Bayangkan mencoba memarkir dua mobil dalam satu tempat parkir. Tidak mungkin, bukan? Sekarang bayangkan jika setiap atom di alam semesta mengikuti aturan elektronnya. Pada dasarnya itulah yang ditentukan oleh prinsip pengecualian Pauli. Diusulkan pada tahun 1925 oleh fisikawan Austria Wolfgang Pauli, aturan ini menjelaskan mengapa materi mempertahankan bentuknya dan mengapa atom memancarkan pola cahaya tertentu dan bukannya runtuh menjadi singularitas yang kacau balau.
Prinsip ini awalnya dibuat untuk memecahkan teka-teki tertentu: spektrum cahaya yang dipancarkan oleh atom. Namun hal ini dengan cepat berkembang menjadi hukum alam yang mendasar, yang mengatur sejumlah besar partikel, bukan hanya elektron.
Fermion vs. Boson: Kesenjangan Besar
Untuk memahami mengapa hal ini penting, Anda harus melihat bagaimana partikel subatom berperilaku. Tidak semua partikel bermain berdasarkan aturan sosial yang sama. Fisikawan membaginya menjadi dua kelompok berbeda berdasarkan perilaku statistiknya.
Partikel yang mematuhi prinsip pengecualian Pauli disebut fermion. Elektron, proton, dan neutron termasuk dalam kategori ini. Mereka adalah introvert di dunia kuantum. Dalam sistem tertutup, seperti ruang yang mengelilingi inti atom atau inti atom itu sendiri, fermion menolak berkumpul. Setiap keadaan yang tersedia hanya ditempati oleh satu partikel pada satu waktu.
Lalu ada boson. Partikel-partikel ini tidak mematuhi prinsip eksklusi. Mereka adalah orang-orang ekstrovert. Mereka dapat menumpuk ke dalam keadaan kuantum yang sama dalam jumlah yang tidak terbatas. Laser, misalnya, bergantung pada boson (foton) yang berperilaku seperti ini. Tetapi jika Anda membuat atom, Anda memerlukan fermion.
Batasan Putaran
Mengapa dua elektron tidak dapat menempati keadaan yang sama? Itu tergantung pada berputar.
Partikel yang mengikuti prinsip eksklusi mempunyai nilai karakteristik putaran, atau momentum sudut intrinsik. Untuk fermion, putaran ini selalu merupakan kelipatan satu setengah bilangan ganjil (seperti 1/2, 3/2, dst.). Elektron mempunyai spin 1/2.
Dalam pemahaman modern tentang struktur atom, ruang di sekitar inti atom bukan sekadar ruang kosong. Ia terdiri dari orbital —wilayah ruang tempat elektron kemungkinan besar ditemukan. Setiap orbital hanya dapat menampung dua keadaan berbeda.
Inilah hasil tangkapannya. Jika satu elektron menempati keadaan dengan spin +1/2, tempat lainnya dalam orbital tersebut hanya dapat ditempati oleh elektron dengan spin -1/2. Mereka pasti bertolak belakang.
Setelah kedua titik terisi—satu di atas, satu lagi di bawah—orbitalnya “penuh”. Tidak ada lagi elektron yang bisa masuk sampai salah satu pasangannya keluar. Ini bukanlah preferensi yang lembut. Ini adalah kendala yang sulit.
Empat Bilangan Kuantum
Ada cara lain untuk menyatakan aturan ini yang sering membantu siswa memahami konsep tersebut. Tidak ada dua elektron dalam sebuah atom yang dapat memiliki nilai yang sama persis untuk keempat bilangan kuantum.
Bayangkan angka-angka ini sebagai alamat elektron:
1. Bilangan kuantum utama : Tingkat energi (“kota”).
2. Bilangan kuantum azimut : Bentuk orbital (“lingkungan”).
3. Bilangan kuantum magnetik : Orientasi orbital (“jalan”).
4. Putaran bilangan kuantum : Arah putaran (“nomor rumah”).
Jika dua
