Tanulási cél
- Illusztrálja, hogy a Pauli kizárási elv miként magyarázza részben az atomok elektronhéjszerkezetét.
Kulcspontok
- Két azonos fermion (félig egész spinű részecske) nem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot egyszerre.
- Egy atomban két elektronnak nem lehet azonos négy kvantumszám.
- Az egész spinű részecskék szimmetrikus kvantumállapotokat, a fél egész spinű részecskék pedig antiszimmetrikus állapotokat foglalnak el.
Kifejezések
- fermionA teljesen antiszimmetrikus kvantumállapotú részecske. Fél-egész spinük van, és sok elemi részecskét tartalmaznak.
- elektronA negatív töltésű és a mag körül keringő szubatomi részecske; az elektronok áramlása a vezetőben villamos energiát képez.
- bozonA teljesen szimmetrikus kvantumállapotú részecske. Egész pörgetéssel rendelkeznek, és sok elemi részecskét tartalmaznak, és egyesek (nyomtávú bozonok) köztudottan hordozzák az alapvető erőket.
A Pauli kizárási elv, amelyet Wolfgang Pauli osztrák fizikus fogalmazott meg 1925-ben hogy két azonos típusú fermion nem foglalhatja el egyszerre ugyanazt a kvantumállapotot. Technikailag azt állítja, hogy két azonos fermion teljes hullámfüggvénye antiszimmetrikus a részecskék cseréjéhez képest. Például egyetlen atomban két elektronnak nem lehet ugyanaz a négy kvantumszáma; ha n, ℓ és mℓ megegyeznek, akkor az ms-nek különböznie kell attól, hogy az elektronok ellentétesen forogjanak.
A Pauli-kizárási elv szabályozza az összes fermion (félig egész spinű részecskék) viselkedését, míg a bozonok (egész spinű részecskék) nem vonatkoznak rá. A fermionok közé tartoznak olyan elemi részecskék, mint a kvarkok (a protonok és a neutronok alkotó részecskéi), az elektronok és a neutrínók. Ezenkívül a protonok és a neutronok (három kvarkból álló szubatomi részecskék) és egyes atomok fermionok, ezért a Pauli kizárási elv alá tartoznak. Az atomok különböző spin-értékűek lehetnek, ami meghatározza, hogy fermionok vagy bozonok-e – például a hélium-3 spinje 1/2, ezért fermion, ellentétben a hélium-4-vel, amelynek spinje 0, így bozon. Mint ilyen, a Pauli-kizárási elv a mindennapi anyag számos tulajdonságát megalapozza, a nagymértékű stabilitástól az atomok kémiai viselkedéséig, beleértve az NMR-spektroszkópiában való láthatóságukat is. \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (csökkentve Planck konstansát) egy fél egész szám (1/2, 3/2, 5/2 stb.) szorosa. A kvantummechanika elméletében a fermionokat antiszimmetrikus állapotok írják le. Ezzel szemben az egész spinű részecskék (bozonok) szimmetrikus hullámfüggvényekkel rendelkeznek; a fermionokkal ellentétben a bozonoknak ugyanazok a kvantumállapotok lehetnek. A boszonok közé tartozik a foton, a Cooper-párok (amelyek felelősek a szupravezetésért), valamint a W és Z bozonok. A fermionok a Fermi – Dirac statisztikai eloszlásból veszik a nevüket, amelynek engedelmeskednek, a bozonok pedig a nevüket a Bose – Einstein terjesztésből.
A kizárás elve és a fizikai jelenségek
A Pauli kizárás elve sokféle fizikai jelenséget magyaráz. Az elv egyik különösen fontos következménye az atomok bonyolult elektron-héj szerkezete és az atomok megosztási módja. Megmagyarázza a kémiai elemek sokféleségét és azok kémiai kombinációit. Az elektromosan semleges atom megkötött elektronokat tartalmaz, amelyek száma megegyezik a mag protonjaival. Az elektronok, mivel fermionok, nem képesek ugyanazt a kvantumállapotot elfoglalni, ezért az elektronoknak egy atomon belül kell “egymásra rakódniuk” – ugyanazon a helyen különböző pörgetésekkel rendelkeznek. div id = “bed427f638″>