У 1925 р Паулі встановив квантово - механічний принцип (принцип заборони Паулі).
У будь-якому атомі не може бути двох електронів, що знаходяться в однакових стаціонарних станах, що визначаються набором чотирьох квантових чисел: n. m, ms.
Наприклад, на енергетичному рівні може перебувати не більше двох електронів, але з протилежним напрямком спінів.
Принцип Паулі дав можливість теоретично обгрунтувати періодичну систему елементів Менделєєва, створити квантові статистики, сучасну теорію твердих тіл і ін.
Стан кожного електрона в атомі характеризується чотирма квантовими числами:
1. Головне квантове число n (n = 1, 2.).
2. Орбітальний (азимутальное) квантове число l (l = 0, 1, 2. n-1).
3. Магнітне квантове число m (m = 0, +/- 1, +/- 2, +/-. +/- l).
4. Спіновий квантове число ms (ms = +/- 1/2).
Для одного фіксованого значення головного квантового числа n існує 2n2 різних квантових станів електрона.
Один із законів квантової механіки, званий принципом Паулі, стверджує:
В одному і тому ж атомі не може бути двох електронів, що володіють однаковим набором квантових чисел, (тобто не може бути двох електронів в однаковому стані).
Принцип Паулі дає пояснення періодичної повторюваності властивостей атома, тобто періодичної системі елементів Менделєєва.
Періодична система елементів Д. І. Менделєєва
У 1869 р Менделєєв відкрив періодичний закон зміни хімічних і фізичних властивостей елементів. Він ввів поняття про порядковий номер елемента і отримав повну періодичність в зміні хімічних властивостей елементів.
Менделєєв передбачив ряд нових елементів (скандій, германій та ін.) І описав їх хімічні властивості. Пізніше ці елементи були відкриті, що повністю підтвердило справедливість його теорії. Навіть вдалося уточнити значення атомних мас і деякі властивості елементів.
Хімічні властивості атомів і ряд їх фізичних властивостей пояснюються поведінкою зовнішніх (валентних) електронів.
Стаціонарні квантові стану електрона в атомі (молекулі) характеризуються набором 4-х квантових чисел: головного (n), орбітального (l), магнітного (m) і магнітного спінового (ms). Кожне з них характеризує квантування: енергії (n), моменту імпульсу (l), проекції моменту імпульсу на напрямок зовнішнього магнітного поля (m) і проекції спина (ms).
Відповідно до теорії порядковий номер хімічного елемента Z дорівнює загальному числу електронів в атомі.
Якщо Z - число електронів в атомі, які перебувають у стані, яке задається набором 4-х квантових чисел n, l, m, ms, то Z (n, l, m, ms) = 0 або 1.
Якщо Z - число електронів в атомі, які перебувають в станах, що визначаються набором 3-х квантових чисел n, l, m, то Z (n, l, m) = 2. Такі електрони відрізняються орієнтацією спінів.
Якщо Z - число електронів в атомі, які перебувають в станах, що визначаються 2-мя квантовими числами n, l, то Z (n, l) = 2 (2l + 1).
Якщо Z - число електронів в атомі, які знаходяться в станах, що визначаються значенням головного квантового числа n, то Z (n) = 2n2.
Електрони в атомі, що займають сукупність станів з однаковими значеннями головного квантового числа n, утворюють електронний шар: при n = 1 К - шар; при n = 2 L - шар; при n = 3 М - шар; при n = 4 N - шар; при n = 5 О - шар і т.д.
У кожному електронному шарі атома всі електрони розподілені по оболонок. Оболонка відповідає певному значенню орбітального квантового числа (табл. 1 і рис. 1).
n Електронний шар Число електронів в оболонках Загальна кількість електронів
4 N 2 6 10 14 - 32
5 O 2 6 10 14 18 50
При заданому l магнітне квантове число m приймає 2l + 1 значень, а ms - два значення. Тому число можливих станів в електронній оболонці з заданим l дорівнює 2 (2l + 1). Так оболонка l = 0 (s - оболонка) заповнена двома електронами; оболонка l = 1 (р - оболонка) - шістьма електронами; оболонка l = 2 (d - оболонка) - десятьма електронами; оболонка l = 3 (f - оболонка) - чотирнадцятьма електронами.
Заповнення електронних шарів і оболонок в періодичній системі елементів Менделєєва пояснюється квантовою механікою і грунтується на 4-х положеннях:
1. Загальна кількість електронів в атомі даного хімічного елемента дорівнює порядковому номеру Z.
2. Стан електрона в атомі визначається набором 4-х квантових чисел: n, l, m, ms.
3. Розподіл електронів в атомі по енергетичних станів має задовольняти мінімуму енергії.
4. Заповнення електронами енергетичних станів в атомі має відбуватися відповідно до принципу Паулі.
При розгляді атомів з великим Z, через зростання заряду ядра, електронний шар стягується до ядра і починає заповнюватися шар з n = 2 і т.д. При заданому n спочатку заповнюється стан s-електронів (l = 0), потім р-електронів (l = 1), d-електронів (l = 2) і т.д. Це призводить до періодичності хімічних і фізичних властивостей елементів. Для елементів першого періоду спочатку відбувається заповнення оболонки 1s; для електронів другого і третього періодів - оболонок 2s, 2p і 3s і 3р.
Однак, починаючи з четвертого періоду (елемент калій, Z = 19), послідовність заповнення оболонок порушується внаслідок конкуренції близьких по енергії зв'язку електронів. Міцніше можуть виявитися (енергетично вигідніше) пов'язаними електрони з великим n, але меншим l (наприклад, електрони 4s міцніше пов'язані, ніж 3d).
Розподіл електронів в атомі по оболонок визначають його електронну конфігурацію. Для вказівки електронної конфігурації атома пишуть в ряд символи заповнення електронних станів оболонок nl, починаючи з найближчої до ядра. Індексом справа вгорі відзначають числа електронів в оболонці, що знаходяться в цих станах. Наприклад, у атома натрію 2311Na, де Z = 11 - порядковий номер елемента в таблиці Менделєєва; число електронів в атомі; число протонів в ядрі; A = 23 - масове число (число протонів і нейтронів в ядрі). Електронна конфігурація має вид: 1s2 2s2 2p6 3s1, тобто в шарі з n = 1 і l = 0 - два s-електрона; в шарі з n = 2 і l = 0 - два s-електрона; в шарі з n = 2 і l = 1 - шість р-електронів; в шарі з n = 3 і l = 0 - один s-електрон.
Поряд з нормальною електронною конфігурацією атома, відповідної найміцнішою енергії зв'язку всіх електронів, при порушенні одного або декількох електронів виникають порушені електронні конфігурації.
Наприклад, у гелію всі рівні енергії розбиваються на дві системи рівнів: система рівнів ортогелія, відповідна паралельної орієнтації спінів електронів і система рівнів Парагель, відповідна антипараллельной орієнтації спінів. Нормальна конфігурація гелію 1s2 внаслідок принципу Паулі можлива тільки при антипараллельной орієнтації спінів електронів, що відповідає Парагель.
Отже, принцип заборони Паулі пояснює, довго вважалася загадковою, періодичну структуру елементів, відкриту Д.И.Менделєєвим.
1. Детлаф А.А. Яворський Б.М. Курс фізики. - М. +1989.
2. Компанієць А.С. Що таке квантова механіка? - М. тисяча дев'ятсот сімдесят сім.