Wprowadzenie do chemii

Terminy

• fermion Cząstka o całkowicie antysymetrycznych stanach kwantowych. Mają spin półcałkowity i zawierają wiele cząstek elementarnych.
• elektron Cząstka subatomowa o ładunku ujemnym i krążąca wokół jądra; przepływ elektronów w przewodniku tworzy elektryczność.
• BozonCząstka o całkowicie symetrycznych stanach kwantowych. Mają spin całkowity i zawierają wiele cząstek elementarnych, a niektóre (bozony cechowania) są znane z przenoszenia sił podstawowych.

Zasada wykluczenia Pauliego, sformułowana przez austriackiego fizyka Wolfganga Pauliego w 1925 roku, stwierdza że żadne dwa fermiony tego samego rodzaju nie mogą jednocześnie znajdować się w tym samym stanie kwantowym. Mówiąc bardziej technicznie, stwierdza się, że całkowita funkcja falowa dla dwóch identycznych fermionów jest antysymetryczna w odniesieniu do wymiany cząstek. Na przykład żadne dwa elektrony w pojedynczym atomie nie mogą mieć takich samych czterech liczb kwantowych; jeśli n, ℓ i mℓ są takie same, ms muszą być różne, tak aby elektrony miały przeciwne spiny.

Zasada wykluczenia Pauliego rządzi zachowaniem wszystkich fermionów (cząstek o spinie półcałkowitym), podczas gdy bozony (cząstki o spinie całkowitym) nie podlegają temu. Fermiony obejmują cząstki elementarne, takie jak kwarki (cząstki składowe protonów i neutronów), elektrony i neutrina. Ponadto protony i neutrony (cząstki subatomowe złożone z trzech kwarków) oraz niektóre atomy są fermionami i dlatego podlegają również zasadzie wykluczenia Pauliego. Atomy mogą mieć różny spin ogólny, który decyduje o tym, czy są fermionami, czy bozonami – na przykład hel-3 ma spin 1/2, a zatem jest fermionem, w przeciwieństwie do helu-4, który ma spin 0, co czyni go bozonem. Jako taka, zasada wykluczenia Pauliego stanowi podstawę wielu właściwości codziennej materii, od stabilności na dużą skalę po chemiczne zachowanie atomów, w tym ich widoczność w spektroskopii NMR.

Spin pół-całkowity oznacza wewnętrzną wartość momentu pędu fermionów to \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (zredukowana stała Plancka) razy pół-liczba całkowita (1/2, 3/2, 5/2 itd.). W teorii mechaniki kwantowej fermiony opisywane są stanami antysymetrycznymi. Natomiast cząstki o spinie całkowitym (bozony) mają symetryczne funkcje falowe; w przeciwieństwie do fermionów bozony mogą mieć te same stany kwantowe. Bozony obejmują foton, pary Coopera (odpowiedzialne za nadprzewodnictwo) oraz bozony W i Z. Fermiony biorą swoją nazwę od rozkładu statystycznego Fermiego-Diraca, któremu podlegają, a bozony biorą swoją nazwę od rozkładu Bosego-Einsteina.

Zasada wykluczenia i zjawiska fizyczne

Zasada wykluczenia Pauliego wyjaśnia różnorodne zjawiska fizyczne. Szczególnie ważną konsekwencją tej zasady jest skomplikowana struktura powłok elektronowych atomów i sposób, w jaki atomy dzielą się elektronami. Wyjaśnia różnorodność pierwiastków chemicznych i ich kombinacje chemiczne. Atom elektrycznie obojętny zawiera związane elektrony w liczbie równej liczbie protonów w jądrze. Elektrony, będąc fermionami, nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego, więc elektrony muszą „układać się w stos” w atomie – mają różne spiny w tym samym miejscu.

Przykładem jest neutralny atom helu, który ma dwa związane elektrony, z których oba mogą zajmować stany o najniższej energii (1s) poprzez uzyskanie spinu przeciwnego. Ponieważ spin jest częścią stanu kwantowego elektronu, oba elektrony są w różnych stanach kwantowych i nie naruszają zasady wykluczenia Pauliego. Istnieją jednak tylko dwa odrębne spiny wartości dla danego stanu energii. Ta właściwość nakazuje zatem, aby atom litu, który ma trzy związane elektrony, nie mógł mieć swojej trzeciej reszty elektronowej e w stanie 1s; zamiast tego musi zajmować jeden ze stanów 2s o wyższej energii. Podobnie, kolejno większe elementy muszą mieć muszle o sukcesywnie wyższej energii.Ponieważ właściwości chemiczne pierwiastka w dużej mierze zależą od liczby elektronów w najbardziej zewnętrznej powłoce, atomy o różnej liczbie powłok, ale z taką samą liczbą elektronów w najbardziej zewnętrznej powłoce nadal zachowują się podobnie. Z tego powodu elementy są definiowane przez swoje grupy, a nie okresy.