Princip Paulini

дана
Princip isključenja, koji je formulisao austrijski fizičar Wolfgang Pauli, pokrenuo je uspon kvantne mehanike i, između ostalog, pružio teorijsku osnovu za raspored elemenata u periodnom sistemu elemenata.

ČETVRTI KVANTNI BROJ

U decembru 1924. godine, Wolfgang Pauli je poslao rad časopisu Zeitschrift für Physik koji je pružio poslednji deo slagalice koja je povezala Bohrov model atoma sa strukturom periodnog sistema elemenata. U fiziku je uveo novi kvantni broj trima koji su već postojali u to vreme - glavnom, sekundarnom i magnetskom. Svi prethodno poznati kvantni brojevi opisuju kvantno stanje elektrona, povezano s njegovim kretanjem oko jezgra. Stoga imaju fizičko značenje. Pauli je svoj novi kvantni broj nazvao dualnošću koja nije klasično opisana .Paulijev četvrti kvantni broj je funkcionisao, objašnjavajući princip zauzimanja atomskih orbitala, ali nije imao fizičko značenje. Sam Pauli nije bio u stanju pružiti logično objašnjenje za princip isključenja niti ga izvesti iz drugih zakona kvantne mehanike. Tek kasnije, 1925. godine, Samuel Goudsmit i George Uhlenbeck su interpretirali Paulijev četvrti kvantni broj kao spin elektrona. Dakle, Paulijev princip isključenja ne samo da objašnjava strukturu periodnog sistema elemenata, već je i neophodan za objašnjenje drugih svojstava materije

Do ovog ključnog uvida Paulija nije dovelo razumevanje kvantne fizike, s kojom se u to vreme borio koliko i Bohr, Born i Sommerfeld, već razumevanje da se magnetizam atoma u magnetskim poljima ne može objasniti samo orbitalnim kretanjem elektrona.

PERIODNI SISTEM

Zašto je periodni sistem elemenata konstruisan od broja 2 pomnoženog sa kvadratom glavnog kvantnog broja n bila je potpuna misterija. Sommerfeld je čak otišao toliko daleko da je brojevni niz periodnog sistema nazvao „kabalističkim“ pravilom.

Lako je zamisliti koliko je sve ovo bilo zbunjujuće Bohru, Bornu i drugima u to vreme. Iz Bohrove teorije atoma vodika bilo je jasno da postoje različiti energetski nivoi povezani s glavnim kvantnim brojem n, i da je to direktno povezano s ugaonim momentom kroz kretanje elektrona u Bohrovim orbitalama.

Ali kako se periodni sistem elemenata gradi od H do He, a zatim do Li, Be i B, dodajući uzastopne elektrone, jedno od najjednostavnijih pitanja bilo je zašto se elektroni nisu svi nalazili na najnižem energetskom nivou? Čak i ako se na to pitanje nije moglo odgovoriti, postavljalo se pitanje zašto se nakon He elementi Li i Be ponašaju drugačije od B, N, O i F, što dovodi do plemenitog gasa Ne.Takvo je bilo stanje problema kada je Pauli počeo duboko kopati po njemu.

Do novembra 1924. Pauli je zaključio, u pismu Landéu : „Na zagonetan, nemehanički način, valentni elektron uspeva da se kreće u dva stanja sa istim k, ali sa različitim ugaonim momentima.“Bio je to prbi korak. Onda je Pauli sastavio 2 plus 2: Shvatio je da se stanja atoma mogu indeksirati skupom od 4 kvantna broja:

n - glavni kvantni broj,
k1 - ugaoni moment,
m1 - broj kvantizacije prostora i novi,
četvrti kvantni broj m2 koji je uveo, ali koji još nije imao mehanističko objašnjenje.

Nakon što je nabrojao ova četiri kvantna broja, napravio je glavni korak:Kada elektron poprimi skup vrednosti za četiri kvantna broja, tada je to stanje zauzeto.Pauli je to načelo formulisao 1925. za elektrone, a 1940. ga je protegnuo od elektrona na sve fermione( elektroni, protoni, neutroni ) čestice s polucelim spinom.

U svojoj najjednostavnijoj formulaciji, Paulijev princip kaže da nijedna dva elektrona u atomu ne mogu biti u potpuno istom stanju. Svi atomi osim vodika su atomi s više elektrona. Fizička i hemijska svojstva elemenata direktno su povezana s brojem elektrona koje neutralni atom ima. Periodni sistem elemenata grupira elemente sa sličnim svojstvima u kolone. Ova sistematska organizacija povezana je s brojem elektrona u neutralnom atomu, koji se naziva atomski broj.

SPIN

spin se možda najlakše može zamisliti kao rotacija čestica oko vlastite ose, iako je to u stvari nešto pojednostavljeno, a u stvarnosti je nemoguće reći da li se nešto tako malo poput elektrona uopšte vrti. Uopšteno, međutim, spin poštuje iste matematičke zakone ugaoni moment kao i predmeti koji se okreću klasična fizika  (kao što je Zemlja, na primer), a postoje samo dva važna aspekta koja treba uzeti u obzir: brzina rotacije i smer ose oko koje se rotira (naziva se "gore" i "dolle").

Spin je potpuno kvantno mehaničko svojstvo čestice i ne može ga ni na koji način objasniti klasična fizika.

Sada se ispostavilo da postoje dve podkategorije čestica: one sa "celim brojem"spin, koje su poznate kao bozoni, a koji uključuje fotone, gluone, W i Z bozone i hipotetički gravitone; i one sa „polucelim brojem spinom“, koje su poznate kao fermioni, i koji uključuje elektrone, neutrine , mione i kvarkove koje čine kompozitne čestice poput protona i neutroni. Drugi način da se opiše razlika između bozona i fermiona je da bozoni imaju simetrične valne funkcije dok fermioni imaju antisimetriju valne funkcije. Koncept čestice sa polucelim brojem spina samo još jedan primer naizgled kontra intuitivne prirode subatomskih čestica: grubo govoreći, fermion kao što je elektron mora da se okrene oko dvaput pre nego što prikaže isto lice kao pre.

 BOZONI celi broj                   FERMIONI poluceli.

fotoni.                                      elektroni 
gluoni                                      neutrini
w i Z bozoni                             mioni
hiooteticki gravitoni                  kvarkovi - proton, neutron
simetrične valne funkcije          antisimetricne
                                                  elektron ..dva puta da se okrene pre nego pokaže lice

 

Chargw - naboj elektrona

To također objašnjava postojanje različitost atoma u periodnom sistemu elemenata i čista raznolikost univerzuma oko nas. Na primer, kada jedan atom dobija novi elektron, uvek ide u najniže energije dostupno stanje (tj. najudaljenija ljuska). Dva atoma sa "zatvorenim" ljuskama nalaze da ne mogu formirati hemijsku vezu jedan s drugom jer elektrona u jednom atomu znaći nema dostupnih kvantnih stanja u drugom koji može zauzeti. Dakle, uređenje elektrona, posebno onih elektrona u krajnjoj ljusci, takođe utiče na hemijska svojstva elemenata kako atomi sposobni su da se vežu i kombinuju sa drugim atomima (osnova hemije), a samim tim i način na koji molekule interaguju u formu gasovi, tečnosti ili čvrste materije, i kako se agregiraju u živim organizmima.

Ljuske atoma - koliko se nalazi u kom elementu - sistem elemenata 
 
 Bohrov model atoma 

Paulijev  princip isključenja je jedan od najvažnijih principa u kvantnoj fizici, uglavnom zbog tri vrste čestica iz kojih su obične materije napravljene (elektrona,protona i neutrona) su svi podložni tome, tako da sve materijalne čestice pokazuju ponašanje koje zauzima prostor. Zanimljivo je, međutim, da se princip ne sprovodi bilo kakvom fizičkom silom koju shvata glavna nauka. Kada je jedan elektron ulazi u atom nekako misteriozno izgleda da "zna" kvantne brojeve elektrona koji su već tamo, i stoga u koje atomske orbitale može ući, a u koje ne.

Struktura atoma nitrogena  - dusik ,plon bez boje i mirisa i ukusa 14/7 14= 7+7 ( jezgro- protoni i neutroni) + 7 elektrona 







Valencija 

Valencija (kasnolat. valentia – snaga, sposobnost), u hemiji,  je svojstvo atoma pojedinog hemijskog elementa da se spaja s određenim brojem atoma nekoga drugog elementa u hemijski spoj ili formulsku jedinku. Atom koji se uvek spaja samo s jednim atomom drugog elementa naziva se jednovalentnim, pa se i za element koji sadrži takve atome kaže da je jednovalentan.

Krajem 1924. Pauli je napravio veliki iskorak predloživši ideju dodavanja četvrtog kvantnog broja trima koji su tada korišteni za opisivanje kvantnog stanja elektrona. Prva tri kvantna broja su imala fizički smisao,  jer se odnose na kretanje elektrona oko jezgra. Pauli je svoje novo kvantno svojstvo elektrona nazvao "dvovrednošću koja se ne može opisati klasično". Ubrzo nakon iznošenja ovog predloga, Pauli je shvatio da bi to moglo dovesti do rešenja problema zatvorenih orbitala.
      Zatim je u januaru 1925. objavio princip isključenja, navodeći da dva elektrona u atomu ne mogu zauzeti stanje sa istim vrednostima za četiri kvantna broja. Svaki elektron je morao biti u svom jedinstvenom stanju. Druge mogućnosti su isključene. 

Glavni kvantni broj

Glavni kvantni broj se označava malim latiničnim slovom n. On određuje energetske nivoe, kod Bora nazvane putanje ili orbite. Glavni kvantni broj može imati vrednosti celih brojeva n = 1, 2, 3... Glavni kvantni broj definiše srednje rastojanje elektrona od atomskog jezgra.

Talasna funkcija koja predstavlja kombinaciju kvantnih brojeva naziva se orbitala. Svaka orbitala odgovara određenoj vrednosti energije elektrona. Ova teorija je analogna Borovom modelu atoma.

Pomoću kvantnih brojeva, može se tačno opisati položaj svakog elektrona u atomu. Šredingerovo rešenje daje tri kvantna broja, dok je Dirak pokazao da postoje četiri kvantna broja. 
 
PAULI

Dakle, u svojoj najjednostavnijoj formulaciji, Paulijev princip kaže da nijedna dva elektrona u atomu ne mogu biti u potpuno istom stanju. Svi atomi osim vodika su atomi s više elektrona. Fizička i hemijska svojstva elemenata direktno su povezana s brojem elektrona koje neutralni atom ima. Periodni sistem elemenata grupira elemente sa sličnim svojstvima u kolone. Ova sistematska organizacija povezana je s brojem elektrona u neutralnom atomu, koji se naziva atomski broj

Zbog Paulijevog principa isključenja, samo vodik i helijum mogu imati sve svoje elektrone u stanju n = 1. Litijum (vidi periodni sistem) ima tri elektrona, tako da jedan mora biti u nivou n = 2. To dovodi do koncepta ljuski i popunjavanja ljuske. Kako napredujemo u broju elektrona, idemo od vodika do helijuma, litijuma, berilijuma, bora i tako dalje, i vidimo da postoje ograničenja u broju elektrona za svaku vrednost n . Veće vrednosti ljuske n odgovaraju višim energijama i mogu dozvoliti više elektrona zbog različitih mogućih kombinacija l , m , l i m, s . Svaka vrednost glavnog kvantnog broja n stoga odgovara atomskoj ljusci u koju može ući ograničen broj elektrona. Ljuske i broj elektrona u njima određuju fizička i hemijska svojstva atoma, budući da su najudaljeniji elektroni ti koji najviše interaguju sa svime izvan atoma.

Broj elektrona u atomu povećava od 1 u vodiku do 2 u heliju i tako dalje, ljuska najniže energije se prva popunjava - to jest, ljuska n = 1 se prvo popunjava, a zatim počinje da se puni ljuska n = 2. Unutar ljuske, podljuske se pune počevši od najniže l , ili sa s podljuskom , zatim p , i tako dalje, obično dok se sve podljuske ne popune. Prvi izuzetak od ovoga se javlja kod kalija, gde se 4s podljuska počinje puniti pre nego što bilo koji elektron pređe u 3d podljusku . Sledeći izuzetak nije prikazan u Tabeli 2; javlja se kod rubidija, gde se 5s podljuska počinje puniti pre 4d podljuske . Razlog za ove izuzetke je taj što elektroni sa l = 0 imaju oblake verovatnoće koji prodiru bliže jezgru i, stoga, su čvršće vezani (niže energije).

,