zasada wykluczenia Pauliego . hiperfizyka. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pauli.html

Zasada wykluczenia Pauliego. Artykuł w encyklopedii. (2019, 1 listopada). Encyklopedia.us.es. http://enciclopedia.us.es/index.php/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli

Waksman Minsky, N. i Saucedo Yáñez, A. (2019). Krótka historia magnetycznego rezonansu jądrowego: od odkrycia do zastosowania w obrazowaniu. Edukacja chemiczna , 30 (2), 129. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.2.68418

-Reklama-

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

Artículos relacionados