Уявіть, що ви намагаєтеся припаркувати дві машини на одному паркувальному місці. Неможливо, правда? Тепер уявіть, що кожен атом у всесвіті підкоряється цьому правилу щодо своїх електронів. Саме це і наказує принцип заборони Паулі. Запропонований 1925 року австрійським фізиком Вольфгангом Паулі, цей закон пояснює, чому матерія зберігає свою форму і чому атоми випускають певні спектри світла, а не колапсують у хаотичну сингулярність.
Спочатку цей принцип був розроблений для вирішення конкретної задачі: пояснення спектрів світла, що спостерігається атомами. Але незабаром він перетворився на фундаментальний закон природи, керуючим широким класом частинок, а не тільки електронами.
Ферміони проти бозонів: Великий поділ
Щоб зрозуміти, чому це важливо, потрібно подивитися на те, як поводяться субатомні частки. Не всі частки підпорядковуються тим самим «соціальним правилам». Фізики поділяють їх на дві різні категорії залежно від їхньої статистичної поведінки.
Частинки, які підпорядковуються принципу заборони Паулі, називаються “ферміонами”. Електрони, протони та нейтрони відносяться до цієї категорії. Вони інтроверти квантового світу. У замкнутій системі, такій як простір навколо ядра атома або саме ядро, ферміони відмовляються товпитися. Кожен доступний стан займає лише одна частка за один раз.
Потім є бозони. Ці частки не підкоряються принципу заборони. Вони – екстраверти. Вони можуть заповнювати один і той же квантовий стан у необмеженій кількості. Наприклад, лазери покладаються на те, що бозони (фотони) поводяться саме так. Але якщо ви будуєте атом, вам потрібні ферміони.
Обмеження по спину
Чому два електрони не можуть займати один і той же стан? Це зводиться до спину.
Частинки, що підкоряються принципу заборони, мають характерне значення спина або власного кутового моменту. Для ферміонів цей спин завжди є непарним цілим числом, кратним половині (наприклад, 1/2, 3/2 тощо). Спин електрона дорівнює 1/2.
У сучасному розумінні атомної структури простір навколо ядра це не просто порожнеча. Воно складається з орбіталей областей простору, де з найбільшою ймовірністю можна виявити електрон. Кожна орбіталь може вміщати лише два різні стани.
Ось у чому проблема. Якщо один електрон займає стан зі спином +1/2, друге місце цієї орбіталі може зайняти тільки електрон зі спином -1/2. Вони мають бути протилежними.
Як тільки обидва місця заповнені – одне зі спином догори, інше зі спином донизу – орбіталь стає «повною». Ніякі інші електрони не можуть увійти, поки один із пари не покине її. Це не м’яка перевага. Це тверде обмеження.
Чотири квантові числа
Є ще один спосіб сформулювати це правило, яке часто допомагає студентам зрозуміти концепцію. Жодні два електрони в атомі не можуть мати однакові значення всіх чотирьох квантових чисел.
Подайте ці числа як адресу електрона:
1. Головне квантове число : Рівень енергії («місто»).
2. Орбітальне (азимутальне) квантове число : Форма орбіталі («район»).
3. Магнітне квантове число : Орієнтація орбіталі («вулиця»).
4. Спинове квантове число : Напрям спина («номер будинку»).
Якщо два
