Paulijev princip isključenja

Četiri kvantna broja

Bilo koji elektron u atomu okarakterisan je sa četiri kvantna broja:

Godine 1925. formulisao je Pauli sledeći važan princip (isključenja):

Da nije tako, svi bi elektroni mogli da se smeste u osnovno stanje, i fizika bi bila znatno drugačija! U realnosti, elektroni moraju da redom popunjavaju nivoe. Oni najudaljeniji učestvuju u hemijskim vezama. Kad se popuni jedan energetski nivo, elektron traži slobodno mesto u gornjem i tako redom.

Orbital

Orbital je po definiciji stanje jednog elektrona okarakterisano sa tri kvantna broja: $n$, $\ell$, $m_{\ell }$. Vidimo: može postojati samo dva elektrona u jednom orbitalu. Oni se razlikuju samo po spinu: Za prvi važi $m_{s}=+1/2$, a za drugi $m_{s}=-1/2$. U sledećoj Tabeli vidimo raspored elektrona za prva tri broja $n$.

Dozvoljeni kvantni brojevi za atome do n=3

Strelice označavaju spin orijentisan gore, i dole. Sa $n=1$ mogu postojati dva elektrona. Sa $n=2$ mogu postojati osam elektrona. Sa $n=3$ mogu postojati osamnaest elektrona. Svaka ljuska može da smesti

Elektronske konfiguracije

Pogledajmo elektronsku konfiguraciju za nekoliko elemenata.

Vodonik.

Vodonik ima jedan elektron. On popuni $1s^{1}$ stanje. To znači da su kvantni brojevi tog elektrona: $n=1$, $\ell =0$, $m_{s}=1/2$.

Helijum.

Helijum ima dva elektrona. Nalaze se u osnovnom stanju, s brojevima $1,0,0,1/2$ i $1,0,0,-1/2$. Zbog toga je oznaka elektronske konfiguracije $1s^{2}$. Ljuska K je dakle puna.

Litijum.

Vidimo da je njegova elektronska konfiguracija $1s^{2}2s^{1}$. Preskočimo berilijum i bor, a pogledajmo posebno važni primer ugljenika.

Ugljenik.

Ugljenik ima 6 elektrona. $2p$ elektrona imaju neuparene spinove, jer je tako energetski povoljnije.

Hundovo pravilo

Već kod ugljenika, popunjavanje elektrona se odvija uz poštovanje tzv Hundovog pravila:

Struktura elektronskih konfiguracija za elemente od litijuma do neona prikazana je u donjoj šemi:

Popuna elektronskih stanja mora da se odvija po Paulijevom principu i Hundovom pravilu

Elektronske konfiguracije svih elemenata

Donja Tabela daje elektronske konfiguracije svih elemenata.

Paulijev princip i Mendeljejeva tablica

Paulijev princip objašnjava Mendeljejev raspored elemenata! Elementi vertikalne kolone u periodnom sistemu imaju slične hemijske osobine. Tako, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn ne prave molekule. Oni su inertni. To su plemeniti gasovi. Može se zaključiti: Plemeniti atom nastaje kada je jedna ljuska popunjena a postoji energetski razmak do narednog dozvoljenog nivoa. Vrlo je zanimljiv ovaj grafik:

Jonizaciona energija elemenata u funkciji atomskog broja Z

Data je jonizaciona energija u funkciji atomskog broja Z. Vide se karakteristični razmaci 2,8,8,18,18,32. Ovo je sjano popudarno sa onim što tvrdi Paulijev princip isključenja! Vidimo pikove na mestima plemenitih gasova.