Introducción a la química

Términos

• fermión Una partícula con estados cuánticos totalmente antisimétricos. Tienen espín medio entero e incluyen muchas partículas elementales.
• electronLa partícula subatómica que tiene una carga negativa y orbita el núcleo; el flujo de electrones en un conductor constituye electricidad.
• bosón Una partícula con estados cuánticos totalmente simétricos. Tienen espín entero e incluyen muchas partículas elementales, y se sabe que algunos (bosones de calibre) llevan las fuerzas fundamentales.

El principio de exclusión de Pauli, formulado por el físico austriaco Wolfgang Pauli en 1925, afirma que no dos fermiones del mismo tipo pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico. Más técnicamente, establece que la función de onda total para dos fermiones idénticos es antisimétrica con respecto al intercambio de partículas. Por ejemplo, no hay dos electrones en un solo átomo que puedan tener los mismos cuatro números cuánticos; si n, ℓ y mℓ son iguales, ms debe ser diferente de modo que los electrones tengan espines opuestos.

El principio de exclusión de Pauli gobierna el comportamiento de todos los fermiones (partículas con espín medio entero), mientras que los bosones (partículas con espín entero) no están sujetos a él. Los fermiones incluyen partículas elementales como quarks (las partículas constituyentes de protones y neutrones), electrones y neutrinos. Además, los protones y neutrones (partículas subatómicas compuestas por tres quarks) y algunos átomos son fermiones y, por lo tanto, también están sujetos al principio de exclusión de Pauli. Los átomos pueden tener un giro general diferente, lo que determina si son fermiones o bosones; por ejemplo, el helio-3 tiene un giro 1/2 y, por lo tanto, es un fermión, en contraste con el helio-4, que tiene un giro 0, lo que lo convierte en un bosón. Como tal, el principio de exclusión de Pauli sustenta muchas propiedades de la materia cotidiana, desde la estabilidad a gran escala hasta el comportamiento químico de los átomos, incluida su visibilidad en la espectroscopia de RMN.

El giro medio entero significa el valor intrínseco del momento angular de los fermiones. es \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (constante de Planck reducida) multiplicado por un medio entero (1/2, 3/2, 5/2, etc.). En la teoría de la mecánica cuántica, los fermiones se describen mediante estados antisimétricos. Por el contrario, las partículas con espín entero (bosones) tienen funciones de onda simétricas; a diferencia de los fermiones, los bosones pueden compartir los mismos estados cuánticos. Los bosones incluyen el fotón, los pares de Cooper (responsables de la superconductividad) y los bosones W y Z. Los fermiones toman su nombre de la distribución estadística de Fermi-Dirac que obedecen, y los bosones toman su nombre de la distribución de Bose-Einstein.

El principio de exclusión y los fenómenos físicos

El principio de exclusión de Pauli explica una amplia variedad de fenómenos físicos. Una consecuencia particularmente importante del principio es la elaborada estructura de la capa de electrones de los átomos y la forma en que los átomos comparten electrones. Explica la variedad de elementos químicos y sus combinaciones químicas. Un átomo eléctricamente neutro contiene electrones ligados igual en número a los protones en el núcleo. Los electrones, al ser fermiones, no pueden ocupar el mismo estado cuántico, por lo que los electrones tienen que «apilarse» dentro de un átomo; tienen diferentes espines mientras están en el mismo lugar.

Un ejemplo es el átomo neutro de helio, que tiene dos electrones ligados, los cuales pueden ocupar los estados de energía más baja (1s) adquiriendo un espín opuesto. Como el espín es parte del estado cuántico del electrón, los dos electrones están en estados cuánticos diferentes y no violan el principio de exclusión de Pauli. Sin embargo, solo hay dos espines distintos valores para un estado de energía dado. Por lo tanto, esta propiedad exige que un átomo de litio, que tiene tres electrones ligados, no puede tener su tercer electrón residuo e en el estado 1s; en su lugar, debe ocupar uno de los estados 2 de mayor energía. De manera similar, los elementos sucesivamente más grandes deben tener capas de energía sucesivamente más alta.Debido a que las propiedades químicas de un elemento dependen en gran medida del número de electrones en la capa más externa, los átomos con diferente número de capas pero el mismo número de electrones en la capa más externa todavía se comportan de manera similar. Por esta razón, los elementos se definen por sus grupos y no por sus períodos.