Вехі навуковых адкрыццяў - прынцып Паўлі

Самыя значныя дасягненні фізікаў мінулага, якія працавалі ў галіне будовы рэчыва на ўзроўні электронна-ядзерных уяўленняў, ставяцца да пачатку мінулага стагоддзя. Адзін з такіх прарываў у пазнанні мікрасвету вядомы ў гісторыі навукі пад назвай «прынцып Паўлі». Да таго часу стала зразумела, што квантавая прырода з'яў, якія адбываюцца ў межах атама, рэзка мяняе многія паняцці аб рэаліях мікрасвету. І што ж гэта такое - квант? Гэта нейкая адзінка вымярэння фізічнай велічыні ў выглядзе яе мінімальнай «порцыі», менш якой быць ня можа. Напрыклад, радыус першай электроннай арбіты не можа быць менш 5,29 · 10-11 м. Аб адлегласцях менш гэтай велічыні казаць некарэктна - іх як бы не існуе.

Квантавая сутнасць добра знаёмых фізічных паняццяў, якімі з'яўляюцца маса, сіла, энергія, пашырае ўяўленні пра прыроду электронаў і іншых часціц, якія складаюць атам. І, натуральна, каб прадметна гаварыць пра «цаглінкі светабудовы», былі створаны інструменты для іх апісання. З тых часоў стан электрона характарызуюць чатырма лікамі, якія называюць квантавымі. Розныя камбінацыі гэтых лікаў вызначаюць адзіны паўнавартасны і непаўторнае аблічча любога электрона. Як толькі стала магчымым апісанне энергетычнага, прасторавага і ўнутранага стану электрона, на парадку дня ўстаў наступнае пытанне - а як электроны, якіх у кожным атаме можа быць шмат, размяшчаюцца вакол ядра? Як яны там «спакаваныя»? Даследаванне гэтага пытання прывяло да фармулёўкі закона, вядомага зараз як прынцып Паўлі. У чым яго сутнасць?

трошкі самаадукацыі

1. Атам у найпростым выглядзе мае галоўныя кампаненты - ядро і электроны, размешчаныя, адпаведна, у цэнтры і на арбітах вакол ядра. Радыусы арбіт (абазначаюцца n) прымаюць значэння цэлых лікаў, пачынаючы з аднаго кванта - мінімальна магчымай «порцыі» адлегласці. Для выпадку, калі n = 1, мы маем мінімальна «нізкую» арбіту, па якой круціцца электрон з найменшай энергіяй. Энергетычны ўзровень электрона вызначаецца квантавым лікам n, якое яшчэ называецца галоўным. Заўважым, што для зададзенага радыусу n можна вылічыць лік электронаў на гэтай арбіце па формуле N = 2 (n • n). Адсюль лёгка разлічваецца лімітавае лік электронаў на любы арбіце з нумарам n: на першай - два, на другі - восем, на трэцяй - васемнаццаць і г.д. Дадзеная выснова пра напаўненне абалонак электронамі ў колькасці, якi не перавышае N, - гэта істотны момант, які змяшчае прынцып Паўлі.

2. Электрон можа мець і энергетычныя подуровней кожнага галоўнага ўзроўню. Яны абазначаюцца сімвалам l, называюцца пабочным (або арбітальным) квантавым лікам і могуць мець значэнне l ад 0 да 4. Значэнне колькасці l вызначае прасторавую форму электроннага аблокі: шарападобная, гантелеобразная і г.д.

3. Рух электрона, інакш кажучы, праходжанне току, прыводзіць да стварэння кругавога магнітнага поля. Але ў такім выпадку электрон мае арбітальны магнітны момант, які характарызуецца чарговым, трэцім па ліку, квантавым лікам ml. Яно носіць назву магнітнага квантавага ліку і з'яўляецца праекцыяй арбітальнага моманту імпульсу электрона на кірунак магнітнага поля. Значэння, якія можа прымаць лік ml, ляжаць у дыяпазоне ад -l да + l, з улікам нулявога значэння, а ўсяго іх можа быць (2l + 1).

4. І, нарэшце, апошняя квантавая характарыстыка электрона - спін. Ён змяшчае толькі 2 прыкметы ms = +1 / 2 і ms = -1 / 2. Фізічная сутнасць спіна - гэта момант механічнага імпульсу электрона, які не мае ніякай сувязі з яго рухам у прасторы.

Сувязь прынцыпу Паўлі і перыядычнай сістэмы Д.І. Мендзялеева

У 1925 годзе ў фізіцы было зроблена адкрыццё фундаментальнага ўласцівасці мікрасвету, якую можна параўнаць па значнасці толькі з табліцай Д.И.Менделеева. Яно атрымала імя свайго "хроснага бацьку" і з тых часоў вядома як прынцып Паўлі. Хімія як навука аб рэчывах і іх узаемадзеяннях ў рамках перыядычнай сістэмы не магла растлумачыць шматлікія механізмы працэсаў, якія маюць месца пры аб'яднанні атамаў, адукацыі малекул і г.д. Асноўная прычына заключалася ў тым, што ўзровень дэталізацыі атама, з пункту гледжання хіміі, пачынаўся на паняццях атам, электрон, ядро. Гэтыя атамна-малекулярныя прадстаўлення паўсталі і зацвердзіліся прыкладна 150 гадоў таму - у пазамінулым стагоддзі. Крыху пазней А.М. Бутлер распрацаваў тэорыю хімічных злучэнняў, а затым быў адкрыты перыядычны закон. Гэта дазволіла прадставіць нараджэнне малекулы з атамаў і давала разуменне прылады атамнага «гаспадаркі».

Разуменне сутнасці квантавых характарыстык мадэлі электрона стала магчымым пасля таго, як быў сфармуляваны прынцып Паўлі. З яго дапамогай атрымала тлумачэнне карціна размяшчэння абалонак і парадак іх запаўнення электронамі. Сутнасць прынцыпу заключаецца ў тым, што электроны могуць мець любы набор з названых вышэй чатырох квантавых прыкмет, але атам не можа мець у сваім складзе два электрона, аднолькавых па ўсіх квантавым характарыстыках.

Галоўны вынік адкрыцця заканамернасцяў будовы атама, які змяшчае ў сабе прынцып Паўлі, - фізіка, г.зн. прырода з'явы, які складаецца ў запаўненні абалонак электронамі. А гэта, у сваю чаргу, дало перадумовы для абгрунтавання перыядычнага закона. Такім чынам, «хімічнае» змест заканамернасцяў агульнага будынка атама і малекулы атрымала сваё фундаментальнае пацверджанне ў фізіцы шляхам пабудовы ўнутранай «архітэктуры» атама.