Принцип паули — в помощь студенту

История атомной физики насчитывает немало взлетов и падений. Но благодаря техническому прогрессу любое предположение, возникшее в умах теоретиков, могло быть проверено в лабораторных условиях.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Поскольку многие аспекты поведения элементарных частиц до сих пор не поддаются законами логики, ученые-первооткрыватели микромира договорились принимать их «как есть», без объяснения причин.

Принцип Паули относится к результатам тех экспериментов, которые до сих пор не нашли своего единственного объяснения.

Противоречия в теории атома

Одним из самых распространенных успешных заблуждений в атомной физике явилась планетарная атомная модель, предложенная английским ученым Эрнестом Резерфордом. Она в итоге оказалась не совсем достоверной, но дала возможность сделать столько правильных выводов, что польза от нее была несомненной.

Принцип Паули - в помощь студенту Одним из главных противоречий атома Резерфорда являлась способность электронов к излучению. В результате потери энергии любой электрон в итоге должен был прекратить свое движение и упасть на ядро. Но любой атом (кроме радиоактивного) по сути своей является стабильным, может существовать сколь угодно долго и не демонстрирует никаких признаков к самоуничтожению. Чтобы разрешить данную проблему, понадобился талант гениального датского физика Нильса Бора.

Теория Бора

В 1913 году молодой неизвестный физик из Дании предложил включить в классическую физику два изменения, с помощью которых можно было объяснить факты наблюдений и совершить множество полезных открытий.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Акция и ее виды - в помощь студенту

Оценим за полчаса!

Бор не смог объяснить причину поведения электрона на орбите, поэтому в основу своих правил положил принцип «как есть». Данные правила в дальнейшем сослужили хорошую службу и проложили дорогу к новым открытиям.

Правила Бора

Принцип Паули - в помощь студенту

Первое правило гласило, что планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, все-таки является верной. Но электроны в ней движутся по своим орбитам без излучения. Второе правило Бора утверждает, что движение электронов возможно лишь по определенным «разрешенным» орбитам. У электрона, совершающего свое движение по разрешенной орбите, произведение импульса на радиус этой орбиты всегда кратно постоянной Планка. Таким образом, орбиты электронов могут находиться лишь на тех энергетических уровнях, для которых выполняется следующее правило:

(импульс электрона * длину окружности орбиты) = n * h,

где h – это постоянная планка, а n – натуральное число. Таким образом, при наименьшей разрешенной орбите n = 1. Третье правило говорит о том, что электроны атомов можно переместить (например, бомбардируя их тяжелыми частицами) на свободную внешнюю орбиту. После этого электрон в состоянии вернуться на свободную внутреннюю орбиту. При этом атом испускает избыток энергии в виде кванта света.

Квантовые ограничения

Квантовое правило Бора предполагает, что электроны, которые находятся на самом близком расстоянии к ядру, имеют наименьшую разрешенную орбиту. На этом уровне электрон обладает минимальной энергией. Можно было бы ожидать, что все электроны в атоме должны были бы занять эту орбиту и оставаться на этом уровне. Однако этого не происходит. Объяснить данное противоречие помог принцип Паули.

Принцип Паули - в помощь студенту

Вольфганг Паули

Этот знаменитый австрийский физик родился в Вене в 1869 году. В Мюнхенском университете он получил отличное всестороннее образование, но все свои научные труды посвятил квантовой физике.

В двадцатилетнем возрасте Паули пишет обзорную статью для Физической энциклопедии, многие страницы которой и в наше время являются актуальными.

Его научные работы редко публиковались, важнейшие свои мысли и гипотезы Паули озвучивал в переписке со своими коллегами по научной деятельности. Наиболее оживленная переписка велась с Н. Бором и В. Гейзенбергом.

Именно совместная работа трех этих ученых положила начало основам современной квантовой физики. Основываясь на данных экспериментов этих трех виднейших ученых, свой принцип Паули и сформировал. За него в 1945 году австрийский ученый получил Нобелевскую премию.

Движение электронов

Принцип Паули - в помощь студенту

Исследуя движение электрона, В. Паули натолкнулся на множество странных моментов в поведении этой элементарной частицы. Например, электроны при движении ведут себя так, как будто вращаются вокруг своей оси. Собственный момент вращения электрона называется спином. На одном месте на орбите могут уместиться два электрона, при этом спины у них должны быть противоположны друг другу, как утверждает принцип Паули. Физика этого ограничения действует не только для электронов, но и для других частиц с полуцелым значением спина.

Периодическая система и принцип Паули

Химия воспользовалась принципом неопределенности для объяснения внутреннего строения веществ. Теперь становится вполне объяснимым, почему в первом ряду таблицы Менделеева находятся лишь два элемента.

И водород, и гелий имеют в своем распоряжении единственную нижнюю орбиту, на которой имеется лишь одно сдвоенное место для электронов, имеющих противоположные спины. Следующая орбита вмещает в себя уже восемь таких мест.

Поэтому второй ряд периодической системы смогли занять восемь элементов. Данная закономерность простирается на все ряды периодической системы.

Принцип Паули - в помощь студенту

Физика звезд

Как ни странно, законы поведения элементарных частиц простираются далеко за пределы микромира. Например, внутренним миром стареющих звезд занимается звездная физика. Принцип Паули работает и здесь, только его понимают немного иначе.

Теперь данное правило говорит о том, что в определенном пространственном объеме имеется возможность расположиться лишь двум элементарным частицам с противоположными спинами. Особенно наглядно этот закон действует при наблюдении за стареющими звездами.

Как известно, после взрыва сверхновая звезда стремительно коллапсирует, но далеко не все звезды при этом превращаются в черные дыры. При повышении порога предельной плотности (а для стареющей звезды это значение составляет порядка 107 кг/м3) внутреннее давление космического тела начитает стремительно расти.

Данный процесс имеет особый научный термин – давление вырожденного электронного газа. Таким образом, звезда прекращает терять свой объем и превращается в небольшое небесное тело размером с нашу Землю. Такие звезды в астрофизике называются белыми карликами.

Итоги

Принцип неопределенности – это один из первых законов нового типа, который отличается от всех известных нам представлений об окружающем мире.

Новые законы принципиально отличаются от известных нам с детства правил классической физики.

Если старые правила говорили о том, что может произойти при осуществлении тех или иных действий, то законы нового типа указывают нам на то, что происходить не должно.

Принцип Паули - в помощь студенту

Алгоритмы решения многих задач стоит строить по слегка видоизмененному принципу Паули. Отсекая в самом начале невозможные варианты решения задач, есть шанс найти единственно верный ответ.

Практическое использование принципа неопределенности заметно уменьшает время, необходимое для компьютерной обработки информации.

Известный ранее лишь в кругу физиков-теоретиков принцип Паули давно вышел за пределы квантовой физики, тем самым обозначив новые методы изучения законов природы.

Источник: https://www.syl.ru/article/187049/mod_printsip-pauli-v-fizike-i-himii-osobennosti-primeneniya

Принцип Паули: один из важнейших принципов в понимании природы вещества

Принцип исключения Паули утверждает, что два электрона (или два любых других фермиона) не могут иметь одинаковое квантово-механическое состояние в одном атоме или одной молекуле. Другими словами, ни одна пара электронов в атоме не может иметь одинаковые электронные квантовые числа.

Этот принцип был предложен австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году для описания поведения электронов. В 1940-м он расширил принцип до всех фермионов в своей теореме о связи спина со статистикой.

Бозоны — частицы с целым числом спинов — не следуют принципу исключения. Таким образом, идентичные бозоны могут занимать одно и то же квантовое состояние (как, например, фотоны в лазерах).

Принцип исключения Паули применим только к частицам с полуцелым спином.

О спине проще всего думать как о вращении частицы вокруг собственной оси. Конечно, это сильное упрощение — и в реальности невозможно сказать наверняка, вращается ли на самом деле нечто столь малого размера вроде электрона.

В общем говоря, спин подчиняется тем же математическим законам момента импульса, что и все вращающиеся объекты в классической физике.

Здесь есть два важных момента, о которых стоит помнить: скорость вращения и направление оси, вокруг которой частица вращается (верхний или нижний спин).

Принцип Паули - в помощь студенту

Вольфганг Паули во время лекции / © W. Dieckvoss

Когда в 1922 году Отто Штерн и Уолтер Герлах открыли спин, их эксперименты показали, что присущий момент импульса, или спин, частицы вроде электрона квантовался, то есть мог принимать только определенные дискретные значения.

Спин композитных частиц, таких как протоны, нейтроны и атомные ядра, — просто сумма спинов и орбитального момента импульса частиц, из которых они состоят, а значит, они подчиняются тем же условиям квантования.

Таким образом, спин — это абсолютно квантово-механическое свойство частицы и оно не может быть объяснено классической физикой.

Позже выяснилось, что есть две подкатегории частиц: частицы с целым спином, известные сегодня как бозоны — среди которых фотоны, глюоны, W- и Z-бозоны, — а также гипотетические гравитоны и частицы с полуцелым спином: фермионы, включающие в себя электроны, нейтрино, мюоны и кварки, из которых состоят композитные частицы типа протонов и нейтронов.

Различие между бозонами и фермионами можно описать тем, что у первых есть симметричные волновые функции, а у фермионов волновые функции асимметричны. Концепция частицы с полуцелым спином — очередной пример парадоксальной природы субатомных частиц: грубо говоря, фермиону нужно обернуться вокруг своей оси дважды, прежде чем он примет прежнее положение.

Важность этого различия для квантовой теории состоит в том, что волны вероятности бозонов «переворачиваются» — или инвертируются, — прежде чем успевают интерферировать друг с другом, что, по сути, и ведет к их «стадному» характеру и коллективному поведению в лазерах, сверхтекучих жидкостях и сверхпроводниках. Фермионы, однако, не переворачивают свои волны вероятности, что, помимо прочего, приводит к «асоциальному» характеру. Так и получается, что в квантовой механике складывать спины частиц нужно очень аккуратно и при помощи специальных правил вдобавок к моменту импульса.

Принцип Паули - в помощь студенту

Атом углерода. На первом энергетическом уровне (оболочке первого уровня) расположено два электрона. На втором — уже четыре / © AWS

Все вышеописанное и подводит нас к одному из важнейших принципов в квантовой механике — принципу исключения Паули. Как было сказано выше, он гласит, что два идентичных фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние одновременно (хотя два электрона, например, могут приобрести противоположные спины, чтобы дифференцировать свои квантовые состояния).

Этот принцип можно описать так: никакие два фермиона в квантовой системе не могут обладать одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел в любой момент времени.

Принцип исключения Паули эффективно объясняет продолжительное существование очень высокоплотных белых карликов, а также существование разных типов атомов во Вселенной, крупномасштабную стабильность вещества и ее основную массу.

Чтобы понять важность этого принципа, необходимо знать, что, согласно боровской модели атома, электроны в атоме (существующие в том же количестве, что и протоны в ядре конкретного атома, чтобы общий заряд равнялся нулю) могут занимать только конкретные дискретные орбитальные позиции вокруг ядра, что также называют оболочкой атома.

Чем ближе электроны к ядру, тем сильнее электрическая сила притягивает электрон внутрь и тем больше энергии понадобится, чтобы «вырвать» его из лап ядра. На самых близких к ядру орбиталях могут поместиться всего два электрона — один с верхним спином, а один — с нижним, чтобы иметь разные квантовые состояния.

Оболочка энергетическим уровнем выше может вместить уже восемь, на уровень выше — 18, на следующем уровне — 32.

Принцип исключения Паули диктует, как электроны могут расположиться внутри атома по его орбиталям.

Тот факт, что два электрона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние, не дает им «нагромождаться» друг на друга, тем самым объясняя, почему материя занимает исключительно свое место и не позволяет другим материальным объектам проходить через себя, но в то же время позволяет проходить через себя свету и излучению.

Читайте также:  Системная плата - в помощь студенту

Принцип Паули - в помощь студенту

Два атома формируют ковалентную связь. У каждого из атомов есть всего один электрон на самой дальней орбитали. Для получения более низкого энергетического состояния атомы объединяют свои электроны и образуют общую орбиталь, содержащую два электрона / © The Physics Mill 

Этот принцип также объясняет существование разных атомов в периодической таблице и разнообразие мира, окружающего нас.

Например, когда атом получает новый электрон, он всегда попадает на самый низкий из доступных энергетических уровней (наиболее отдаленную от ядра орбиталь).

Два атома с «закрытыми» оболочками не могут осуществить химическую связь друг с другом из-за того, что электроны одного атома не находят доступных квантовых состояний, которые они могли бы занять в другом атоме.

Итак, порядок электронов, а именно — электронов на самой отдаленной орбитали, также влияет на химические свойства элемента и способность атомов ко взаимодействию с другими атомами, а значит, и на то, как взаимодействуют молекулы при формировании газов, жидкостей или твердых тел, и на то, как они объединяются в живых организмах.

Принцип исключения Паули — один и самых важных принципов в квантовой физике, по большей части из-за того, что все три типа частиц, из которых состоит вся обычная материя (электроны, протоны и нейтроны), подчиняются ему.

Однако интересно, что этот принцип не поддерживается никакими физическими силами, известными науке.

Когда электрон входит в ион, он каким-то образом уже «знает» квантовые числа электронов, находящихся там, то есть знает, какие атомные орбитали он может занять, а какие — нет.

Источник: https://naked-science.ru/article/nakedscience/princip-pauli-odin-iz

Ответы на вопрос "3. Принцип Паули, правило Гунда, строение электронных …" — Конспектов.Нет

Согласно принципу Паули в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. 

Принцип Паули определяет максимальное число электронов на одной орбитали, уровне и подуровне.

Так как АО характеризуется тремя квантовыми числами n, l, m, то электроны данной орбитали могут различаться только спиновым квантовым числом ms. Но спиновое квантовое число ms может иметь только два значения +1/2 и –1/2.

Следовательно, на одной орбитали может находиться не более двух электронов с различными значениями спиновых квантовых чисел. 

Порядок размещения электронов в пределах одного подуровня определяется правилом Гунда:

в пределах подуровня электроны размещаются таким образом, чтобы сумма их спиновых квантовых чисел имела бы максимальное значение по абсолютной величине.

Иными словами, орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковым значением спинового квантового числа, а затем по второму электрону с противоположным значением. Например, если в трех квантовых ячейках необходимо распределить 3 электрона, то каждый из них будет располагаться в отдельной ячейке, т.е. занимать отдельную орбиталь: 
Принцип Паули - в помощь студенту В этом случае сумма спиновых квантовых чисел максимальна: ∑ms= ½ + ½ + ½ = 3/2.

Эти же 3 электрона не могут быть расположены иначе, так как ∑ms будет меньше, например:

Принцип Паули - в помощь студенту

∑ms= ½ – ½ + ½ = ½.

Порядок распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням в оболочке атома называется его электронной конфигурацией, или электронной формулой.

Составляя электронную конфигурацию номер энергетического уровня (главное квантовое число) обозначают цифрами 1, 2, 3, 4…, подуровень (орбитальное квантовое число) – буквами s, p, d, f.

Число электронов на подуровне обозначается цифрой, которая записывается вверху у символа подуровня. 

Электронная конфигурация атома может быть изображена в виде так называемой электронно-графической формулы. Эта схема размещения электронов в квантовых ячейках, которые являются графическим изображением атомной орбитали. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с различными значениями спиновых квантовых чисел.

Чтобы составить электронную или электронно-графическую формулу любого элемента следует знать: 1. Порядковый номер элемента, т.е. заряд его ядра и соответствующее ему число электронов в атоме. 2. Номер периода, определяющий число энергетических уровней атома. 3. Квантовые числа и связь между ними.

Так, например, атом водорода с порядковым номером 1 имеет 1 электрон. Водород  элемент первого периода, поэтому единственный электрон занимает находящуюся на первом энергетическом уровне s-орбиталь, имеющую наименьшую энергию. Электронная формула атома водорода будет иметь вид:

1Н 1s1.

Электронно-графическая формула водорода будет иметь вид:
Электронная и электронно-графическая формулы атома гелия:

  • 2Не 1s2
  • 2Не 1s 
  • Атом лития 3Li имеет 3 электрона, это элемент II периода, значит, электроны расположены на 2-х энергетических уровнях. Два электрона заполняют s подуровень первого энергетического уровня и 3-й электрон расположен на s  подуровне второго энергетического уровня: 
  • 3Li 1s22s1 
  • 2 Валентность I

отражают завершенность электронной оболочки, что обусловливает ее устойчивость. Гелий – благородный газ, характеризующийся высокой химической устойчивостью (инертностью).

  1. s
  2. У атома лития электрон, находящийся на 2 s-подуровне, менее прочно связан с ядром, чем электроны первого энергетического уровня, поэтому в химических реакциях атом лития может легко отдавать этот электрон, превращаясь в ион Li+ (ион  электрически заряженная частица). В этом случае ион лития приобретает устойчивую завершенную оболочку благородного газа гелия:
  3. 3Li+ 1s2.

Следует заметить, что, число неспаренных (одиночных) электронов определяет валентность элемента, т.е. его способность образовывать химические связи с другими элементами.

Так, атом лития имеет один неспаренный электрон, что обусловливает его валентность, равную единице. Электронная формула атома бериллия:  4 Bе 1s2 2s2. Электронно-графическая формула атома бериллия:

  • ^ 2 Валентность в основном 
  • состоянии равна 0 
  • 1
  • Легче других у бериллия отрываются электроны подуровня 2s2, образуя ион Be+2:

s
4 Bе+2 1s2.

Можно заметить, что атом гелия и ионы лития 3Li+ и бериллия 4Bе+2 имеют одинаковое электронное строение, т.е. характеризуются изоэлектронным строением.

Источник: http://www.konspektov.net/question/5724905958014976

Принцип запрета Паули

Австрийский физик Вольфганг Паули — один из нескольких европейских физиков-теоретиков, сформулировавших в конце 1920-х — начале 1930-х годов основные принципы и постулаты квантовой механики.

Принцип, носящий его имя, является одним из основополагающих в этом разделе физической науки. Проще всего представить себе, в чем именно заключается принцип Паули, если сравнить электроны с автомобилями на многоярусной крытой стоянке.

В каждый бокс помещается только одна машина, а после того, как все боксы на нижнем этаже стоянки заняты, автомобилям приходится в поисках свободного места заезжать на следующий этаж.

Так же и электроны в атомах — на каждой орбите вокруг ядра их помещается не больше, чем там имеется «парковочных мест», а после того, как все места на орбите заняты, следующий электрон ищет себе место на более высокой орбите.

Далее, электроны ведут себя, условно говоря, так, будто они вращаются вокруг своей оси (то есть, обладают собственным моментом вращения, который в этом случае принято называть спином и который может принимать лишь два значения: +1/2 или –1/2).

Два электрона с противоположным спином могут занимать одно место на орбите. Это, как если бы в один бокс помещались одновременно машина с правым рулем и машина с левым рулем, а две машины с одинаковым расположением руля не помещались.

Вот почему в первом ряду периодической системы Менделеева мы видим всего два атома (водород и гелий): на нижней орбите отведено всего одно сдвоенное место для электронов с противоположным спином.

На следующей орбите помещается уже восемь электронов (четыре со спином –1/2, и четыре со спином +1/2), поэтому во втором ряду таблицы Менделеева мы видим уже восемь элементов. И так далее.

Внутри стареющих звезд температура настолько высока, что атомы в основном находятся в ионизированном состоянии, и электроны свободно перемещаются между ядрами. И здесь снова срабатывает принцип запрета Паули, но уже в видоизмененной форме.

Теперь он гласит, что в определенном пространственном объеме может одновременно находиться не более двух электронов с противоположным спином и определенными интервалами предельно допустимых скоростей.

Однако картина резко изменяется после того, как плотность вещества внутри звезды превысит пороговое значение порядка 107 кг/м3 (для сравнения — это в 10 000 раз выше плотности воды; спичечный коробок такого вещества весит около 100 тонн). При такой плотности принцип Паули начинает выражаться в стремительном росте внутреннего давления в звезде.

Это дополнительное давление вырожденного электронного газа, и его проявлением становится тот факт, что гравитационный коллапс старой звезды останавливается после того, как она сжимается до размеров, сопоставимых с размерами Земли. Такие звезды называют белыми карликами, и это последняя стадия эволюции звезд с массой, близкой к массе Солнца (см. Предел Чандрасекара).

Выше я описал действие запрета Паули применительно к электронам, но он действует и в отношении любых элементарных частиц с полуцелым спиновым числом (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.). В частности, спиновое число нейтрона равно, как и у электрона, 1/2. Это значит, что нейтронам, как и электронам, требуется определенное «жизненное пространство» вокруг себя.

Если масса белого карлика превышает 1,4 массы Солнца (см. Предел Чандрасекара), силы гравитационного притяжения заставляют протоны и электроны внутри звезды попарно объединяться в нейтроны.

Но тогда нейтроны, подобно электронам в белых карликах, начинают производить внутренне давление, которое называется давлением вырожденного нейтронного газа, и в этом случае гравитационный коллапс звезды останавливается на стадии образования нейтронной звезды, диаметр которой сопоставим с размерами большого города.

Однако при еще большей массе звезды (начиная примерно с тридцатикратной массы Солнца) силы гравитации сламывают и сопротивление вырожденного нейтронного газа, и звезды коллапсируют дальше, превращаясь в черные дыры.

Принцип запрета Паули представляет собой яркий пример закона природы нового типа, и по мере развития компьютерных технологий такие «неявные» законы будут неизбежно играть всё большую роль.

Законы этого типа принципиально отличаются от законов классической физики, таких как законы механики Ньютона, — они не предсказывают, что произойдет в системе. Вместо этого они определяют, чего в системе не может произойти. Именно их биолог и структурный теоретик Харольд Моровиц (Harold Morowitz, р.

 1927) назвал «правилами отсечения»: такие правила, в частности, принцип запрета Паули сводятся к тому, что при решении самых сложных и комплексных проблем (а расчет орбит электронов в сложных атомов к таковым, несомненно, относится) следует запрограммировать компьютер таким образом, чтобы он даже не рассматривал заведомо невозможные варианты решения. Тем самым такое правило отсекает от ствола возможных решений задачи заведомо мертвые ветви, оставляя лишь допустимые возможности для ее решения, благодаря чему время компьютерных расчетов сокращается до разумных пределов. Таким образом, правила, подобные принципу запрета Паули, становятся всё более важными, поскольку мы всё больше зависим от компьютеров в решении самых сложных и комплексных проблем.

См. также:

Эффект Паули

Раньше ученые масштаба Исаака Ньютона или Майкла Фарадея успешно сочетали в себе навыки экспериментаторов и теоретиков — сами проводили эксперименты по исследованию различных аспектов физического мира и сами же разрабатывали теории для объяснения полученных ими опытным путем результатов. Те времена прошли.

Примерно с начала ХХ столетия узкая специализация, эпидемией пронесшаяся по всем отраслям человеческой деятельности, распространилась и на естествознание, включая физику. Сегодня мы видим, что подавляющее большинство ученых относится к одной из двух категорий — экспериментаторов или теоретиков.

Совместить в себе две эти ипостаси в наше время практически невозможно.

Вольфганг Паули был ярко выраженным физиком-теоретиком и, как свойственно многим ученым этой категории, весьма презрительно относился к «сантехникам» (по его же выражению), марающим руки об экспериментальные установки.

Снобизм Паули в отношении экспериментаторов, равно как и его полная неспособность заставить работать даже самую простую экспериментальную установку, вошли в легенду. Рассказывают, что стоило ему появиться в физической лаборатории, как какое-нибудь оборудование тут же выходило из строя.

Говорят, что чудовищный взрыв в Лейденском университете (Нидерланды) произошел минута в минуту по прибытии Паули в этот город поездом из Цюриха.

Правда всё это или нет, но «эффект Паули» — способность человека разрушительно влиять на эксперимент одним своим присутствием — прочно вошел в физический фольклор. Однако, как и в объяснении Бора, в нем, скорее всего, много преувеличений, если разобраться.

Источник: https://elementy.ru/trefil/21186/Printsip_zapreta_Pauli

Принцип Паули простым языком?

Научный редактор «Популярной механики» объясняет простым языком некоторые сложные квантовые эффекты:

На одной из пьянок (редколлегий) «Популярной механики» речь зашла о науке.- Опять в журнале какие-то матерные слова написаны! – пожаловались девушки из отдела рекламы.- Где???Показать полностью..

— Да вот же: «бо-зе-эйн-штейн-ов-ский кон-ден-сат»! Да тут не только язык сломаешь, вообще непонятно, что такое и о чем это! Спорим, ты и объяснить не сможешь простым людям!

Ах, даже вот так? Ну вот вам бозонный конденсат и квантовые эффекты для блондинок.

Смотрите: существуют два типа людей (частиц), “мальчики” и “девочки”. Мальчики одеты в брюки, на которые уходит 1 метр полотна. Это — целый спин. Такие частицы-мальчики называются бизоны (бозоны). Девочки одеты в юбки, на которые уходит 0,5 метра полотна. Это — полуцелый спин, а частицы-девочки — фермионы.

Ведут они себя по-разному.

Когда бозоны собираются вместе на чисто мужскую вечеринку и обнаруживают, что все одеты в абсолютно одинаковые костюмы, они радостно улыбаются, садятся рядом, хлопают друг друга по плечу, ставят друг другу пиво, становятся лучшими друзьями и действуют как единое целое. Это – бозонный конденсат (он же конденсат Бозе-Эйнштейна). А когда раздается крик «наших бьют!», все частицы-мальчики устремляются на защиту — в одном направлении и не мешая друг другу. Это — сверхтекучесть.

А когда девочки-фермионы, собравшись на девичник, обнаруживают, что на них одинаковые платья или юбки, они фыркают, отворачиваются и стараются друг к другу близко не подходить и на соседние стулья не садиться. Это — принцип запрета Паули.

Теперь представим себе торговый центр с двумя входами-выходами с разных сторон. Это — проводник. Внутри — множество магазинов и бутиков. Это — кристаллическая решетка.

Если запустить через один вход частицу-девочку (фермион), то вместо того, чтобы пройти прямо насквозь и выйти с другой стороны, она будет испытывать многочисленные столкновения с магазинами, и выйдет с изрядно похудевшим кошельком.

Это — механизм электрического сопротивления (электроны являются фермионами).

А теперь представим, что на входе девочка встречает подругу, и они зацепляются языками (начинают болтать) о моде, прическах и мальчиках. При этом две девочки (фермионы) действуют как единое целое. Это — куперовская пара.

Увлеченные разговором, подруги не замечают магазинов и проходят торговый центр насквозь, не испытывая соударений с бутиками и не потратив ни копейки денег, то есть ведут себя точно так же, как мальчик (бозон).

Это — сверхпроводимость.

Ну вот, теперь вы знаете столько же, сколько студенты-физики узнают в рамках годового курса квантовой теории. Ну, почти 😉

Читайте также:  Функции государства в переходной экономике - в помощь студенту

Источник: https://TheQuestion.ru/questions/451186/printsip_pauli_prostym_iazykom_c455a974

ПОИСК

    Каковы правила заполнения электронами атомных и молекулярных орбиталей В чем сущность соблюдения условий минимума энергии, принципа Паули и правила Гунда Покажите их применение на примере атома и молекулы кислорода. [c.53]

    Строение многоэлектронных атомов. Принцип заполнения.

Принцип запрета Паули и спаривание спинов. Правило Гунда. Эффективный заряд ядра. Орбитальная конфигурация и энергия ионизации. Валентные электроны и валентные орбитали. Типические элементы, внутренние переходные металлы, переходные металлы и благородные газы. Сродство к электрону. [c.

385]

    Первое правило Хунда гласит, что для данной электронной конфигурации наименьшую энергию будет иметь состояние с максимальным числом неспаренных спинов. Так, для атома углерода конфигурация с двумя неспаренными спинами соответствует основному состоянию. Опираясь теперь на принцип Паули и первое правило Хунда, можно продолжить заполнение орбиталей ( принцип построения ). [c.260]

    Правило Хунда.

При заполнении вырожденных атомных орбиталей возможны два крайних случая (рис. П1Л, а и б). Согласно правилу Хунда, электроны вначале занимают по одному все вырожденные орбитали, образуя конфигурации с максимальным числом неспаренных. электронов.

После такого распределения добавление электронов прт -водит к образованию пар и заполнению атомных орбиталей в соответствии с принципом Паули. Одной из иллюстраций правила Хунда является способ размещения электронов на 2р-орбиталях атомов эле ментов второго периода от бора до неона.

Заполнение электронами -орбиталей в атомах переходных элементов приводит к образованию конфигурации с пятью неспаренными электронами. [c.171]

    Строение атома и периодический закон Д. И. Менделеева. Основные этапы развития представлений о строении атома. Модель строения атома Резерфорда. Постулаты Бора. Корпускулярно-волновая природа электрона. Квантово-механическая модель атома. Квантовые числа. Атомные орбитали.

Заполнение уровней, подуровней и орбиталей электронами принцип минимальной энергии, принцип Паули, правило Хунда. Правила Клечковского. Электронные формулы элементов 1-1У периодов. Строение атомных ядер. Изотопы. Изобары. Ядерные реакции. Современная формулировка периодического закона. Периодическая система элементов в свете строения атома. Периоды, группы, подгруппы.

8-, р-, d- и -элементы. Периодичность свойств химических элементов. [c.4]

    В основе построения молекулярных орбиталей (МО), как и при построении атомных орбиталей (АО), лежат одни и те же положе-1 ия энергетический критерий, принцип Паули и правило Хунда.

Каждая молекулярная, как и атомная, орбиталь характеризуется своим набором четырех квантовых чисел, отражающих свойства электрона в данном состоянии. Заполнение электронами энергетических уровней происходит в порядке возрастания энергии.

Отличие атомных от молекулярных орбиталей состоит в том, что первые одноцентровые, а вторые многоцентровые. В атоме одно ядро, в молекуле их несколько. Молекулярные орбитали сложнее атомных. [c.113]

    Заполнение молекулярных уровней энергии электронами подчиняется тем же законам, что и заполнение атомных уровней принцип минимальной энергии, принцип Паули, правило Гунда. В соответствии с указанными правилами 2 электрона молекулы водорода находятся на нижнем или основном энергетическом уровне. Их спиновые числа отличаются по знаку. [c.184]

    Устойчивому (невозбужденному) состоянию многоэлектронного атома отвечает такое распределение электронов по АО, при котором энергия атома минимальна. Поэтому АО заполняется в порядке последовательного возрастания их энергий (при этом не должен нарушаться принцип Паули ).

Порядок заполнения электронами АО определяется правилами Клечковского, которые учитывают зависимость энергии орбитали от значений как главного (п), так и орбитального (1) квантовых чисел.

Согласно этим правилам, АО заполняется электронами в порядке последовательного увеличения суммы п +1 (первое правило Клечковского), а при одинаковых значениях этой суммы — в порядке последовательного возрастания главного квантового числа (второе правило Клечковского).

По типу электронных структур атомов в периодической системе элементов их делят на 5-, р-,(1-, — элементы. Элементы, в атомах которых подуровень внешнего уровня заполняется одним или двумя электронами при наличии в соседнем с внешним уровнем двух или восьми электронов, называют з-элементами.

В качестве примера покажем распределение электронов в атоме натрия (7=11), который находится в третьем периоде периодической системы с вычислением суммы (п + 1)  [c.10]

    Правило Хунда.

При заполнении электронами энергетических подуровней соблюдается правило Хунда в данном подуровне электроны стремятся занять энергетические состояния таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.

Рассмотрим распределение электронов по энергетическим ячейкам в атоме углерода, электронная конфигурация которого з 28 2р Согласно принципу Паули, его можно изобразить двояко  [c.20]

    При последовательном заполнении электронных слоев возникает вопрос о размещении электронов по орбиталям. Если, например, в атоме орбитали с / = 0 (s-орбитали) заполнены и имеются еще три р-орбитали, то, заполняя электронный слой, на одну из них можно поместить два электрона.

Это не будет нарушением принципа Паули, если у электронов спины противоположны. С другой стороны, можно разместить два электрона и на разных р-орбиталях. Тогда спины электронов могут быть одинаковыми. Опыт показал, что второй тип размещения энергетически выгоднее.

Существуют два правила Хунда, позволяющие сделать правильный выбор конфигурации  [c.78]

    Устойчивому (невозбужденному) состоянию многоэлектронного атома отвечает такое распределение электронов по АО, при котором энергия атома минимальна. Поэтому АО заполняются в порядке последовательного возрастания их энергий (при этом не должен нарушаться принцип Паули ).

Порядок заполнения электронами АО определяется правилами Клечковского, которые учитывают зависимость энергии орбитали от значений как главного (п), так и орбитального (/) квантовых чисел.

Согласно этим правилам, АО заполняются электронами в порядке последовательного увеличения суммы п +1 (1-е правило Клечковского), а при одинаковых значениях этой суммы — в порядке последовательного возрастания главного квантового числа п (2-е правило Клечковского). [c.41]

    Принципы заполнения электронных орбиталей атома в основном состоянии принцип Паули, правило Хунда. Электронные емкости орбиталей, подуровней и уровней атома. [c.108]

    Конфигурацию электронной оболочки произвольного атома можно определить путем заполнения квантовых состояний одноэлектронного иона на основе принципов или правил заполнения, предложенных В. Паули (1900—1958). [c.150]

    При определении последовательности заполнения электронами. МО соблюдаются положения, уже рассмотренные при ознакомлении с порядком заполнения электронами энергетических уровней многоэлектронных атомов, а именно принцип Паули (с. 40—41) и прави- ло Гунда (с. 46). [c.58]

    Заполнение орбиталей 1 Очередность заполнения — принцип наименьшей энергии 2 Принцип Паули — в одном атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями л I т vis 3 Правило Хунда —в пределах подуровня электроны располагаются так что их суммарный спин максимален [c.5]

    При заполнении квантовых ячеек электронами необходимо руководствоваться правилом Гунда в данном подуровне электроны стремятся занять свободные квантовые ячейки сначала по одному с параллельными спинами и затем только по второму с противоположным направлением спина.

По принципу Паули в каждой ячейке может быть только два электрона с противоположными спинами. При таком способе заполнения квантовых ячеек одного подуровня данным числом электронов суммарный спин имеет наибольшее значение, что требует правило Гунда. [c.

70]

    Приведена энергетическая диаграмма заполнения атомных орбиталей электронами для элементов с порядковыми номерами 1 (И) — 36 (Кг) в соответствии с принципами минимума энергии, запрета (принцип Паули) и максимальной мультиплетности (правило Хунда). Номера электронов отвечают последовательности заполнения электронами энергетических подуровней и равны порядковым номерам элементов в Периодической системе. [c.38]

    Покажите на примере, как при заполнении электронных оболочек действуют принцип Паули и правило Гунда. Дайте формулировку этого правила. [c.89]

    Объясните принципы и правила, определяющие последовательность заполнения атомных орбиталей электронами (принцип Паули, правила Клечков-ского, правило Хунда). [c.18]

    Заполнение молекулярных орбиталей происходит так же, как и атомных, т. е. в соответствии с принципом наименьшей энергии, соблюдением принципа Паули и правила Гунда. [c.144]

    Заполнение одночастичных состояний электронами должно происходить в соответствии с принципом Паули, а при неполной заселенности вырожденных уровней —при соблюдении правила Гунда о максимальной мультиплетности. [c.201]

    Принцип Паули и правило заполнения [c.130]

    Эти обобществленные электроны занимают молекулярные орбитали (МО). МО является, как правило, многоцентровой орбиталью и заполняющие ее электроны делокализованы (рассредоточены).

Заполнение МО электронами происходит с соблюдением принципа Паули. Таким образом, МО, как и АО, может быть вакантной, заполненной одним электроном или двумя электронами с противоположными спинами.

[c.33]

    Остановимся еще раз на значении принципа Паули как закона, определяющего сам факт существования молекул как устойчивых систем, состоящих из положительно и отрицательно заряженных частиц Прежде всего отметим, что правило заполнения уровней энергии в квантовой системе, подчиняющейся принципу Паули, действует не для любых отрицательных зарядов, а лишь для таких, которые обладают полуцелым спином Так что использование природой для построения молекул именно электронов не является случайным Правда, могут существовать атомы и молекулы, содержащие антиядра (антипротоны) и антюлектроны (позитроны) Это, однако, экзотика, и в обычной химии с такими обьектами не встречаются Представим себе теперь, что в пространстве в положениях, отвечающих положениям атомов в молекуле бензола, размещены соответствующие ядра или наборы кулоновских потенциальных ловушек Пусть в это пространство по одному впрыскиваются электроны Если бы они вели себя как классические частицы, не подчиняющиеся специальной квантовой статистике Ферми—Дирака и следующему из нее принципу Паули, то вполне могло бы случиться, что попавшие в ловушку атома углерода 6 электронов, даже с учетом их взаимного отталкивания, разместились бы в глубине потенциальной ямы в непосредственной близости от ядра Тогда такое образование повело бы себя как электрически нейтральное уже на малых расстояниях от центра Ловушка просто исчезла бы, и молекула не могла бы образоваться То обстоятельство, что электроны подчиняются принципу Паули и вынуждены располагаться на уровнях энергии атомов, постепенно приблЕжающихся к верхней части кулоновской потенциальной ловушкю>, приводит, во-первых, к характерному для изолированных атомов заполнению всех ловушек и, следовательно, к возникновению распределенного в пространстве всей [c.137]

    Исходя из принципа Паули и правила Гунда, согласно которому электроны стремятся по возможности не образовывать пары, можно построить периодическую систему элементов на основе спектроскопических данных.

Атом каждого последующего элемента образуется путем добавления протона и электрона к атому предыдущего элемента. В многоэлектронных атомах электроны заполняют соответствующие орбитали в порядке возрастания их энергии.

Экспериментально установлен следующий ряд изменения энергий по орбиталям 15

Источник: https://www.chem21.info/info/1560947/

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Применение принципа Паули приводит к выподу, что в случае симметричного состояния движения электроны должны обладать противоположно направленными спинами. При антисимметричном состоянии движения спины электронов должны быть параллельными.

 [1]

Применение принципа Паули приводит к выводу, что при симметричном состоянии движения электроны должны обладать противоположно направленными спинами.

При антисимметричном состоянии движения спины электронов должны быть параллельными.

Следовательно, силы отталкивания возникают РІ результате взаимодействия внешних электронных оболочек Рё зависят РѕС‚ особенностей этих оболочек.  [2]

Применение принципа Паули приводит к выводу, что в случае симметричного состояния движения электроны должны обладать противоположно направленными спинами. При антисимметричном состоянии движения спины электронов должны быть параллельными.

 [3]

Самое примитивное применение принципа Паули ( не более двух электронов на орбитали) для диаграммы молекулярных орбиталенг в методе ячеек представлено на рис. 3.8.

Р’ ( РќРµ) 2 третий валентный электрон должен расположиться РЅР° разрыхляющей Рѕ — орбитали.

Вместо того чтобы повышать прочность связи, этот третий электрон приводит к ее ослаблению, сводя к нулю благотворное действие одного из связывающих электронов.

Действительно, из эксперимента известно, что энергия связи молекулярного иона Не.

Далее, РІ гипотетической молекуле ( РќРµ) 2 четвертый электрон также должен находиться РЅР° разрыхляющей Р° — орбитали.

Теперь, РєРѕРіРґР° РІ молекуле есть РґРІР° связывающих Рё РґРІР° разрыхляющих электрона, СЃРІСЏР·СЊ вообще РЅРµ возникает. Этот вывод подтвержден экспериментально. Два атома гелия лишь очень слабо притягиваются РґСЂСѓРі Рє РґСЂСѓРіСѓ — химическая СЃРІСЏР·СЊ здесь практически отсутствует. РњС‹ убедились РІ том, что принцип Паули для молекул РЅРµ менее справедлив, чем для атомов.  [4]

РџСЂРё применении принципа Паули важно иметь РІ РІРёРґСѓ, что РІ гамильтониане, построенном нами для описания жесткой молекулы, рассматриваются как эквивалентные только те СЏРґСЂР°, которые РїРѕРґ действием точечной РіСЂСѓРїРїС‹ РЎ превращаются РѕРґРёРЅ РІ РґСЂСѓРіРѕР№, как это обсуждалось РЅР° стр. Эта РіСЂСѓРїРїР° РІ разд. РЇ ( РЎ); РѕРЅР° представляет СЃРѕР±РѕР№ РіСЂСѓРїРїСѓ инвариантности молекулярного гамильтониана. Р�менно эти перестановки ядер следует рассматривать, РєРѕРіРґР° применяется принцип Паули.  [5]

Можно легко показать, что применение принципа Паули приводит к тем же выводам, что и метод валентных связей.

Общая методика заключается в следующем.

Предполагается, что валентные-электроны находятся РЅР° соответствующих атомных s -, p — Рё d — op — биталях.  [6]

Можно легко показать, что применение принципа Паули приводит к тем же выводам, что и метод валентных связей.

Общая методика заключается в следующем.

Предполагается, что валентные электроны находятся РЅР° соответствующих атомных s -, p — Рё d — op — биталях.  [7]

Таким образом, РїРѕ отношению Рє сильным ядерным силам нуклон обладает дополнительной характеристикой — РёР·РѕСЃРїРёРЅРѕРј ( точнее, сильным РёР·РѕСЃРїРёРЅРѕРј) — которую также следует учитывать РїСЂРё применении принципа Паули.  [8]

Так, одноименные нуклоны ( СЂ — СЂ или Рї — Рї) РјРѕРіСѓС‚ соединиться лишь РІ том случае, если РѕРЅРё обладают противоположно направленными спинами.

Применение принципа Паули Рє объяснению некоторых особенностей строения атомного СЏРґСЂР° РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє выводу, что нуклоны РІ СЏРґСЂРµ, так же как электроны РІ электронной оболочке атома, расположены РЅР° энергетических оболочках — СѓСЂРѕРІРЅСЏС….  [9]

Так, одноименные нуклоны ( СЂ — СЂ или Рї — Рї) РјРѕРіСѓС‚ соединиться лишь РІ том случае, если РѕРЅРё обладают противоположно направленными спинами.

Применение принципа Паули Рє объяснению некоторых особенностей строения атомного СЏРґСЂР° РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє выводу, что нуклоны РІ СЏРґСЂРµ, так же как электроны РІ электронной оболочке атома, расположены РЅР° энергетических оболочках — СѓСЂРѕРІРЅСЏС….  [10]

Таким образом, с точки зрения современной теории необходимо всегда учитывать принцип запрета Паули наряду с обычными межэлектронными силами и взаимодействиями атомных ядер.

Можно легко показать, что применение принципа Паули приводит к тем же выводам, что и метод валентных связей. Общая методика заключается в следующем.

Предполагается, что валентные электроны находятся РЅР° соответствующих атомных s -, p — Рё d — орбита-лях.  [11]

Пользуясь этим принципом, можно решить задачу РјРЅРѕРіРёС… электронов, располагая РёС… поочередно РІ различные квантовые состояния. Следует отметить, что Рё применение принципа Паули РІ теории Бора РЅРµ дает возможности решить многоэлектронную проблему.  [12]

Рассматриваются эффективные сечения обменных столкновений быстрых нуклонов с дейтронами.

При рассмотрении используются экспериментальные данные о столкновениях свободных нуклонов.

Показывается, что влияние СЃРІСЏР·Рё частиц РІ дейтроне Рё применение принципа Паули дают возможность экспериментально установить СЃРїРёРЅРѕРІСѓСЋ Зависимость обменных СЃРёР» РїСЂРё сопоставлении сечений обменных столкновений нуклонов СЃ дейтронами Рё СЃРѕ свободными нуклонами.  [13]

Страницы:      1

Источник: https://www.ngpedia.ru/id315354p1.html

Ссылка на основную публикацию