تعریف اصل طرد پاولی
اصل طرد پائولی بیان می کند که در هیچ اتمی هیچ الکترونی نمی تواند همان چهار عدد کوانتومی الکترونیکی الکترون دیگر را داشته باشد. هر الکترون باید اعداد کوانتومی متفاوتی داشته باشد. بنابراین، در هر اوربیتال الکترونیکی (همان n، ل و مترل) دو الکترون می توانند وجود داشته باشند و باید اسپین های متفاوتی داشته باشند. یک الکترون خواهد داشت مترس =+ ½ و دیگری مترس = – ½. بنابراین، هیچ دو الکترونی چهار عدد کوانتومی یکسانی ندارند.
عدد کوانتومی اسپین (مترس) به سه عدد کوانتومی کشف شده قبلی اضافه شد (n، ل، مترل) توسط اصل طرد پائولی. آ مثبت مترس معمولاً اسپین به بالا را نشان می دهد و با یک فلش رو به بالا نشان داده می شود. یک منفی مترس معمولاً چرخش به پایین را نشان می دهد و با یک فلش رو به پایین نشان داده می شود. عدد کوانتومی اسپین کمی با سایر اعداد کوانتومی متفاوت است زیرا به آنها وابسته نیست. فقط می تواند مقدار +½ یا – ½ داشته باشد و این مقادیر مستقل از سایر اعداد کوانتومی هستند. اعداد کوانتومی دیگر همگی به هم مرتبط هستند.
این اصل همچنین تعریف می کند که هر اوربیتال فقط می تواند دو الکترون داشته باشد. این تعریف از اوربیتالی که با سه عدد کوانتومی اول تعریف می‌شود، سرچشمه می‌گیرد. عدد اسپین کوانتومی باقیمانده فقط دو مقدار ممکن دارد. بنابراین، طبق تعریف اصل طرد پائولی، اوربیتال تنها می تواند دو الکترون را در خود نگه دارد.
فرمیون ها در مقابل بوزون ها
این اصل برای همه صدق می کند فرمیون ها. فرمیون یک ذره اتمی است که دارای اسپین نیمه صحیح است. فرمیون ها معمولاً الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها شناخته می شوند. بنابراین، همه این ذرات از اصل طرد پائولی پیروی خواهند کرد.
جایگزین فرمیون یک بوزون است. بوزون ها دارای اسپین های عدد صحیح هستند. رایج ترین بوزون فوتون است. ممکن است فوتون های زیادی در یک حالت انرژی وجود داشته باشد. در یک حالت، همه آنها دارای یک عدد کوانتومی هستند. این نقض قانون محرومیت پائولی است. از آنجایی که فوتون ها بوزون هستند، از قانون طرد پائولی پیروی نمی کنند.
کاربردهای اصل طرد پاولی در شیمی
اصل طرد پاولی هنگام تعیین ساختار پوسته الکترونی یک اتم مهم است. این با اصل Aufbau جفت می شود تا به ما امکان دهد بدانیم چه اوربیتال های الکترونی پر می شوند. با استفاده از اصل طرد پائولی، می دانیم که اگر دو الکترون در یک اوربیتال وجود داشته باشد، یکی باید به سمت بالا (+½) و دیگری باید به سمت پایین (-½) اسپین شود تا اعداد کوانتومی متفاوتی به آنها داده شود. با این حال، اگر فقط یک الکترون در یک اوربیتال وجود داشته باشد، می تواند اسپین مثبت یا منفی داشته باشد.
کشف اصل طرد پائولی همچنین به توضیح برخی پدیده ها در جدول تناوبی و دلایل پیوند برخی اتم ها کمک کرد. به خصوص برای جامدات، بسیاری از خواصی که قبلاً توضیح داده نشده بودند، می‌توانستند با استفاده از اصل طرد پائولی توضیح داده شوند.
نمونه مشکلات
هلیوم
ساده ترین اتمی که می توان به آن نگاه کرد هلیم است. هلیم دو الکترون در مدار 1s دارد. اوربیتال 1s دارای اعداد کوانتومی است n =1، ل=0 و مترل=0. هر دو الکترون در این زیر پوسته خواهند بود. بنابراین، یک الکترون دارای اعداد کوانتومی خواهد بود n=1، ل=0، مترل=0 و مترس = +1/2. الکترون دیگر دارای اعداد کوانتومی خواهد بود n=1، ل=0، مترل=0 و مترس=-1/2.
بریلیم
بریلیم دارای چهار الکترون است که اوربیتال های 1s و 2s را پر می کنند. در زیر چند نمونه از پیکربندی‌های الکترونی وجود دارد که اصل طرد پائولی و همچنین تصویر صحیح را نقض می‌کنند.
همه گزینه‌های نادرست دارای فلش‌هایی هستند که به یک سمت (نشان دهنده چرخش یکسان) در یک مدار هستند. این نشان می دهد که آنها چهار عدد کوانتومی یکسانی دارند و اصل طرد پائولی را نقض می کنند.
در مرحله بعد، ما همچنین می توانیم اعداد کوانتومی هر الکترون را فهرست کنیم تا ببینیم هیچ الکترونی دارای 4 عدد کوانتومی یکسان نیست.
با پر کردن پوسته 1s شروع می کنیم. یعنی عدد کوانتومی اصلی n برابر 1 است و اوربیتال s با مقدار 0 اینچ نشان داده می شود ل.
- الکترون 1: n =1، ل=0، مترل=0 و مترس= – ½
- الکترون 2: n =1، ل=0، مترل=0 و مترس= + ½
که پوسته 1s را پر می کند. پوسته بعدی 2s است که عدد کوانتومی اصلی را تغییر می دهد n به 2.
- الکترون 3: n =2، ل=0، مترل=0 و مترس= – ½
- الکترون 4: n =2، ل=0، مترل=0 و مترس= + ½
با مقایسه اعداد کوانتومی هر چهار الکترون، هیچ یک از آنها یکسان نیستند. در نتیجه، آنها از اصل طرد پائولی پیروی می کنند.
تاریخچه اصل طرد پاولی
اصل طرد پاولی توسط کشف شد ولفگانگ پائولی در سال 1925. این اصل بر روی مدل بور گسترش یافت. در زمانی که این اصل برای اولین بار کشف شد، او آن را فقط برای الکترون ها به کار برد. بعداً، این اصل در سال 1940 توسط پائولی به همه فرمیون ها گسترش یافت.
ولفگانگ پائولی دریافت کرد جایزه نوبل فیزیک در سال 1945 برای اکتشافات و کارش در شیمی کوانتومی. او همچنین روی تلاش برای توضیح اثر زیمن کار کرد و وجود نوترینو را پیشنهاد کرد. پاولی در سال 1900 در اتریش به دنیا آمد و در سال 1958 درگذشت.