Introducere în chimie

Termeni

• fermion O particulă cu stări cuantice total antisimetrice. Au rotire pe jumătate de număr întreg și includ multe particule elementare.
• electronParticulă subatomică având o sarcină negativă și orbitând nucleul; fluxul de electroni într-un conductor constituie electricitate.
• particula bosonică cu stări cuantice total simetrice. Au rotire întreagă și includ multe particule elementare, iar unele (bosoni gauge) sunt cunoscute pentru a purta forțele fundamentale.

Principiul de excludere Pauli, formulat de fizicianul austriac Wolfgang Pauli în 1925, afirmă că nici doi fermioni de același fel nu pot ocupa simultan aceeași stare cuantică. Mai tehnic, se afirmă că funcția de undă totală pentru doi fermioni identici este antisimetrică în ceea ce privește schimbul de particule. De exemplu, niciun electron dintr-un singur atom nu poate avea aceleași patru numere cuantice; dacă n, ℓ și mℓ sunt aceleași, ms trebuie să fie diferite astfel încât electronii să aibă rotiri opuse.

Principiul de excludere Pauli guvernează comportamentul tuturor fermionilor (particule cu rotire pe jumătate întregi), în timp ce bosonii (particule cu spin întreg) nu îi sunt supuși. Fermiunile includ particule elementare precum quarcii (particulele constitutive ale protonilor și neutronilor), electroni și neutrini. În plus, protoni și neutroni (particule subatomice compuse din trei quark) și unii atomi sunt fermioni și, prin urmare, sunt supuși și principiului excluderii Pauli. Atomii pot avea un spin total diferit, care determină dacă sunt fermioni sau bosoni – de exemplu, heliul-3 are spin 1/2 și, prin urmare, este un fermion, spre deosebire de heliu-4, care are spin 0, făcându-l un boson. Ca atare, principiul de excludere Pauli stă la baza multor proprietăți ale materiei cotidiene, de la stabilitatea pe scară largă la comportamentul chimic al atomilor, inclusiv vizibilitatea lor în spectroscopie RMN. este \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (constanta redusă a lui Planck) de câte o jumătate de număr întreg (1/2, 3/2, 5/2 etc.). În teoria mecanicii cuantice, fermionii sunt descriși prin stări antisimetrice. În schimb, particulele cu spin întreg (bosoni) au funcții de undă simetrice; spre deosebire de fermioni, bosonii pot avea aceleași stări cuantice. Bosonii includ fotonul, perechile Cooper (responsabile de supraconductivitate) și bosonii W și Z. Fermionii își iau numele din distribuția statistică Fermi-Dirac pe care o respectă, iar bosonii își iau numele din distribuția Bose-Einstein.

Principiul de excludere și fenomenele fizice

Principiul de excludere Pauli explică o mare varietate de fenomene fizice. O consecință deosebit de importantă a principiului este structura elaborată a atomilor cu coajă electronică și modul în care atomii împart electronii. Acesta explică varietatea elementelor chimice și combinațiile lor chimice. Un atom electric neutru conține electroni legați egali în număr cu protonii din nucleu. Electronii, fiind fermioni, nu pot ocupa aceeași stare cuantică, astfel încât electronii trebuie să „stive” în interiorul unui atom – au rotiri diferite în același loc.

Un exemplu este atomul de heliu neutru, care are doi electroni legați, ambii putând ocupa stările cu cea mai mică energie (1s) prin dobândirea de spin opus. Deoarece spinul face parte din starea cuantică a electronului, cei doi electroni se află în stări cuantice diferite și nu încalcă principiul excluziunii Pauli. Cu toate acestea, există doar două spin distincte pentru o anumită stare de energie. Această proprietate impune astfel faptul că un atom de litiu, care are trei electroni legați, nu poate avea al treilea reziduu de electroni e în starea 1s; în schimb, trebuie să ocupe una dintre stările 2s cu energie superioară. În mod similar, elementele succesiv mai mari trebuie să aibă coji de energie succesiv mai mari.Deoarece proprietățile chimice ale unui element depind în mare măsură de numărul de electroni din învelișul exterior, atomii cu un număr diferit de învelișuri, dar același număr de electroni din învelișul exterior se comportă în mod similar. Din acest motiv, elementele sunt definite de grupurile lor și nu de perioadele lor.