Prinsip Pengecualian Pauli

Dalam atom, elektron tidak boleh disusun sesuka hati ke dalam keadaan kuantum. Prinsip pengecualian Pauli menyatakan bahawa dua elektron dalam atom tidak boleh mempunyai set empat nombor kuantum yang sama.

Keadaan elektron dibezakan oleh nombor kuantum

Keadaan elektron atom lazimnya dihuraikan oleh n, l, mₗ dan mₛ. Oleh sebab mₛ bagi elektron hanya boleh bernilai +½ atau −½, satu orbital tertentu boleh memuatkan paling banyak dua elektron, dan kedua-duanya mesti mempunyai unjuran spin yang bertentangan.

Had ini membentuk petala elektron

Apabila bilangan elektron bertambah, elektron baharu tidak semuanya boleh menduduki keadaan tenaga terendah yang sama. Mereka perlu mengisi keadaan lain yang dibenarkan. Corak pengisian inilah antara asas kepada struktur petala, subpetala dan keteraturan sifat unsur dalam jadual berkala.

Kapasiti petala: bagi nombor kuantum utama n, terdapat n² orbital, jadi petala boleh memuatkan paling banyak 2n² elektron, iaitu 2, 8 dan 18 bagi n = 1, 2 dan 3. Angka ini bukan formula empirik yang berdiri sendiri. Ia datang daripada bilangan keadaan kuantum yang tersedia (l = 0 hingga n − 1, dengan 2l + 1 nilai mₗ bagi setiap l) bersama dua nilai mₛ yang dibenarkan oleh prinsip pengecualian. Susunan sebenar unsur yang lebih berat turut dipengaruhi oleh tenaga relatif subpetala.

Prinsip ini lebih umum daripada elektron atom

Pernyataan bahawa dua elektron dalam atom tidak boleh mempunyai keempat-empat nombor kuantum yang sama ialah aplikasi khusus prinsip ini. Secara lebih umum, dua fermion yang benar-benar serupa tidak boleh berada dalam keadaan kuantum satu-zarah yang sama pada masa yang sama.

Model orbital ialah gambaran yang berguna, bukan bebola pada laluan tetap

Rajah kotak orbital dan anak panah spin membantu menunjukkan penghunian keadaan, tetapi elektron tidak bergerak seperti planet pada orbit klasik. Orbital ialah keadaan kuantum yang menerangkan taburan kebarangkalian dan sifat tenaga.

Kaitan dengan tekanan degenerasi

Prinsip yang sama bagi fermion menghasilkan tekanan degenerasi elektron, iaitu tekanan yang tidak bergantung terutamanya pada suhu dan menyokong kerdil putih daripada runtuh.

Sejarah ringkas

Wolfgang Pauli merumuskan prinsip ini pada 1925 untuk menerangkan susunan elektron dalam atom, dan beliau menerima Hadiah Nobel Fizik 1945.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?