Связь принципа Паули и периодической системы Д.И. Менделеева

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Эффект Паули

 

   Раньше ученые масштаба Исаака Ньютона или Майкла Фарадея успешно сочетали в себе навыки экспериментаторов и теоретиков — сами проводили эксперименты по исследованию различных аспектов физического мира и сами же разрабатывали теории для объяснения полученных ими опытным путем результатов. Те времена прошли. Примерно с начала ХХ столетия узкая специализация, эпидемией пронесшаяся по всем отраслям человеческой деятельности, распространилась и на естествознание, включая физику.

   Сегодня мы видим, что подавляющее  большинство ученых относится к одной из двух категорий — экспериментаторов или теоретиков. Совместить в себе две эти ипостаси в наше время практически невозможно.

Вольфганг Паули был ярко выраженным физиком-теоретиком и, как свойственно многим ученым этой категории, весьма презрительно относился к ученым, марающим руки об экспериментальные установки. Снобизм Паули в отношении экспериментаторов, равно как и его полная неспособность заставить работать даже самую простую экспериментальную установку, вошли в легенду.

   Рассказывают, что стоило ему появиться в физической лаборатории, как какое-нибудь оборудование тут же выходило из строя. Говорят, что чудовищный взрыв в Лейденском университете (Нидерланды) произошел минута в минуту по прибытии Паули в этот город поездом из Цюриха.

Правда всё это или нет, но «эффект Паули» — способность человека разрушительно влиять на эксперимент одним своим присутствием — прочно вошел в физический фольклор. Однако, как и в объяснении Бора, в нем, скорее всего, много преувеличений.

 

                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5. Принцип Паули в примерах

 

   Принцип, носящий его имя, является  одним из основополагающих в  разделе квантовой механики. Проще всего представить себе, в чем именно заключается принцип Паули, если сравнить электроны с автомобилями на многоярусной крытой стоянке. В каждый бокс помещается только одна машина, а после того, как все боксы на нижнем этаже стоянки заняты, автомобилям приходится в поисках свободного места заезжать на следующий этаж. Так же и электроны в атомах — на каждой орбите вокруг ядра их помещается не больше, чем там имеется «парковочных мест», а после того, как все места на орбите заняты, следующий электрон ищет себе место на более высокой орбите.

Далее, электроны ведут себя, условно  говоря, так, будто они вращаются

вокруг своей оси (то есть, обладают собственным моментом вращения, который в этом случае принято называть спином и который может принимать лишь два значения: +1/2 или -1/2). Два электрона с противоположным спином могут занимать одно место на орбите. Это, как если бы в один бокс помещались одновременно машина с правым рулем и машина с левым рулем, а две машины с одинаковым расположением руля не помещались. Вот почему в первом ряду периодической системы Менделеева мы видим всего два атома (водород и гелий): на нижней орбите отведено всего одно сдвоенное место для электронов с противоположным спином. На следующей орбите помещается уже восемь электронов (четыре со спином -1/2, и четыре со спином +1/2), поэтому во втором ряду таблицы Менделеева мы видим уже восемь элементов. И так далее.

Внутри  стареющих звезд температура  настолько высока, что атомы в  основном находятся в ионизированном состоянии, и электроны свободно перемещаются между ядрами. И здесь снова срабатывает принцип запрета Паули, но уже в видоизмененной форме. Теперь он гласит, что в определенном пространственном объеме может одновременно находиться не более двух электронов с противоположным спином и определенными интервалами предельно допустимых скоростей. Однако картина резко изменяется после того, как плотность вещества внутри звезды превысит пороговое значение порядка 107 кг/м3 (для сравнения — это в 10 000 раз выше плотности воды; спичечный коробок такого вещества весит около 100 тонн). При такой плотности принцип Паули начинает выражаться в стремительном росте внутреннего давления в звезде. Это дополнительное давление вырожденного электронного газа, и его проявлением становится тот факт, что гравитационный коллапс старой звезды останавливается после того, как она сжимается до размеров, сопоставимых с размерами Земли. Такие звезды называют белыми карликами, и это последняя стадия эволюции звезд с массой, близкой к массе Солнца.

Выше  описано действие запрета Паули  применительно к электронам, но он действует и в отношении любых элементарных частиц с полуцелым спиновым числом (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.). В частности, спиновое число нейтрона равно, как и у электрона, 1/2. Это значит, что нейтронам, как и электронам, требуется определенное «жизненное пространство» вокруг себя. Если масса белого карлика превышает 1,4 массы Солнца, то силы гравитационного притяжения заставляют протоны и электроны внутри звезды попарно объединяться в нейтроны. Но тогда нейтроны, подобно электронам в белых карликах, начинают производить внутренне давление, которое называется давлением вырожденного нейтронного газа, и в этом случае гравитационный коллапс звезды останавливается на стадии образования нейтронной звезды, диаметр которой сопоставим с размерами большого города. Однако при еще большей массе звезды (начиная примерно с тридцатикратной массы Солнца) силы гравитации сламывают и сопротивление вырожденного нейтронного газа, и звезды коллапсируют дальше, превращаясь в черные дыры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Связь принципа Паули и периодической  системы Д.И. Менделеева

 

Принцип Паули в рамках одночастичного приближения позволяет обосновать периодическую систему химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева, так как наличие в одном состоянии только одного электрона объясняет последовательность заполнения электронных оболочек и связанную с этой последовательностью периодичность свойств элементов. Максимальное число электронов в оболочке с главным квантовым числом n определяется, согласно принципу Паули, числом различных наборов квантовых чисел l, ml, и ms, т.е. равно 2(2l + 1) = 2n2. Отсюда получаются числа заполнения электронных оболочек в порядке возрастания номера оболочки: 2, 8, 18, 32 ... Для эквивалентных электронов атома, то есть электронов с одинаковыми n и l, в силу принципа Паули осуществляются не все возможные состояния, а лишь те, которые различаются ml или ms. Учет принципа Паули необходим также при нахождении разрешенных электронных состояний молекул и молекулярных комплексов. Принцип Паули играет фундаментальную роль в квантовой теории твердого тела, теории ядерных реакций и реакций между элементарными частицами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

Периодическая система Менделеева имеет огромное значение и широко используется в  науке и в повседневной практической жизни.

Вместо разрозненных, не связанных между собой веществ  перед наукой встала единая стройная система, объединившая в одно целое все химические элементы. Закон Менделеева оказал огромное влияние на развитие знаний о строении атома, о природе вещества. Написанный им учебник «Основы химии» представлял собой первое стройное изложение неорганической химии и был переиздан 13 раз. В своем дневнике Дмитрий Иванович так охарактеризовал свои основные научные достижения: «всего более четыре предмета составили мое имя: периодический закон, исследования упругости газов, понимание растворов как ассоциаций и «Основы химии». Тут все мое богатство».

Принцип запрета Паули же представляет собой  яркий пример закона природы нового типа, который определяет, чего в  системе не может произойти. Он объясняет  долго считавшуюся загадочной периодическую  структуру элементов, открытую Д.И. Менделеевым

 

 

 

Библиографический список.

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания // под ред. Жукова М.Ф. Новосибирск, ООО Издательство ЮКЭА, 2000год.

2. Габрилян О.С., Маскаев Ф.Н. - Химия //М., 2004 год.

3.Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутулина В.Н. Естествознание// М., АГАР, 2005год.

4. Шиманович И.Е., Павлович М.Л., Общая химия в формулах// М., Гардарики, 2004г.