파울리의 배타원리

원자의 궤도에 있는 전자의 배열은 그것의 전자 구성이라고 합니다. 우리는 정보의 세 조각을 포함하는 기호와 전자 구성을 설명 :

1. 주 양자 쉘의 수, n,
2. 궤도 유형(서브쉘, l)을지정하는 문자 및
3. 특정 하위 쉘의 전자 수를 지정하는 슈퍼스크립트 번호입니다.

예를 들어, 표기 2p^4는 2의 주체 양자 번호(n)를가진 p 서브쉘(l=1)에서 4개의 전자를 나타낸다. 표기3d 8은 n = 3인 주 쉘의 d 서브쉘(l=2)에서 8개의 전자를 ^{나타낸다.}

세 개의 양자 숫자는 전자 궤도를 설명하는 데 효과가 있지만 일부 실험에서는 관찰된 모든 결과를 설명하기에 충분하지 않은 것으로 나타났습니다. 1920년대에 수소선 스펙트럼을 매우 높은 해상도로 검사할 때 일부 라인은 실제로 단일 피크가 아니라 밀접하게 간격이 있는 라인 쌍을 이루는 것으로 입증되었습니다. 이것은 스펙트럼의 소위 미세 구조이며, 전자의 에너지가 동일한 궤도에 있는 경우에도 추가적인 작은 차이가 있음을 의미합니다. 이러한 관찰은 사무엘 Goudsmit와 조지 울렌벡전자가 네 번째 양자 번호를 가지고 있음을 제안하도록 이끌었다. 그들은 이것을 스핀 양자 번호 또는 m_{s라고 불렀습니다.}

적용된 자기장에서 전자는 서로 다른 에너지를 가진 두 가지 가능한 방향을 가지고 있으며, 하나는 스핀업, 자기장과 정렬되고, 하나는 스핀 다운과 정렬되어 그것에 맞습니다.

네 번째 양자 번호, 스핀 양자번호(m_s)는전자의 이 두 가지 상이한 스핀 상태를 설명합니다. 스핀 양자 번호는 두 가지 가능한 값을 가지고 있습니다, -1/2 (스핀 다운) 및 +1/2 (스핀 업).

전자 스핀은 본질적인 전자 “회전” 또는 “회전”을 설명합니다. 각 전자는 작은 자석 또는 각 기량을 가진 작은 회전 물체또는 이 회전 또는 전류가 공간 좌표의 관점에서 관찰할 수 없더라도 전류가 있는 루프로 작용합니다.

전체 전자 스핀의 크기는 하나의 값을 가질 수 있으며 전자는 두 정량화 된 상태 중 하나에서만 “스핀”할 수 있습니다. 하나는 α 상태라고 하며, 스핀의 z 성분은 z축의양수 방향에 있다. 이는 스핀 양자 번호 m_{=+ 1/2에}해당한다. 다른 하나는 β 상태라고하며, 스핀의 z 성분이 음수및 m_s = –¹/_2입니다.

모든 전자는 원자 궤도에 관계없이 스핀 양자 번호의 두 값 중 하나만 가질 수 있습니다. 외부 자기장이 적용되면 다른 스핀을 갖는 전자의 에너지가 다릅니다.

원자의 전자는 네 개의 양자 번호로 완전히 설명됩니다 : n, l, m_l및 m_s. 처음 세 개의 양자 숫자는 궤도를 정의하고 상호 의존적이며, 네 번째 양자 번호는 스핀이라는 본질적인 전자 특성을 설명하므로 다른 양자 번호와 독립적입니다. 오스트리아의 물리학자 볼프강 파울리(노벨 물리학상: 1945년)는 원자에서 전자의 일반적인 행동을 이해하는 데 필요한 정보의 마지막 조각을 제공하는 일반적인 원칙을 공식화했습니다. Pauli 제외 원리는 다음과 같이 공식화 될 수 있습니다 : 동일한 원자에 있는 두 개의 전자는 모든 4 개의 양자 숫자의 정확히 동일한 세트를 가질 수 없습니다. 즉, 두 전자는 동일한 궤도(양자 번호 n, l및 m_l의동일한 세트)를 스핀 양자 번호가 다른 값을 갖는 경우에만 공유할 수 있다는 것입니다. 스핀 양자번호(m_s)는두 값 +1/2 및 -1/2만 가질 수 있기 때문에 두 개 이상의 전자가 동일한 궤도를 차지할 수 없습니다(두 전자가 동일한 궤도에 있는 경우 반대 회전이 있어야 함). 따라서 모든 원자 궤도는 0, 하나 또는 두 개의 전자만 으로 채워질 수 있습니다.

전자 구성의 궤도 다이어그램 스타일은 점유된 서브쉘 내의 각 궤도를 상자 또는 선으로 나타내고 각 전자는 화살표로 나타냅니다. 1s^1의전자 구성인 수소의 궤도 다이어그램은 다음과 같은 것입니다.

위쪽 화살표는 플러스 하프 스핀 또는 스핀업을 나타내며 아래쪽 화살표는 마이너스 반 스핀 또는 스핀 다운을 나타냅니다. 따라서 수소의 궤도 다이어그램에는 위쪽 화살표가 하나 있습니다.

헬륨의 전자 구성은 1s^2이다. 두 전자는 동일한 쉘과 서브쉘에 속하기 때문에 세 개의 동일한 양자 번호를 가지고 있습니다. 그들의 스핀 양자 숫자는 파울리 제외 원칙에 따라 다릅니다. 반대 의 회전을 가진 전자는 동일한 궤도를 차지하는 경우 페어링이라고합니다.

이 텍스트는 오픈 탁스, 화학 2e, 섹션 6.3 : 양자 이론의 개발에서 적응된다.