Einführung in die Chemie

Begriffe

• Fermion Ein Teilchen mit vollständig antisymmetrischen Quantenzuständen. Sie haben einen halb ganzzahligen Spin und enthalten viele Elementarteilchen.
• ElektronDas subatomare Teilchen hat eine negative Ladung und umkreist den Kern; Der Elektronenfluss in einem Leiter stellt Elektrizität dar.
• BosonA-Teilchen mit vollständig symmetrischen Quantenzuständen. Sie haben einen ganzzahligen Spin und enthalten viele Elementarteilchen, und einige (Eichbosonen) tragen bekanntermaßen die fundamentalen Kräfte.

Das Pauli-Ausschlussprinzip, das der österreichische Physiker Wolfgang Pauli 1925 formulierte, besagt dass keine zwei Fermionen derselben Art gleichzeitig denselben Quantenzustand einnehmen dürfen. Technisch gesehen heißt es, dass die Gesamtwellenfunktion für zwei identische Fermionen in Bezug auf den Austausch der Teilchen antisymmetrisch ist. Zum Beispiel können keine zwei Elektronen in einem einzelnen Atom die gleichen vier Quantenzahlen haben; Wenn n, ℓ und mℓ gleich sind, muss ms so unterschiedlich sein, dass die Elektronen entgegengesetzte Spins haben.

Das Pauli-Ausschlussprinzip regelt das Verhalten aller Fermionen (Teilchen mit halbzahligem Spin) Bosonen (Teilchen mit ganzzahligem Spin) sind davon nicht betroffen. Fermionen umfassen Elementarteilchen wie Quarks (die Bestandteile von Protonen und Neutronen), Elektronen und Neutrinos. Darüber hinaus sind Protonen und Neutronen (subatomare Teilchen aus drei Quarks) und einige Atome Fermionen und unterliegen daher auch dem Pauli-Ausschlussprinzip. Atome können einen unterschiedlichen Gesamtspin haben, der bestimmt, ob es sich um Fermionen oder Bosonen handelt. Beispielsweise hat Helium-3 Spin 1/2 und ist daher eine Fermion, im Gegensatz zu Helium-4 mit Spin 0, was es zu einem Boson macht. Das Pauli-Ausschlussprinzip untermauert daher viele Eigenschaften der alltäglichen Materie, von der Stabilität im großen Maßstab bis zum chemischen Verhalten von Atomen, einschließlich ihrer Sichtbarkeit in der NMR-Spektroskopie.

Halbzahliger Spin bedeutet den intrinsischen Drehimpulswert von Fermionen ist \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (reduzierte Plancksche Konstante) mal eine halbe ganze Zahl (1/2, 3/2, 5/2 usw.). In der Theorie der Quantenmechanik werden Fermionen durch antisymmetrische Zustände beschrieben. Im Gegensatz dazu haben Teilchen mit ganzzahligem Spin (Bosonen) symmetrische Wellenfunktionen; Im Gegensatz zu Fermionen können Bosonen dieselben Quantenzustände haben. Zu den Bosonen gehören das Photon, die Cooper-Paare (verantwortlich für die Supraleitung) sowie die W- und Z-Bosonen. Fermionen haben ihren Namen von der statistischen Fermi-Dirac-Verteilung, der sie gehorchen, und Bosonen haben ihren Namen von der Bose-Einstein-Verteilung.

Das Ausschlussprinzip und physikalische Phänomene

Das Pauli-Ausschlussprinzip erklärt eine Vielzahl physikalischer Phänomene. Eine besonders wichtige Konsequenz des Prinzips ist die ausgefeilte Elektronenschalenstruktur von Atomen und die Art und Weise, wie Atome Elektronen teilen. Es erklärt die Vielfalt der chemischen Elemente und ihre chemischen Kombinationen. Ein elektrisch neutrales Atom enthält gebundene Elektronen, deren Anzahl den Protonen im Kern entspricht. Da Elektronen Fermionen sind, können sie nicht denselben Quantenzustand einnehmen, daher müssen Elektronen innerhalb eines Atoms „stapeln“ – sie haben unterschiedliche Spins an derselben Stelle.

Ein Beispiel ist das neutrale Heliumatom, das zwei gebundene Elektronen hat, die beide besetzen können Die Zustände mit der niedrigsten Energie (1s) durch Erwerb eines entgegengesetzten Spins. Da der Spin Teil des Quantenzustands des Elektrons ist, befinden sich die beiden Elektronen in unterschiedlichen Quantenzuständen und verletzen nicht das Pauli-Ausschlussprinzip. Es gibt jedoch nur zwei unterschiedliche Spins Werte für einen gegebenen Energiezustand. Diese Eigenschaft schreibt daher vor, dass ein Lithiumatom, das drei gebundene Elektronen aufweist, seinen dritten Elektronenrest nicht haben kann e im 1s-Zustand; es muss stattdessen einen der höherenergetischen 2s-Zustände einnehmen. In ähnlicher Weise müssen sukzessive größere Elemente Schalen mit sukzessive höherer Energie aufweisen.Da die chemischen Eigenschaften eines Elements weitgehend von der Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale abhängen, verhalten sich Atome mit unterschiedlicher Anzahl von Schalen, aber gleicher Anzahl von Elektronen in der äußersten Schale immer noch ähnlich. Aus diesem Grund werden Elemente durch ihre Gruppen und nicht durch ihre Perioden definiert.