Introduktion till kemi

Termer

• fermion En partikel med helt antisymmetriska kvanttillstånd. De har halva heltalssnurr och innehåller många elementära partiklar.
• elektron Den subatomära partikeln har en negativ laddning och kretsar kring kärnan; flödet av elektroner i en ledare utgör elektricitet.
• bosonA partikel med totalt symmetriska kvanttillstånd. De har heltalssnurr och innehåller många elementära partiklar, och vissa (gauge-bosoner) är kända för att bära de grundläggande krafterna.

Pauli-uteslutningsprincipen, formulerad av den österrikiska fysikern Wolfgang Pauli 1925, säger att inga två fermioner av samma slag samtidigt kan uppta samma kvanttillstånd. Mer tekniskt säger det att den totala vågfunktionen för två identiska fermioner är antisymmetrisk med avseende på utbyte av partiklarna. Till exempel kan inga två elektroner i en enda atom ha samma fyra kvantnummer; om n, ℓ och mℓ är desamma, måste ms vara olika så att elektronerna har motsatta snurr.

Pauli-uteslutningsprincipen reglerar beteendet för alla fermioner (partiklar med halv-hel-snurrning), medan bosoner (partiklar med heltalssnurr) är inte föremål för det. Fermions inkluderar elementära partiklar som kvarker (de ingående partiklarna av protoner och neutroner), elektroner och neutriner. Dessutom är protoner och neutroner (subatomära partiklar sammansatta av tre kvarkar) och vissa atomer fermioner och är därför också föremål för Pauli-uteslutningsprincipen. Atomer kan ha olika totala spinn, vilket avgör om de är fermioner eller bosoner – till exempel har helium-3 spin 1/2 och är därför en fermion, i motsats till helium-4 som har spin 0, vilket gör det till ett boson. Som sådan understryker Pauli-uteslutningsprincipen många egenskaper hos vardagliga ämnen från storskalig stabilitet till atomernas kemiska beteende inklusive deras synlighet i NMR-spektroskopi.

Halvtalsvarv betyder det inneboende vinkelmomentvärdet för fermioner är \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (reducerad Plancks konstant) gånger ett halvtal (1/2, 3/2, 5/2, etc.). I teorin om kvantmekanik beskrivs fermioner av antisymmetriska tillstånd. Däremot har partiklar med heltalssnurr (bosoner) symmetriska vågfunktioner; till skillnad från fermioner kan bosoner dela samma kvanttillstånd. Bosoner inkluderar foton, Cooper-paren (ansvarig för superledningsförmåga) och W- och Z-bosonerna. Fermions hämtar sitt namn från den statistiska fördelningen Fermi – Dirac som de följer, och bosoner tar sitt namn från Bose – Einstein-distributionen.

Uteslutningsprincipen och fysiska fenomen

Pauli-uteslutningsprincip förklarar en mängd olika fysiska fenomen. En särskilt viktig konsekvens av principen är den utarbetade elektronskalstrukturen hos atomer och hur atomer delar elektroner. Det förklarar mångfalden av kemiska element och deras kemiska kombinationer. En elektriskt neutral atom innehåller bundna elektroner lika stora som protonerna i kärnan. Elektroner, eftersom de är fermioner, kan inte uppta samma kvanttillstånd, så elektroner måste ”stapla” i en atom – de har olika snurr på samma plats.

Ett exempel är den neutrala heliumatomen, som har två bundna elektroner, som båda kan uppta de lägsta energitillstånden (1s) genom att förvärva motsatt snurrning. Eftersom snurr är en del av elektronens kvanttillstånd, är de två elektronerna i olika kvanttillstånd och bryter inte mot Paulis uteslutningsprincip. värden för ett givet energitillstånd. Denna egenskap föreskriver således att en litiumatom, som har tre bundna elektroner, inte kan ha sin tredje elektronrest e i 1s-tillståndet; den måste ockupera ett av de högre energin 2-staterna istället. På samma sätt måste successivt större element ha skal av successivt högre energi.Eftersom de kemiska egenskaperna hos ett element till stor del beror på antalet elektroner i det yttersta skalet, beter sig atomer med olika antal skal men samma antal elektroner i det yttersta skalet likadant. Av denna anledning definieras element av deras grupper och inte av deras perioder.