Что такое принцип исключения Паули?

Принцип исключения Паули — это правило квантовой механики, которое объясняет, почему только ограниченное число электронов может занимать любую из орбиталей атома.

Предсказанный австрийским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули в 1920-х годах, принцип исключения лежит в основе фундаментальной химии и помогает объяснить, почему массивные объекты, такие как нейтронные звезды и белые карлики, сопротивляются гравитации, превращающей их в маленькие черные дыры.

Мы знакомы с его эффектами в виде того, что атомы толкают друг друга и входят в структуры, состоящие из молекул, благодаря взаимодействию их электронов.

Но чтобы понять, почему происходит это разделение, нам нужно думать об электронах совершенно неинтуитивным образом, как о практически неразличимых сферах материи и как о размытых волнах возможностей.

Почему электроны не могут быть в одном месте?

Возьмите обычный атом и увеличьте масштаб одного из его электронов.

Эту крошечную точку материи можно описать всего несколькими характеристиками, такими как заряд, масса, угловой момент и расположение вокруг ядра.

Мы также можем описать подобные характеристики, используя простые значения, которые зависят от конкретной энергетической системы. Эти значения представляют собой четыре «квантовых» числа электрона.

Принцип исключения Паули гласит, что два или более связанных электрона не могут иметь одинаковые четыре квантовых числа, находясь в одной системе.

Частицы с одинаковой энергией, магнитным квантовым числом, собственным угловым моментом и орбитальным угловым моментом просто не могут быть в одном и том же месте вокруг центра атома.

Причина этого скорее особенность математики, чем что-либо еще, поэтому ее может быть немного сложно представить.

Чтобы оценить это, нам нужно перестать думать об электронах как о крошечных твердых объектах и помнить, что они больше похожи на мерцающие «призраки», которые еще не придумали, где именно появиться.

Все эти квантовые характеристики можно поместить в уравнение, которое описывает, как судьба этого «призрака» может меняться с течением времени.

Поскольку это неопределенность, уравнение можно представить в виде волны, описывающей рост и падение вероятности.

Если поработать с математикой этой волны, можно обнаружить несколько фактов. Любые две частицы, находящиеся на одинаковом уровне энергии вокруг ядра – с идентичными характеристиками – не будут вести себя совсем как электроны. Уравнение теперь выглядело бы по-другому и больше соответствовало бы тому, как мог бы выглядеть фотон света.

Изменив квантовое число в одном из электронов, например, придав ему спин, направленный в противоположном направлении, мы можем снова сделать волну похожей на электрон.

Другими словами, фундаментальная часть волнового поведения электрона не позволяет им идеально перекрываться друг с другом. Это принцип идентичности, который применим не только к электронам, но и ко всем субатомным частицам, принадлежащим к группе фермионов (частицы с полуцелым спином).

Правило квантовых чисел помогает нам лучше понять физику химии. Например, только два электрона могут находится вместе на нижней орбитали атома, каждый из которых имеет один из двух видов спинового числа.

Дальше все становится сложнее. Дальше есть больше вариантов изменения квантовых чисел, что позволяет определенному количеству электронов занимать пространство.

Химики хорошо знают эти числа электронов, поскольку они определяют, как различные элементы могут перекрываться и образовывать связи.

Астрономы также отмечают последствия этого принципа исключения: требуется невероятное количество энергии, чтобы заставить электроны попасть в пространства, в которых они обычно не движутся, например, внутрь протонов, что помогает объяснить работу экзотических объектов, таких как нейтронные звезды.

Но если нажать достаточно сильно, они могут потерять всякую индивидуальность, слившись в пространство черной дыры.