Paulijeva načela u fizici i kemiji: značajke primjene

Povijest atomske fizike ima mnogo uspona i padova. Ali zahvaljujući tehničkom napretku, svaka pretpostavka koja je nastala u umovima teoretičara mogla bi se testirati u laboratoriju. Budući da mnogi aspekti ponašanja elementarnih čestica još uvijek nisu podložni zakonima logike, znanstvenici-otkrivači mikrosvijeta pristali su ih prihvatiti "kakvi jesu", bez objašnjavanja razloga. Princip Paulija odnosi se na rezultate onih eksperimenata koji još nisu pronašli svoje jedino objašnjenje.

Kontradikcije u teoriji atoma

Jedna od najčešćih zabluda u atomskoj fizici bio je planetarni atomski model koji je predložio engleski znanstvenik. Ernest Rutherford. Na kraju se ispostavilo da to nije posve pouzdano, ali je omogućilo da se izvuku mnogi ispravni zaključci da su njegove koristi neupitne. Jedna od glavnih kontradikcija Rutherfordovog atoma bila je sposobnost elektrona do zračenja. Kao rezultat gubitka energije, svaki elektron je na kraju morao zaustaviti svoje kretanje i pasti u jezgru. Ali svaki atom (osim radioaktivnog) inherentno je stabilan, može postojati arbitrarno dugo i ne pokazuje nikakve znakove samouništenja. Kako bi riješio taj problem, on je iskoristio talent briljantnog danskog fizičara Nielsa Bohra.

Bohrova teorija

Godine 1913. mladi nepoznati fizičar iz Danske predložio je da u klasičnu fiziku uključi dvije promjene, uz pomoć kojih je bilo moguće objasniti činjenice opažanja i napraviti mnoga korisna otkrića. Bohr nije mogao objasniti uzrok ponašanja elektrona u orbiti, pa je načelo "kao što je" stavljeno u temelj njegovih pravila. Ta su pravila kasnije poslužila kao dobra usluga i otvorila put novim otkrićima.

Bohrova pravila

Prvo pravilo je bilo to planetarni model atoma, koju je predložio Rutherford i dalje je istina. No, elektroni se kreću u svojim orbitama bez zračenja. Drugo Bohrovo pravilo kaže da je kretanje elektrona moguće samo uz određene "dopuštene" orbite. Za elektroni koji se kreću duž dopuštene orbite, produkt impulsa i radijus ove orbite uvijek je višestruk od Plankove konstante. Tako se elektronske orbite mogu nalaziti samo na njima razine energije za koje vrijedi sljedeće pravilo:

(opseg elektronskog momenta * opseg orbite) = n * h,

gdje je h konstantna daska, a n je prirodni broj. Tako, uz najmanju dozvoljenu orbitu, n = 1. Treće pravilo kaže da se elektroni atoma mogu pomicati (na primjer, bombardirajući ih teškim česticama) na slobodnu vanjsku orbitu. Nakon toga se elektron može vratiti na slobodnu unutarnju orbitu. U tom slučaju atom emitira višak energije u obliku kvanta svjetlosti.

Kvantne granice

Borovo kvantno pravilo pretpostavlja da elektroni koji su najbliži jezgri imaju najmanju dozvoljenu orbitu. Na toj razini elektron ima minimalnu energiju. Moglo bi se očekivati ​​da će svi elektroni u atomu morati zauzeti ovu orbitu i ostati na toj razini. Međutim, to se ne događa. Princip Paulija pomogao je objasniti ovu kontradikciju.

Wolfgang pauli

Ovaj poznati austrijski fizičar rođen je u Beču 1869. Na sveučilištu u Münchenu dobio je izvrsno sveobuhvatno obrazovanje, ali je posvetio sve svoje znanstvene radove kvantnoj fizici. U dobi od dvadeset godina, Pauli je napisao pregledni članak za Fizičku enciklopediju, čije su mnoge stranice i danas relevantne. Njegovi znanstveni radovi rijetko su objavljivani, njegove najvažnije misli i hipoteze izražavane su u korespondenciji s njegovim znanstvenim kolegama. Najživlje dopisivanje provedeno je s N. Bohrom i V. Heisenbergom. To je bio zajednički rad triju znanstvenika koji su postavili temelje za temelje moderne kvantne fizike. Na temelju eksperimentalnih podataka trojice istaknutih znanstvenika, Pauli je stvorio vlastiti princip. Za njega je 1945. austrijski znanstvenik dobio Nobelovu nagradu.

Elektronsko gibanje

Istražujući gibanje elektrona, V. Pauli naišao je na mnogo čudnih trenutaka u ponašanju ove elementarne čestice. Na primjer, elektroni se pri kretanju ponašaju kao da se rotiraju oko svoje osi. Pravi trenutak rotacije elektrona naziva se spin. Na jednom mjestu u orbiti mogu se smjestiti dva elektrona, a njihovi spinovi bi trebali biti suprotni. jedni drugima kao načelo Paulija. Fizika tog ograničenja vrijedi ne samo za elektrone, već i za druge čestice s polu-cjelobrojnom spinom.

Periodni sustav i Paulijev princip

Kemija je koristila načelo nesigurnosti kako bi objasnila unutarnju strukturu tvari. Sada postaje razumljivo zašto u prvom redu periodnog sustava postoje samo dva elementa. I vodik i helij imaju na raspolaganju jednu nižu orbitu u kojoj postoji samo jedno dvostruko mjesto za elektrone s suprotnim spinovima. Sljedeća orbita sadrži osam takvih mjesta. Stoga je u drugom redu periodičkog sustava bilo moguće uzeti osam elemenata. Ovaj se uzorak proteže na sve serije periodičkog sustava.

Fizika zvijezda

Čudno je da se zakoni ponašanja elementarnih čestica protežu daleko izvan mikrosvijeta. Primjerice, zvjezdana fizika bavi se unutarnjim svijetom zvijezda starenja. Princip Paulija djeluje ovdje, samo što se shvaća malo drugačije. Ovo pravilo kaže da u određenom prostornom volumenu postoji mogućnost da se smjesti samo na dvije elementarne čestice s suprotnim spinovima. Osobito je jasno da ovaj zakon vrijedi kada se promatraju zvijezde starenja. Kao što znate, nakon eksplozije zvijezda supernove se brzo sruši, ali ne sve zvijezde pretvaraju se u crne rupe. S povećanjem praga granične gustoće (i za staru zvijezdu ta vrijednost je reda veličine 10 ⁷ kg / m3), unutarnji tlak kozmičkog tijela ubrzano raste. Ovaj proces ima poseban znanstveni pojam - tlak degeneriranog elektronskog plina. Dakle, zvijezda prestaje gubiti svoj volumen i pretvara se u malo nebesko tijelo veličine naše Zemlje. Takve zvijezde u astrofizici nazivaju se bijeli patuljci.

rezultati

Načelo nesigurnosti jedan je od prvih zakona novog tipa, koji se razlikuje od svih ideja o svijetu oko kojeg znamo. Novi zakoni bitno se razlikuju od pravila klasične fizike koja nam je poznata od djetinjstva. Ako su stara pravila govorila o tome što se može dogoditi kada se poduzmu određene radnje, tada zakoni nove vrste ukazuju da se nešto ne bi trebalo dogoditi.

Algoritmi za rješavanje mnogih problema trebaju se temeljiti na blago modificiranom Paulijevom principu. Na samom početku odvajanja nemogućih rješenja problema, postoji šansa da se pronađe jedini ispravan odgovor. Praktična primjena načela nesigurnosti značajno smanjuje vrijeme potrebno za računalnu obradu informacija. Ranije poznato samo u krugu teoretskih fizičara, Paulijev princip odavno je otišao izvan granica kvantne fizike, označavajući time nove metode proučavanja prirodnih zakona.