Introduktion til kemi

Udtryk

• fermion En partikel med totalt antisymmetriske kvantetilstande. De har et halvt heltal og inkluderer mange elementære partikler.
• elektronDen subatomære partikel har en negativ ladning og kredser om kernen; strømmen af elektroner i en leder udgør elektricitet.
• bosonEn partikel med totalt symmetriske kvantetilstande. De har heltalssnurr og inkluderer mange elementære partikler, og nogle (gauge bosoner) er kendt for at bære de grundlæggende kræfter.

Pauli-udelukkelsesprincippet, formuleret af den østrigske fysiker Wolfgang Pauli i 1925, fastslår at ingen to fermioner af samme art samtidig kan indtage den samme kvantetilstand. Mere teknisk angiver det, at den samlede bølgefunktion for to identiske fermioner er antisymmetrisk med hensyn til udveksling af partiklerne. For eksempel kan ingen to elektroner i et enkelt atom have de samme fire kvantetal; hvis n, ℓ og mℓ er ens, skal ms være forskelligt, således at elektronerne har modsatte spins.

Pauli-ekskluderingsprincippet styrer opførslen for alle fermioner (partikler med halvtalt spin), bosoner (partikler med heltal spin) er ikke underlagt det. Fermioner inkluderer elementære partikler såsom kvarker (de indgående partikler af protoner og neutroner), elektroner og neutrinoer. Derudover er protoner og neutroner (subatomære partikler sammensat af tre kvarker) og nogle atomer fermioner og er derfor også underlagt Pauli-udelukkelsesprincippet. Atomer kan have forskellige samlede spin, som bestemmer, om de er fermioner eller bosoner – for eksempel har helium-3 spin 1/2 og er derfor en fermion i modsætning til helium-4, der har spin 0, hvilket gør det til et boson. Som sådan understøtter Pauli-udelukkelsesprincippet mange egenskaber af dagligdags stof fra storskala stabilitet til atommers kemiske opførsel, herunder deres synlighed i NMR-spektroskopi.

Halvtalt spin betyder den indre vinkelmomentværdi af fermioner er \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (reduceret Plancks konstant) gange et halvt heltal (1/2, 3/2, 5/2 osv.). I teorien om kvantemekanik er fermioner beskrevet af antisymmetriske tilstande. I modsætning hertil har partikler med heltal spin (bosoner) symmetriske bølgefunktioner; i modsætning til fermioner kan bosoner dele de samme kvantetilstande. Bosoner inkluderer foton, Cooper-par (ansvarlig for superledningsevne) og W- og Z-bosoner. Fermioner tager deres navn fra den statistiske fordeling af Fermi – Dirac, som de adlyder, og bosoner tager deres navn fra distributionen Bose – Einstein.

Princippet om udelukkelse og fysiske fænomener

Pauli-udelukkelsesprincippet forklarer en lang række fysiske fænomener. En særlig vigtig konsekvens af princippet er den detaljerede elektronskalestruktur af atomer og den måde, atomer deler elektroner på. Det forklarer de mange forskellige kemiske grundstoffer og deres kemiske kombinationer. Et elektrisk neutralt atom indeholder bundne elektroner svarende til antallet af protoner i kernen. Elektroner, der er fermioner, kan ikke indtage den samme kvantetilstand, så elektroner skal “stable” i et atom – de har forskellige spins på samme sted.

Et eksempel er det neutrale heliumatom, som har to bundne elektroner, som begge kan optage de laveste energitilstande (1s) ved at erhverve modsat spin. Da spin er en del af elektronens kvantetilstand, er de to elektroner i forskellige kvantetilstande og overtræder ikke Pauli-ekskluderingsprincippet. Der er dog kun to forskellige spin værdier for en given energitilstand. Denne egenskab pålægger således, at et lithiumatom, som har tre bundne elektroner, ikke kan have sin tredje elektronrest e i tilstanden 1s; det skal i stedet indtage en af 2-energitilstandene. Tilsvarende skal successivt større elementer have skaller med successivt højere energi.Fordi de grundlæggende kemiske egenskaber i vid udstrækning afhænger af antallet af elektroner i den yderste skal, opfører atomer med forskelligt antal skaller, men det samme antal elektroner i den yderste skal stadig lignende. Af denne grund defineres elementer af deres grupper og ikke deres perioder.