Paulijevo načelo v fiziki in kemiji: značilnosti aplikacije

Zgodovina atomske fizike ima veliko vzponov in padcev. Toda zahvaljujoč tehničnemu napredku se lahko vsaka predpostavka, ki je nastala v glavah teoretikov, preizkusi v laboratoriju. Ker številni vidiki vedenja elementarnih delcev še vedno niso podvrženi logiki logike, so se znanstveniki-raziskovalci mikrosvetov strinjali, da jih sprejmejo "kot so", ne da bi razložili razloge. Princip Paulija se nanaša na rezultate tistih poskusov, ki še niso našli edine razlage.

Protislovja v teoriji atomov

Ena najpogostejših napačnih predstav v atomski fiziki je bil planetarni model atomov, ki ga je predlagal angleški znanstvenik. Ernest Rutherford. Na koncu se je izkazalo, da ni povsem zanesljiva, vendar je omogočila, da je bilo mogoče pripraviti toliko pravilnih zaključkov, da so njene koristi nesporne. Ena od glavnih protislovij Rutherfordovega atoma je bila sposobnost elektronov za sevanje. Zaradi izgube energije je moral vsak elektron sčasoma ustaviti svoje gibanje in pasti v jedro. Vendar pa je vsak atom (razen radioaktivnega) sam po sebi stabilen, lahko obstaja poljubno dolgo in ne kaže nobenih znakov samouničenja. Za rešitev tega problema je prevzel talent briljantnega danskega fizika Nielsa Bohra.

Bohrovska teorija

Leta 1913 je mladi neznani fizik iz Danske predlagal vključitev dveh sprememb v klasično fiziko, s pomočjo katerih je bilo mogoče razložiti dejstva opazovanj in narediti veliko uporabnih odkritij. Bohr ni mogel razložiti vzroka obnašanja elektronov v orbiti, zato je načelo "kot je" postavljeno v osnovo njegovih pravil. Ta pravila so kasneje služila dobri službi in utrla pot novim odkritjem.

Bohrova pravila

Prvo pravilo je bilo to planetni model atoma, Rutherford še vedno drži. Elektroni v njem pa se gibljejo po orbiti brez sevanja. Drugo Borovsko pravilo pravi, da je gibanje elektronov možno le ob določenih "dovoljenih" orbitah. Za elektron, ki se giba po dovoljeni orbiti, je produkt impulza in polmer te orbite vedno večkratnik Plankove konstante. Tako se lahko elektronske orbite nahajajo le na teh energije za katero velja naslednje pravilo:

(elektronski moment * obseg orbite) = n * h,

kjer je h konstantna deska, in n je naravno število. Torej, z najmanjšo dovoljeno orbito, n = 1. Tretje pravilo pravi, da je mogoče elektrone atomov premakniti (na primer z bombardiranjem s težkimi delci) na prosto zunanjo orbito. Po tem se elektron vrne na prosto notranjo orbito. V tem primeru atom oddaja presežek energije v obliki kvanta svetlobe.

Kvantne meje

Bohrovo kvantno pravilo predpostavlja, da imajo elektroni, ki so najbližje jedru, najmanjšo dovoljeno orbito. Na tej ravni ima elektron minimalno energijo. Lahko bi pričakovali, da bi morali vsi elektroni v atomu zasedati to orbito in ostati na tej ravni. Vendar se to ne zgodi. Princip Paulija je pomagal razložiti to protislovje.

Wolfgang pauli

Ta znani avstrijski fizik se je rodil na Dunaju leta 1869. Na univerzi v Münchnu je prejel odlično izobrazbo, vendar je vsa svoja znanstvena dela posvetil kvantni fiziki. Pri dvajsetih letih je Pauli napisal pregledni članek za Fizično enciklopedijo, katerega številne strani so še danes pomembne. Njegovi znanstveni članki so bili redko objavljeni, njegove najpomembnejše misli in hipoteze so bile izražene v korespondenci z znanstveniki. Najbolj živahna korespondenca je potekala z N. Bohrom in V. Heisenbergom. Skupno delo teh treh znanstvenikov je postavilo temelje za temelje sodobne kvantne fizike. Na podlagi eksperimentalnih podatkov teh treh uglednih znanstvenikov je Pauli oblikoval svoje načelo. Za njega je leta 1945 avstrijski znanstvenik prejel Nobelovo nagrado.

Elektronsko gibanje

V raziskavi gibanja elektrona je V. Pauli naletel na veliko čudnih trenutkov v obnašanju tega elementarnega delca. Na primer, elektroni se pri gibanju obnašajo kot da se vrtijo okoli svoje osi. Pravilen moment vrtenja elektrona se imenuje spin. Na enem mestu v orbiti se lahko vstavita dva elektrona in njuna vrta mora biti nasprotna. drug drugemu kot je načelo Paulija. Fizika te omejitve velja ne le za elektrone, temveč tudi za druge delce s pol-celoštevilsko spinsko vrednostjo.

Periodni sistem in Paulijev princip

Kemija je uporabila načelo negotovosti za razlago notranje strukture snovi. Zdaj je razumljivo, zakaj so v prvi vrstici periodnega sistema le dva elementa. Oba vodika in helija imata na razpolago eno samo nižjo orbito, v kateri je le eno dvojno mesto za elektrone z nasprotnimi vrti. Naslednja orbita vsebuje osem takih krajev. Zato je bila v drugi vrsti periodičnega sistema mogočih osem elementov. Ta vzorec sega do vseh serij periodičnega sistema.

Fizika zvezd

Nenavadno je, da zakoni obnašanja osnovnih delcev presegajo mikrosvet. Zvezdna fizika se na primer ukvarja z notranjim svetom starajočih se zvezd. Princip Paulija deluje tukaj, le da je razumljen nekoliko drugače. To pravilo pravi, da v določenem prostorskem obsegu obstaja možnost, da se umiri le do dveh osnovnih delcev z nasprotnimi vrti. Še posebej jasno je ta zakon veljaven pri opazovanju starajočih se zvezd. Kot veste, se po eksploziji zvezda supernove hitro zlomi, vendar se vse zvezde ne spremenijo v črne luknje. S povečanjem praga mejne gostote (in za starajočo se zvezo ta vrednost znaša 10 ⁷ kg / m ³ ) se notranji tlak kozmičnega telesa hitro poveča. Ta proces ima poseben znanstveni izraz - tlak degeneriranega elektronskega plina. Tako zvezda preneha izgubljati svoj volumen in se spremeni v majhno nebesno telo velikosti naše Zemlje. Takšne zvezde v astrofiziki se imenujejo beli palčki.

Rezultati

Načelo negotovosti je eden prvih zakonov novega tipa, ki se razlikuje od vseh idej o svetu, okoli katerega vemo. Novi zakoni se bistveno razlikujejo od pravil klasične fizike, ki so nam znani že od otroštva. Če so stara pravila govorila o tem, kaj se lahko zgodi, ko so sprejeti določeni ukrepi, potem zakoni nove vrste kažejo, da se nekaj ne bi smelo zgoditi.

Algoritmi za reševanje mnogih problemov morajo temeljiti na nekoliko spremenjenem Paulijevem principu. Odpravljanje na samem začetku nemogočih rešitev problemov, obstaja možnost, da najdemo edini pravilen odgovor. Praktična uporaba načela negotovosti bistveno skrajša čas, potreben za računalniško obdelavo informacij. Prej znan le v krogu teoretičnih fizikov, je Paulijevo načelo že zdavnaj prekoračilo meje kvantne fizike in s tem označilo nove metode za proučevanje naravnih zakonov.