Вехи научных открытий – принцип Паули

Самые значительные достижения физиков прошлого, работавших в области строения вещества

Квантовая суть хорошо знакомых физических понятий, каковыми являются масса, сила, энергия, расширяет представления о природе электронов и других частиц, составляющих атом. И, естественно, чтобы предметно говорить о «кирпичиках мироздания», были созданы инструменты для их описания. С тех пор состояние электрона характеризуют четырьмя числами, которые называют квантовыми. Различные комбинации этих чисел определяют единственный полноценный и неповторимый облик любого электрона. Как только стало возможным описание энергетического, пространственного и внутреннего состояния электрона, на повестке дня встал следующий вопрос – а как электроны, которых в каждом атоме может быть много, располагаются вокруг ядра? Как они там «упакованы»? Исследование этого вопроса привело к формулировке закона, известного теперь как принцип Паули. В чем его суть?

Немножко самообразования

1. Атом в простейшем виде имеет главные компоненты – ядро и электроны, расположенные, соответственно, в центре и на орбитах вокруг ядра. Радиусы орбит (обозначаются n) принимают значения целых чисел, начиная с одного кванта - минимально возможной «порции» расстояния. Для случая, когда n=1, мы имеем минимально «низкую» орбиту, по которой вращается электрон с наименьшей энергией. Энергетический уровень электрона определяется квантовым числом n, которое еще называется главным. Заметим, что для заданного радиуса n можно вычислить число электронов на этой орбите по формуле N=2(n•n). Отсюда легко рассчитывается предельное число электронов на любой орбите с номером n: на первой – два, на второй - восемь, на третьей – восемнадцать и т.д. Данный вывод о наполнении оболочек электронами в количестве, не превышающем N, - это существенный момент, который содержит принцип Паули.

2. Электрон может иметь и энергетические подуровни каждого главного уровня. Они обозначаются символом l, называются побочным (или орбитальным) квантовым числом и могут иметь значение l от 0 до 4. Значение числа l определяет пространственную форму электронного облака : шарообразная, гантелеобразная и т.д.

3. Движение электрона, иначе говоря, протекание тока, приводит к созданию кругового магнитного поля. Но в таком случае электрон имеет орбитальный магнитный момент, который характеризуется очередным, третьим по счету, квантовым числом ml. Оно носит название магнитного квантового числа и является проекцией орбитального момента импульса электрона на направление магнитного поля. Значения, которые может принимать число ml, лежат в диапазоне от –l до +l, с учетом нулевого значения, а всего их может быть (2l + 1).

4. И, наконец, последняя квантовая характеристика электрона - спин. Он содержит только 2 признака ms=+1/2 и ms=-1/2. Физическая суть спина - это момент механического импульса электрона, не имеющий никакой связи с его движением в пространстве.

Связь принципа Паули и периодической системы Д.И. Менделеева

В 1925 году в физике было сделано открытие фундаментального свойства микромира, сравнимое по значимости только с таблицей Д.И.Менделеева. Оно получило имя своего «крестного отца» и с тех пор известно как принцип Паули. Химия как наука о веществах и их взаимодействиях в рамках периодической системы не могла объяснить многие механизмы процессов, имеющих место при объединении атомов, образовании молекул и т.д. Основная причина заключалась в том, что уровень детализации атома, с точки зрения химии, начинался на понятиях атом, электрон, ядро. Эти атомно-молекулярные представления возникли и утвердились примерно 150 лет назад – в позапрошлом веке. Чуть позже А.М. Бутлеров разработал теорию химических соединений, а затем был открыт периодический закон. Это позволило представить рождение молекулы из атомов и давало понимание устройства атомного «хозяйства».

Понимание сущности квантовых характеристик модели электрона стало возможным после того, как был сформулирован принцип Паули. С его помощью получила объяснение картина расположения оболочек и порядок их заполнения электронами. Суть принципа заключается в том, что электроны могут иметь любой набор из указанных выше четырех квантовых признаков, но атом не может иметь в своем составе два электрона, одинаковых по всем квантовым характеристикам.

Главный итог открытия закономерностей строения атома, который содержит в себе принцип Паули, - физика, т.е. природа явления, заключающегося в заполнении оболочек электронами. А это, в свою очередь, дало предпосылки для обоснования периодического закона. Таким образом, «химическое» содержание закономерностей общего строения атома и молекулы получило свое фундаментальное подтверждение в физике путем построения внутренней «архитектуры» атома.