Чтобы вникнуть в суть принципа Паули, нужно в первую очередь разобраться с понятием квантового состояния. Как известно, каждый электрон в атоме обладает некоторым квантовым состоянием, которое определяется набором из четырех значений: главное квантовое число , орбитальное , магнитное и спиновое .
От главного квантового числа зависят размеры орбитали электрона и его энергия. Число принимает натуральные значения, которым соответствует степень удаления электрона от ядра – порядковый номер энергетического уровня.
Вращательное движение электрона характеризуется орбитальным квантовым числом , связанным с формой электронной орбитали и принимающим целые значения от 0 до , которые соответствуют подуровням s, p, d, f, g, h и i. Первый уровень обладает одним подуровнем s, второй уровень – двумя подуровнями s и p и так далее.
Магнитное квантовое число , в свою очередь, определяет направление этого движения – проекцию момента импульса. Оно принимает только целые значения от до и описывает положение электронной орбитали в пространстве.
Помимо внешнего вращательного движения электрона, присутствует и “внутреннее вращение”. Его описывает спиновое квантовое число , которое также называют спином. Численно спин электрона может принимать два значения: и .
В 1925 году Вольфганг Паули сформулировал принцип запрета, согласно которому эти четыре числа однозначно определяют состояние любого электрона в атоме.
В любом квантовом состоянии может находиться не более одного электрона.
За этот принцип Паули в 1945 году получил Нобелевскую премию. Другими его выдающимися научными достижениями стали также открытие спина и предположение о существовании элементарной частицы нейтрино. Свою научную деятельность Паули в большей степени посвятил физике элементарных частиц и квантовой механике, также он стал одним из родоначальников квантовой теории поля и физики твердого тела.
Принцип Паули для электронов распространяется и на все частицы с полуцелым спином. Они называются фермионами, и к ним, помимо электронов, относятся протоны, нейтроны, мюоны, нейтрино и другие частицы. Как и электроны, все фермионы должны отличаться друг от друга хотя бы одним из квантовых чисел.
В системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии.
Сколько может быть электронов с одинаковым главным квантовым числом ?
Из принципа Паули известно, что электрон однозначно определяется квантовыми числами , , и .
Спин, принимающий только значения и , вносит два различных электрона при одинаковых остальных квантовых числах. Магнитное квантовое число имеет вариантов, поскольку является целочисленным в границах от до .
Поэтому для вычисления общего количества вариантов необходимо просуммировать от до – по всем целым значениям орбитального квантового числа .
Ответ: .
Определить атом с заполненными уровнями , и , подуровнями и наполовину заполненным .
Для определения атома необходимо найти его номер , который равен числу электронов. Из предыдущего примера известно, что на каждом уровне находится электронов. Значит, на полностью заполненных уровнях , и содержится:
электронов.
В подоболочке содержится два электрона, а на наполовину заполненном подуровне – три.
Таким образом,
электрона. Атомный номер . Это химический элемент Арсен.
Ответ: .
Вам нужно срочно заказать статью по физике для публикации? Обратитесь за помощью к нашим экспертам!
Комментарии