Johdatus kemiaan

Termit

• fermionPartikkeli, jolla on täysin antisymmetriset kvanttitilat. Niillä on puoli-kokonaisluku ja ne sisältävät monia alkeishiukkasia.
• elektroni Subatominen hiukkanen, jolla on negatiivinen varaus ja joka kiertää ytimen ympärillä; elektronien virta johtimessa muodostaa sähkön.
• bosoniPartikkeli, jolla on täysin symmetriset kvanttitilat. Heillä on kokonaislukku ja ne sisältävät monia alkeishiukkasia, ja joidenkin (mittariposonit) tiedetään kantavan perusvoimia.

Paulin poissulkemisperiaate, jonka itävaltalainen fyysikko Wolfgang Pauli muotoili vuonna 1925, toteaa. ettei kaksi samanlaista fermionia voi samanaikaisesti olla samassa kvanttitilassa. Teknisemmin sanotaan, että kahden identtisen fermionin kokonaisaaltofunktio on antisymmetrinen hiukkasten vaihdon suhteen. Esimerkiksi kahdella elektronilla yhdessä atomissa ei voi olla samat neljä kvanttilukua; jos n, ℓ ja mℓ ovat samat, ms: n on oltava erilainen siten, että elektronilla pyörii vastakkain.

Paulin poissulkemisperiaate säätelee kaikkien fermionien käyttäytymistä (hiukkasia, joiden pyörimisnopeus on puoli kokonaisluku), kun taas bosonit (hiukkaset, joilla on kokonaislukuva) eivät ole sen alaisia. Fermionit sisältävät alkeishiukkasia, kuten kvarkit (protonien ja neutronien osatekijät), elektronit ja neutriinot. Lisäksi protonit ja neutronit (kolmesta kvarkista koostuvat subatomiset hiukkaset) ja jotkut atomit ovat fermioneja, joten niihin sovelletaan myös Paulin poissulkemisperiaatetta. Atomeilla voi olla erilainen kokonaiskierros, mikä määrittää, ovatko ne fermioneja vai bosoneja – esimerkiksi helium-3: lla on spin 1/2 ja se on siis fermioni, toisin kuin helium-4: llä, jolla on spin 0, mikä tekee siitä bosonin. Sellaisena Paulin poissulkemisperiaate tukee monia arkipäivän aineen ominaisuuksia laajamittaisesta stabiilisuudesta atomien kemialliseen käyttäytymiseen, mukaan lukien niiden näkyvyys NMR-spektroskopiassa.

Puoli-kokonaislukuinen spin tarkoittaa fermionien sisäistä kulmamomenttiarvoa. on \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (pienennetty Planckin vakio) kertaa puoli-kokonaisluku (1/2, 3/2, 5/2 jne.). Kvanttimekaniikan teoriassa fermionit kuvataan antisymmetrisillä tiloilla. Sitä vastoin hiukkasilla, joilla on kokonaislukema (bosonit), on symmetriset aaltofunktiot; toisin kuin fermionit, bosoneilla voi olla samat kvanttitilat. Bosoneihin kuuluvat fotoni, suprajohtavuudesta vastaavat Cooper-parit sekä W- ja Z-bosonit. Fermionit ottavat nimensä Fermi – Dirac-tilastollisesta jakaumasta, jota he noudattavat, ja bosonit ottavat nimensä Bose – Einstein-jakelusta.

Poissulkemisperiaate ja fyysiset ilmiöt

Paulin poissulkemisperiaate selittää monenlaisia fyysisiä ilmiöitä. Yksi erityisen tärkeä seuraus periaatteesta on atomien monimutkainen elektronikuorirakenne ja tapa, jolla atomit jakavat elektroneja. Se selittää kemiallisten alkuaineiden ja niiden kemiallisten yhdistelmien erilaisuuden. Sähköisesti neutraali atomi sisältää sitoutuneita elektroneja, joiden lukumäärä on yhtä suuri kuin ytimen protonit. Elektronit, jotka ovat fermioneja, eivät voi käyttää samaa kvanttitilaa, joten elektronien on ”pinottava” atomiin – niillä on eri pyörimiset ollessaan samassa paikassa.

Esimerkki on neutraali heliumiatomi, johon on kaksi sitoutunutta elektronia, jotka molemmat voivat miehittää pienimmän energian (1s) tilat hankkimalla vastakkainen spin. Koska spin on osa elektronin kvanttitilaa, nämä kaksi elektronia ovat erilaisissa kvanttitiloissa eivätkä riko Paulin poissulkemisperiaatetta. Tämä ominaisuus edellyttää siten, että litiumatomilla, jolla on kolme sitoutunutta elektronia, ei voi olla kolmatta elektronijäämää e 1s-tilassa; sen on sijaittava yksi korkeamman energian 2s-tiloista. Vastaavasti peräkkäin suuremmilla alkuaineilla on oltava peräkkäin korkeamman energian kuoret.Koska elementin kemialliset ominaisuudet riippuvat suurelta osin elektronien lukumäärästä uloimmassa kuoressa, atomit, joilla on erilainen lukumäärä kuoria, mutta sama määrä elektroneja uloimmassa kuoressa, käyttäytyvät kuitenkin samalla tavalla. Tästä syystä elementit määrittelevät ryhmät eikä jaksot.