Строение вещества. ядерная модель строения атома. состояние электрона в атоме. заполнение электронами орбиталей, принцип наименьшей энергии, правило клечковского, принцип паули, правило хунда

Физика звезд

Как ни странно, законы поведения элементарных частиц простираются далеко за пределы микромира. Например, внутренним миром стареющих звезд занимается звездная физика. Принцип Паули работает и здесь, только его понимают немного иначе. Теперь данное правило говорит о том, что в определенном пространственном объеме имеется возможность расположиться лишь двум элементарным частицам с противоположными спинами. Особенно наглядно этот закон действует при наблюдении за стареющими звездами. Как известно, после взрыва сверхновая звезда стремительно коллапсирует, но далеко не все звезды при этом превращаются в черные дыры. При повышении порога предельной плотности (а для стареющей звезды это значение составляет порядка 107 кг/м3) внутреннее давление космического тела начитает стремительно расти. Данный процесс имеет особый научный термин – давление вырожденного электронного газа. Таким образом, звезда прекращает терять свой объем и превращается в небольшое небесное тело размером с нашу Землю. Такие звезды в астрофизике называются белыми карликами.

Вольфганг Паули

Этот знаменитый австрийский физик родился в Вене в 1869 году. В Мюнхенском университете он получил отличное всестороннее образование, но все свои научные труды посвятил квантовой физике. В двадцатилетнем возрасте Паули пишет обзорную статью для Физической энциклопедии, многие страницы которой и в наше время являются актуальными. Его научные работы редко публиковались, важнейшие свои мысли и гипотезы Паули озвучивал в переписке со своими коллегами по научной деятельности. Наиболее оживленная переписка велась с Н. Бором и В. Гейзенбергом. Именно совместная работа трех этих ученых положила начало основам современной квантовой физики. Основываясь на данных экспериментов этих трех виднейших ученых, свой принцип Паули и сформировал. За него в 1945 году австрийский ученый получил Нобелевскую премию.

§ 2. Физические основы периодической системы элементов Д. И. Менделеева

Принцип Паули, примененный к атому, утверждает,
что в любом атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором
квантовых чисел n, l, m_l, m_s
(9.5). Исходя из этого принципа, можно понять построение периодической
системы элементов Д. И. Менделеева. Химические свойства атомов
определяются внешними (валентными) электронами.
Заполнение электронами квантовых состояний в атоме при учете принципа
Паули приводит к периодически изменяющемуся с ростом
зарядового числа Z характеру заполнения
квантовых состояний валентными электронами. Этим и объясняется
периодическое повторение химических свойств элементов. Поясним
сказанное на примере первых одинадцати элементов периодической
системы элементов Менделеева.

У водорода
(H) один электрон, зарядовое число Z
= 1, т.е. заряд ядра равен элементарному заряду +e.
Состояния атома водорода без учета спина были нами разобраны в
лекции N 8. В основном состоянии атома водорода квантовое число
n = 1, l = 0, m_l = 0.
Квантовое число m_s может быть
как +1/2, так и -1/2.
Говорят, что электронная конфигурация основного состояния атома
водорода 1s. Энергия связи 1s
электрона равна 13,6 эВ.

У атома гелия
(He) зарядовое число Z =
2 и два электрона. Наборы квантовых чисел электронов отличаются
квантовым числом m_s; у одного
из электронов m_s=+1/2, у другого
m_s=-1/2 (при n
= 1, l = m_l = 0). Электронная
конфигурация гелия 1s2. Это означает,
что в 1s состоянии находятся два электрона
с противоположными спинами. Электроны, имеющие одинаковое главное
квантовое число n, образуют оболочку.
В гелии оболочка с n = 1 заполняется полностью, 
поэтому  гелий химически инертен. Энергия  ионизации
гелия равна 24,6 эВ.

Литий
(Li) имеет зарядовое число
Z = 3 и, соответственно, три электрона. Электронная конфигурация
лития 1s22s, это значит, что
третий электрон находится на второй оболочке, т.к. опуститься
на первую ему запрещает принцип Паули. Энергия связи этого электрона
невелика (5,4 эВ) и литий химически активен.

Бериллий
(Be). У него четыре электрона заполняют
1s и 2s состояния,
находясь в них с противоположными спинами. Электронная конфигурация
бериллия 1s22s2.

От бора (B)
до неона (Ne)
происходит последовательное заполнение 2p
состояний (n = 2, l = 1, m_l =
-1, 0 +1, m_s = ±1/2 — всего 6 состояний).

У неона
электронная конфигурация 1s22s22p6,
здесь завершено заполнение оболочки с n = 2,
поэтому неон, как и гелий, химически инертен.

Натрий
(Na). У него одиннадцать электронов, одиннадцатый
начинает новую оболочку, попадая в 3s состояние.
Энергия связи этого электрона невелика (5,1 эВ)
и натрий, как и литий, химически очень активен.

На этом мы остановимся. Принцип заполнения электронами
состояний в первом приближении понятен из разобранных примеров.
В заключении приведем схему заполнения
электронами квантовых состоянийпервых одиннадцати атомов (рис. 9.1).

Рис. 9.1

На этой схеме стрелочками обозначены направления
проекций спинов электронов на ось z. Стрелка
вверх соответствует значению спинового квантового числа 
m_s=+1/2, стрелка вниз означает,
что m_s=-1/2.