Introdução à química

Termos

• fermionA partícula com estados quânticos totalmente antissimétricos. Eles têm spin meio inteiro e incluem muitas partículas elementares.
• elétronA partícula subatômica tendo uma carga negativa e orbitando o núcleo; o fluxo de elétrons em um condutor constitui eletricidade.
• partícula bósonA com estados quânticos totalmente simétricos. Eles têm spin inteiro e incluem muitas partículas elementares, e alguns (bósons de calibre) são conhecidos por carregar as forças fundamentais.

O princípio de exclusão de Pauli, formulado pelo físico austríaco Wolfgang Pauli em 1925, afirma que dois férmions do mesmo tipo não podem ocupar simultaneamente o mesmo estado quântico. Mais tecnicamente, afirma que a função de onda total para dois férmions idênticos é anti-simétrica em relação à troca das partículas. Por exemplo, dois elétrons em um único átomo não podem ter os mesmos quatro números quânticos; se n, ℓ e mℓ são iguais, ms deve ser diferente de modo que os elétrons tenham spins opostos.

O princípio de exclusão de Pauli governa o comportamento de todos os férmions (partículas com spin meio-inteiro), enquanto bósons (partículas com spin inteiro) não estão sujeitos a ela. Os férmions incluem partículas elementares como quarks (as partículas constituintes de prótons e nêutrons), elétrons e neutrinos. Além disso, prótons e nêutrons (partículas subatômicas compostas de três quarks) e alguns átomos são férmions e, portanto, também estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli. Os átomos podem ter spin geral diferente, o que determina se são férmions ou bósons – por exemplo, o hélio-3 tem spin 1/2 e, portanto, é um férmion, em contraste com o hélio-4, que tem spin 0, o que o torna um bóson. Como tal, o princípio de exclusão de Pauli sustenta muitas propriedades da matéria cotidiana, desde a estabilidade em grande escala até o comportamento químico dos átomos, incluindo sua visibilidade na espectroscopia de RMN.

O spin meio inteiro significa o valor do momento angular intrínseco dos férmions é \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (constante de Planck reduzida) vezes um meio inteiro (1/2, 3/2, 5/2, etc.). Na teoria da mecânica quântica, os férmions são descritos por estados anti-simétricos. Em contraste, partículas com spin inteiro (bósons) têm funções de onda simétricas; ao contrário dos férmions, os bósons podem compartilhar os mesmos estados quânticos. Os bósons incluem o fóton, os pares de Cooper (responsáveis pela supercondutividade) e os bósons W e Z. Os férmions recebem seus nomes da distribuição estatística de Fermi – Dirac à qual obedecem, e os bósons recebem seus nomes da distribuição de Bose-Einstein.

O princípio de exclusão e fenômenos físicos

O princípio de exclusão de Pauli explica uma grande variedade de fenômenos físicos. Uma conseqüência particularmente importante do princípio é a elaborada estrutura da camada de elétrons dos átomos e a maneira como os átomos compartilham os elétrons. Ele explica a variedade de elementos químicos e suas combinações químicas. Um átomo eletricamente neutro contém elétrons ligados em número igual aos prótons no núcleo. Os elétrons, sendo férmions, não podem ocupar o mesmo estado quântico, então os elétrons precisam “empilhar” dentro de um átomo – eles têm spins diferentes enquanto estão no mesmo lugar.

Um exemplo é o átomo de hélio neutro, que tem dois elétrons ligados, os quais podem ocupar os estados de energia mais baixa (1s) adquirindo spin oposto. Como o spin faz parte do estado quântico do elétron, os dois elétrons estão em estados quânticos diferentes e não violam o princípio de exclusão de Pauli. No entanto, existem apenas dois spin distintos valores para um determinado estado de energia. Esta propriedade determina que um átomo de lítio, que tem três elétrons ligados, não pode ter seu terceiro resíduo e no estado 1s; ele deve ocupar um dos estados 2s de alta energia. Da mesma forma, elementos sucessivamente maiores devem ter camadas de energia sucessivamente mais alta.Como as propriedades químicas de um elemento dependem em grande parte do número de elétrons na camada mais externa, átomos com diferentes números de camadas, mas o mesmo número de elétrons na camada mais externa, ainda se comportam de maneira semelhante. Por esse motivo, os elementos são definidos por seus grupos e não por seus períodos.