Principiul lui Pauli

În 1925, Pauli a stabilit un principiu mecanic cuantic (principiul interzicerii lui Pauli).

În orice atom nu pot exista doi electroni în aceleași stări staționare, definite de un set de patru numere cuantice: n. m, ms.







De exemplu, la nivelul energiei nu pot exista mai mult de doi electroni, dar cu direcția opusă a rotirilor.

Principiul lui Pauli a făcut posibilă fundamentarea teoretică a sistemului periodic al elementelor lui Mendeleyev, crearea de statistici cuantice, teoria modernă a solidelor,

Starea fiecărui electron dintr-un atom este caracterizată de patru numere cuantice:

1. Numărul principal cuantic n (n = 1, 2.).

2. Numărul quantum orbital (azimutal) l (l = 0, 1, 2. n-1).

3. Numărul magnetic cuantum m (m = 0, +/- 1, +/- 2, +/-. +/- l).

4. Numărul spinului cuantic ms (ms = +/- 1/2).

Pentru o valoare fixă ​​a numărului principal quantum n, există 2n2 stări diferite ale electronului.

Una dintre legile mecanicii cuantice, numită principiul Pauli, afirmă:

În același atom, nu pot exista doi electroni cu același set de numere cuantice (adică nu pot exista doi electroni în aceeași stare).

Principiul Pauli explică recurența periodică a proprietăților unui atom, adică sistemul periodic al elementelor lui Mendeleev.

Sistem periodic de elemente ale lui DI Mendeleyev

În 1869, Mendeleev a descoperit legea periodică a schimbărilor în proprietățile chimice și fizice ale elementelor. El a introdus conceptul numărului de ordine al elementului și a primit o periodicitate completă în schimbarea proprietăților chimice ale elementelor.

Mendeleev a prezis o serie de elemente noi (scandium, germaniu etc.) și a descris proprietățile lor chimice. Ulterior, aceste elemente au fost descoperite, ceea ce a confirmat pe deplin valabilitatea teoriei sale. Chiar a fost posibilă clarificarea valorilor maselor atomice și a unor proprietăți ale elementelor.

Proprietățile chimice ale atomilor și o serie de proprietăți fizice se explică prin comportarea electronilor externi (valenți).

Starea staționară a unui electron într-un atom (moleculă) se caracterizează printr-un număr de 4 numere cuantice: numărul cuantic principal (n), spinul magnetic (m) orbital (m) și spinul magnetic (ms). Fiecare dintre ele caracterizează cuantificarea energiei (n), a momentului unghiular (l), proiecția momentului unghiular pe direcția câmpului magnetic extern (m) și proiecția spinului (ms).

Conform teoriei, numărul de ordine al elementului chimic Z este egal cu numărul total de electroni din atom.

Dacă Z este numărul de electroni dintr-un atom într-o stare specificată de un set de 4 numere cuantice n, l, m, ms, atunci Z (n, l, m, ms) = 0 sau 1.

Dacă Z este numărul de electroni dintr-un atom în stări definite de un set de 3 numere cuantice n, l, m, atunci Z (n, l, m) = 2. Astfel de electroni se disting prin orientarea rotirilor.







Daca Z este numarul de electroni intr-un atom in stari determinate de numerele cuantice n, l, atunci Z (n, l) = 2 (21 + 1).

Dacă Z este numărul de electroni dintr-un atom care se află în stări determinate de valoarea numărului principal quantum n, atunci Z (n) = 2n2.

Electronii dintr-un atom care ocupă un set de stări cu aceleași valori ale numărului principal quantum formează un strat de electroni: pentru n = 1, K este un strat; pentru n = 2, L este stratul; pentru n = 3 M, stratul; pentru n = 4, N este stratul; la n = 5 O - strat, etc.

În fiecare strat de electron al atomului, toți electronii sunt distribuiți de-a lungul cochiliilor. Carcasa corespunde unei valori definite a numărului cuantumului orbital (tabelul 1 și figura 1).

n Stratul de electroni Numărul de electroni din cochilii Numărul total de electroni

4 N 2 6 10 14 - 32

5 O 2 6 10 14 18 50

Pentru un anumit l, numărul magnetic cuantic m are valori 2l + 1 și ms - două valori. Prin urmare, numărul de stări posibile în coajă electronică cu l dat este 2 (2l + 1). Deci, coajă l = 0 (s este coajă) este umplută cu doi electroni; coajă l = 1 (p - coajă) - șase electroni; coajă l = 2 (d - coajă) - zece electroni; coajă l = 3 (f-coajă) - paisprezece electroni.

Secvența de umplere a straturilor electronice și a cojilor în sistemul periodic al elementelor Mendeleyev se explică prin mecanica cuantică și se bazează pe 4 poziții:

1. Numărul total de electroni într-un atom al unui element chimic dat este egal cu numărul ordinal Z.

2. Starea unui electron într-un atom este determinată de un set de 4 numere cuantice: n, l, m, ms.

3. Distribuția electronilor într-un atom în termeni de stări energetice trebuie să satisfacă un minim de energie.

4. Umplerea stărilor de energie într-un atom de către electroni trebuie să aibă loc în conformitate cu principiul Pauli.

Când se ia în considerare atomii cu Z mare, datorită creșterii încărcăturii nucleare, stratul de electroni se contractă cu nucleul și un strat cu n = 2, etc., începe să se umple. Pentru un anumit n, starea electronilor s (l = 0), apoi a electronilor p (l = 1), d-electronii (l = 2) și așa mai departe sunt mai întâi umpluți. Aceasta conduce la periodicitatea proprietăților chimice și fizice ale elementelor. Pentru elementele primei perioade, mai întâi se acoperă shellul 1s; pentru electronii din a doua și a treia perioadă - cochilii 2s, 2p și 3s și 3p.

Cu toate acestea, începând cu a patra perioadă (elementul de potasiu, Z = 19), secvența de umplere a cochililor este încălcată din cauza concurenței de legături asemănătoare electronilor, aproape de energie. Poate fi mai mult (mai favorabil din punct de vedere energetic) electroni legați cu un n mare, dar mai mic decât l (de exemplu, electronii 4s sunt mai puternici conectați decât 3d).

Distribuția electronilor în atom prin cochilii determină configurația sa electronică. Pentru a indica configurația electronică a unui atom, scrieți într-un rând simbolurile de umplere a stărilor electronice ale cochiliilor nl, începând cu cea mai apropiată de nucleu. Indicele din dreapta sus indică numărul de electroni din coajă în aceste stări. De exemplu, pentru atomul de sodiu 2311Na, unde Z = 11 - numărul ordinal al elementului din tabelul periodic; numărul de electroni din atom; numărul de protoni din nucleu; A = 23 este numărul de masă (numărul de protoni și neutroni din nucleu). Configurația electronică are forma: 1s2 2s2 2p6 3s1, adică în stratul cu n = 1 și l = 0, doi s-electroni; în stratul cu n = 2 și l = 0, doi s-electroni; în stratul cu n = 2 și l = 1, șase electroni p; în stratul cu n = 3 și l = 0, un s-electron.

Împreună cu configurația electronică normală a atomului care corespunde celei mai puternice energii de legare a tuturor electronilor, configurațiile electronice excitate apar atunci când unul sau mai mulți electroni sunt excitați.

De exemplu, în heliu, toate nivelurile de energie sunt împărțite în două nivele: un sistem de nivel ortogel care corespunde orientării paralele a rotirilor electronilor și unui sistem de nivele de parageliu care corespund orientării antiparalelare a rotirilor. Configurația normală a heliului 1s2 datorată principiului Pauli este posibilă numai pentru orientarea antiparalelă a rotirilor electronilor corespunzătoare paragelului.

Prin urmare, principiul interzicerii lui Pauli explică, de mult timp considerat misterios, structura periodică a elementelor descoperite de DI Mendeleev.

1. Detlaf A.A. Yavorsky BN Curs de fizică. - M. 1989.

2. Kompaneets AS Ce este mecanica cuantică? - M. 1977.







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: