Inleiding tot scheikunde

Termen

• fermion Een deeltje met totaal antisymmetrische kwantumtoestanden. Ze hebben een half geheel getal spin en bevatten veel elementaire deeltjes.
• elektronHet subatomaire deeltje met een negatieve lading en in een baan om de kern; de stroom van elektronen in een geleider vormt elektriciteit.
• bosonEen deeltje met totaal symmetrische kwantumtoestanden. Ze hebben een integer spin en bevatten veel elementaire deeltjes, en van sommige (ijkbosonen) is bekend dat ze de fundamentele krachten dragen.

Het Pauli-uitsluitingsprincipe, geformuleerd door de Oostenrijkse natuurkundige Wolfgang Pauli in 1925, stelt dat geen twee fermionen van dezelfde soort tegelijkertijd dezelfde kwantumtoestand kunnen innemen. Meer technisch stelt het dat de totale golffunctie voor twee identieke fermionen antisymmetrisch is met betrekking tot de uitwisseling van de deeltjes. Geen twee elektronen in een enkel atoom kunnen bijvoorbeeld dezelfde vier kwantumgetallen hebben; als n, ℓ en mℓ hetzelfde zijn, moet ms zo verschillend zijn dat de elektronen tegengestelde spins hebben.

Het Pauli-uitsluitingsprincipe regelt het gedrag van alle fermionen (deeltjes met een half geheel getal spin), terwijl bosonen (deeltjes met integer spin) zijn er niet aan onderworpen. Fermionen omvatten elementaire deeltjes zoals quarks (de samenstellende deeltjes van protonen en neutronen), elektronen en neutrino’s. Daarnaast zijn protonen en neutronen (subatomaire deeltjes samengesteld uit drie quarks) en sommige atomen fermionen en vallen daarom ook onder het Pauli-uitsluitingsprincipe. Atomen kunnen een verschillende algehele spin hebben, wat bepaalt of het fermionen of bosonen zijn – helium-3 heeft bijvoorbeeld spin 1/2 en is daarom een fermion, in tegenstelling tot helium-4 dat spin 0 heeft, waardoor het een boson is. Als zodanig ondersteunt het Pauli-uitsluitingsprincipe veel eigenschappen van alledaagse materie, van grootschalige stabiliteit tot het chemische gedrag van atomen, inclusief hun zichtbaarheid in NMR-spectroscopie.

Half-integer spin betekent de intrinsieke impulsmomentwaarde van fermionen is \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (gereduceerde constante van Planck) maal een half geheel getal (1/2, 3/2, 5/2, etc.). In de theorie van de kwantummechanica worden fermionen beschreven door antisymmetrische toestanden. Daarentegen hebben deeltjes met integere spin (bosonen) symmetrische golffuncties; In tegenstelling tot fermionen kunnen bosonen dezelfde kwantumtoestanden delen. Bosonen omvatten het foton, de Cooper-paren (verantwoordelijk voor supergeleiding) en de W- en Z-bosonen. Fermionen ontlenen hun naam aan de statistische Fermi-Dirac-verdeling die ze gehoorzamen, en bosonen ontlenen hun naam aan de Bose-Einstein-verdeling.

Het uitsluitingsprincipe en fysieke verschijnselen

Het Pauli-uitsluitingsprincipe verklaart een breed scala aan fysische verschijnselen. Een bijzonder belangrijk gevolg van het principe is de uitgebreide elektronenschilstructuur van atomen en de manier waarop atomen elektronen delen. Het verklaart de verscheidenheid aan chemische elementen en hun chemische combinaties. Een elektrisch neutraal atoom bevat gebonden elektronen die in aantal gelijk zijn aan de protonen in de kern. Omdat elektronen fermionen zijn, kunnen ze niet dezelfde kwantumtoestand innemen, dus elektronen moeten binnen een atoom “stapelen” – ze hebben verschillende spins terwijl ze op dezelfde plaats zijn.

Een voorbeeld is het neutrale heliumatoom, dat twee gebonden elektronen heeft, die beide kunnen bezetten de laagste-energietoestanden (1s) door tegengestelde spin te verkrijgen. Omdat spin deel uitmaakt van de kwantumtoestand van het elektron, bevinden de twee elektronen zich in verschillende kwantumtoestanden en schenden ze het Pauli-uitsluitingsprincipe niet. Er zijn echter slechts twee verschillende spin waarden voor een gegeven energietoestand. Deze eigenschap schrijft dus voor dat een lithiumatoom, dat drie gebonden elektronen heeft, zijn derde elektronenresidu niet kan hebben e in de 1s-staat; het moet in plaats daarvan een van de hogere energie 2s-staten bezetten. Evenzo moeten achtereenvolgens grotere elementen omhulsels van achtereenvolgens hogere energie hebben.Omdat de chemische eigenschappen van een element grotendeels afhangen van het aantal elektronen in de buitenste schil, gedragen atomen met een verschillend aantal schalen maar hetzelfde aantal elektronen in de buitenste schil zich nog steeds op dezelfde manier. Om deze reden worden elementen gedefinieerd door hun groepen en niet door hun periodes.