Introduksjon til kjemi

Begreper

• fermion En partikkel med totalt antisymmetriske kvantetilstander. De har et halvt helt spinn og inkluderer mange elementære partikler.
• elektronDen subatomære partikkelen har en negativ ladning og kretser rundt kjernen; strømmen av elektroner i en leder utgjør elektrisitet.
• boson En partikkel med totalt symmetriske kvantetilstander. De har heltallsnurr og inkluderer mange elementære partikler, og noen (gauge bosons) er kjent for å bære de grunnleggende kreftene.

Pauli-utelukkelsesprinsippet, formulert av den østerrikske fysikeren Wolfgang Pauli i 1925, fastslår at ingen to fermioner av samme slag samtidig kan oppta samme kvantetilstand. Mer teknisk sier det at den totale bølgefunksjonen for to identiske fermioner er antisymmetrisk med hensyn til utveksling av partiklene. For eksempel kan ikke to elektroner i et enkelt atom ha de samme fire kvantetallene; hvis n, ℓ og mℓ er de samme, må ms være annerledes slik at elektronene har motsatte spinn.

Pauli-ekskluderingsprinsippet styrer oppførselen til alle fermioner (partikler med halvtallssnurr), mens bosoner (partikler med heltalsnurr) er ikke underlagt det. Fermions inkluderer elementære partikler som kvarker (de sammensatte partiklene til protoner og nøytroner), elektroner og nøytrinoer. I tillegg er protoner og nøytroner (subatomære partikler sammensatt av tre kvarker) og noen atomer fermioner og er derfor også underlagt Pauli-utelukkelsesprinsippet. Atomer kan ha forskjellig total spinn, som avgjør om de er fermioner eller bosoner — for eksempel har helium-3 spin 1/2 og er derfor en fermion, i motsetning til helium-4 som har spin 0, noe som gjør det til et boson. Som sådan understøtter Pauli-utelukkelsesprinsippet mange egenskaper av hverdagslig materie fra storskala stabilitet til atomers kjemiske oppførsel, inkludert deres synlighet i NMR-spektroskopi.

Halvtallssnurr betyr den indre vinkelmomentverdien til fermioner er \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (redusert Plancks konstant) ganger et halvt heltall (1/2, 3/2, 5/2, etc.). I teorien om kvantemekanikk er fermioner beskrevet av antisymmetriske tilstander. I kontrast har partikler med heltalspinn (bosoner) symmetriske bølgefunksjoner; i motsetning til fermioner, kan bosoner dele de samme kvantetilstandene. Bosons inkluderer foton, Cooper-parene (ansvarlig for superledningsevne) og W- og Z-bosonene. Fermions tar navnet sitt fra den statistiske fordelingen Fermi – Dirac som de adlyder, og bosoner tar navnet sitt fra Bose – Einstein-distribusjonen.

Utelukkelsesprinsippet og fysiske fenomener

Prinsippet om utelukkelse av Pauli forklarer en lang rekke fysiske fenomener. En spesielt viktig konsekvens av prinsippet er den forseggjorte elektronskallstrukturen til atomer og måten atomer deler elektroner på. Det forklarer mangfoldet av kjemiske elementer og deres kjemiske kombinasjoner. Et elektrisk nøytralt atom inneholder bundne elektroner som er like mange som protonene i kjernen. Elektroner, som er fermioner, kan ikke oppta samme kvantetilstand, så elektroner må «stable» i et atom – de har forskjellige spinn mens de er på samme sted.

Et eksempel er det nøytrale heliumatomet, som har to bundne elektroner, som begge kan okkupere de laveste energitilstandene (1s) ved å anskaffe motsatt spinn. Ettersom spinn er en del av kvantetilstanden til elektronet, er de to elektronene i forskjellige kvantetilstander og bryter ikke Pauli-utelukkelsesprinsippet. Det er imidlertid bare to forskjellige spinn verdier for en gitt energitilstand. Denne egenskapen mandater således at et litiumatom, som har tre bundne elektroner, ikke kan ha sin tredje elektronrest e i 1s tilstand; den må okkupere en av 2-energitilstandene med høyere energi i stedet. Tilsvarende må suksessivt større elementer ha skjell med suksessivt høyere energi.Fordi de kjemiske egenskapene til et element i stor grad avhenger av antall elektroner i det ytterste skallet, oppfører atomer med forskjellige antall skall, men det samme antallet elektroner i det ytterste skallet, seg fortsatt på samme måte. Av denne grunn defineres elementer av gruppene deres og ikke periodene.