Віхи наукових відкриттів - принцип Паулі

Найвагоміші здобутки фізиків минулого, які працювали в області будови речовини на рівні електронно-ядерних уявлень, відносяться до початку минулого століття. Один з таких проривів у пізнанні мікросвіту відомий в історії науки під назвою «принцип Паулі». До того часу стало зрозуміло, що квантова природа явищ, що відбуваються в межах атома, різко змінює багато понять про реалії мікросвіту. І що ж це таке - квант? Це якась одиниця виміру фізичної величини у вигляді її мінімальної «порції», менше якої бути не може. Наприклад, радіус першої електронної орбіти не може бути менше 5,29middot-10-11 м. Про відстанях менше цієї величини говорити некоректно - їх ніби не існує.

Квантова суть добре знайомих фізичних понять, якими є маса, сила, енергія, розширює уявлення про природу електронів та інших частинок, складових атом. І, природно, щоб предметно говорити про «кирпичиках світобудови», були створені інструменти для їх опису. З тих пір стан електрона характеризують чотирма числами, які називають квантовими. Різні комбінації цих чисел визначають єдиний повноцінний і неповторний вигляд будь-якого електрона. Як тільки стало можливим опис енергетичного, просторового і внутрішнього стану електрона, на порядку денному постало наступне питання - а як електрони, яких у кожному атомі може бути багато, розташовуються навколо ядра? Як вони там «упаковані»? Дослідження цього питання привело до формулювання закону, відомого тепер як принцип Паулі. У чому його суть?

Трошки самоосвіти

1. Атом в найпростішому вигляді має головні компоненти - ядро і електрони, розташовані, відповідно, в центрі і на орбітах навколо ядра. Радіуси орбіт (позначаються n) приймають значення цілих чисел, починаючи з одного кванта - мінімально можливої «порції» відстані. Для випадку, коли n = 1, ми маємо мінімально «низьку» орбіту, по якій обертається електрон з найменшою енергією. Енергетичний рівень електрона визначається квантовим числом n, яке ще називається головним. Зауважимо, що для заданого радіуса n можна обчислити число електронів на цій орбіті за формулою N = 2 (n•n). Звідси легко розраховується граничне число електронів на будь орбіті з номером n: на першому - два, на другому - вісім, на третьому - вісімнадцять і т.д. Даний висновок про наповнення оболонок електронами в кількості, що не перевищує N, - це суттєвий момент, який містить принцип Паулі.

2. Електрон може мати і енергетичні підрівні кожного головного рівня. Вони позначаються символом l, називаються побічним (або орбітальним) квантовим числом і можуть мати значення l від 0 до 4. Значення числа l визначає просторову форму електронної хмари: куляста, гантелеобразная і т.д.

3. Рух електрона, інакше кажучи, протікання струму, призводить до створення кругового магнітного поля. Але в такому випадку електрон має орбітальний магнітний момент, який характеризується черговим, третім за рахунком, квантовим числом ml. Воно носить назву магнітного квантового числа і є проекцією орбітального моменту імпульсу електрона на напрямок магнітного поля. Значення, які може приймати число ml, лежать в діапазоні від -l до + l, з урахуванням нульового значення, а всього їх може бути (2l + 1).

4. І, нарешті, остання квантова характеристика електрона - спін. Він містить тільки 2 ознаки ms = + 1/2 і ms = -1 / 2. Фізична суть спина - це момент механічного імпульсу електрона, що не має ніякого зв`язку з його рухом у просторі.

Зв`язок принципу Паулі і періодичної системи Д.І. Менделєєва

У 1925 році у фізиці було зроблено відкриття фундаментального властивості мікросвіту, порівнянне за значимістю тільки з таблицею Д. І. Менделєєва. Воно отримало ім`я свого «хрещеного батька» і з тих пір відомо як принцип Паулі. Хімія як наука про речовини та їх взаємодіях в рамках періодичної системи не могла пояснити багато механізмів процесів, що мають місце при об`єднанні атомів, освіті молекул і т.д. Основна причина полягала в тому, що рівень деталізації атома, з точки зору хімії, починався на поняттях атом, електрон, ядро. Ці атомно-молекулярні уявлення виникли і утвердилися приблизно 150 років тому - в позаминулому столітті. Трохи пізніше А.М. Бутлеров розробив теорію хімічних сполук, а потім був відкритий періодичний закон. Це дозволило представити народження молекули з атомів і давало розуміння пристрою атомного «господарства».

Розуміння сутності квантових характеристик моделі електрона стало можливим після того, як був сформульований принцип Паулі. З його допомогою отримала пояснення картина розташування оболонок і порядок їх заповнення електронами. Суть принципу полягає в тому, що електрони можуть мати будь-який набір із зазначених вище чотирьох квантових ознак, але атом не може мати у своєму складі два електрони, однакових за всіма квантовим характеристикам.

Головний підсумок відкриття закономірностей будови атома, який містить в собі принцип Паулі, - фізика, тобто природа явища, що полягає у заповненні оболонок електронами. А це, в свою чергу, дало передумови для обгрунтування періодичного закону. Таким чином, «хімічне» зміст закономірностей загальної будови атома і молекули отримало своє фундаментальне підтвердження у фізиці шляхом побудови внутрішньої «архітектури» атома.