Úvod do chemie

Termíny

• fermion Částice se zcela antisymetrickými kvantovými stavy. Mají poločíselnou rotaci a zahrnují mnoho elementárních částic.
• elektron Subatomová částice se záporným nábojem a obíhající kolem jádra; tok elektronů ve vodiči představuje elektřinu.
• bosonA částice se zcela symetrickými kvantovými stavy. Mají celočíselnou rotaci a zahrnují mnoho elementárních částic a o některých (měřicích bosonech) je známo, že nesou základní síly.

Pauliho vylučovací princip, formulovaný rakouským fyzikem Wolfgangem Paulim v roce 1925, uvádí že žádné dva fermiony stejného druhu nemohou současně zaujímat stejný kvantový stav. Techničtěji uvádí, že celková vlnová funkce pro dva identické fermiony je antisymetrická s ohledem na výměnu částic. Například žádné dva elektrony v jediném atomu nemohou mít stejná čtyři kvantová čísla; jsou-li n, ℓ a mℓ stejná, ms se musí lišit, aby elektrony měly opačné otáčky.

Princip vyloučení Pauliho řídí chování všech fermionů (částic s půlčíselným spinem), zatímco bosony (částice s celočíselným spinem) tomu nepodléhají. Fermiony zahrnují elementární částice, jako jsou kvarky (základní částice protonů a neutronů), elektrony a neutrina. Kromě toho jsou protony a neutrony (subatomární částice složené ze tří kvarků) a některé atomy fermiony, a proto také podléhají principu Pauliho vylučování. Atomy mohou mít různý celkový spin, který určuje, zda se jedná o fermiony nebo bosony – například helium-3 má spin 1/2 a je tedy fermionem, na rozdíl od helia-4, které má spin 0, což z něj dělá boson. Princip vyloučení Pauli jako takový podporuje mnoho vlastností každodenní hmoty od stability ve velkém měřítku po chemické chování atomů, včetně jejich viditelnosti v NMR spektroskopii.

Poločíselné otáčení znamená skutečnou hodnotu momentu hybnosti fermionů je \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (redukovaná Planckova konstanta) krát celé celé číslo (1/2, 3/2, 5/2 atd.). V teorii kvantové mechaniky jsou fermiony popsány antisymetrickými stavy. Naproti tomu částice s celočíselným spinem (bosony) mají symetrické vlnové funkce; na rozdíl od fermionů mohou bosony sdílet stejné kvantové stavy. Bosony zahrnují foton, páry Cooper (odpovědné za supravodivost) a bosony W a Z. Fermiony odvozují svůj název od statistického rozdělení Fermi – Dirac, kterému se řídí, a bosony odvozují svůj název od distribuce Bose – Einstein.

Princip vyloučení a fyzikální jevy

Princip vyloučení Pauli vysvětluje širokou škálu fyzikálních jevů. Jedním z obzvláště důležitých důsledků tohoto principu je propracovaná elektronová struktura atomů a způsob, jakým atomy sdílejí elektrony. Vysvětluje rozmanitost chemických prvků a jejich chemické kombinace. Elektricky neutrální atom obsahuje vázané elektrony, které mají stejný počet protonů v jádře. Elektrony, protože jsou fermiony, nemohou obsadit stejný kvantový stav, takže elektrony se musí „skládat“ do atomu – mají různá otočení na stejném místě.

Příkladem je neutrální atom helia, který má dva vázané elektrony, které oba mohou zabírat stavy s nejnižší energií (1 s) získáním opačného spinu. Protože spin je součástí kvantového stavu elektronu, jsou tyto dva elektrony v různých kvantových stavech a neporušují Pauliho vylučovací princip. Existují však pouze dva odlišné spiny hodnoty pro daný energetický stav. Tato vlastnost tedy nařizuje, že atom lithia, který má tři vázané elektrony, nemůže mít svůj třetí elektronový zbytek e ve stavu 1 s; místo toho musí obsadit jeden ze stavů 2s s vyšší energií. Podobně musí postupně větší prvky mít skořápky postupně vyšší energie.Protože chemické vlastnosti prvku do značné míry závisí na počtu elektronů v nejvzdálenějším plášti, chovají se atomy s různým počtem obalů, ale se stejným počtem elektronů v nejvzdálenějším plášti, podobně. Z tohoto důvodu jsou prvky definovány jejich skupinami, nikoli jejich tečkami.