Zasady Pauliego w fizyce i chemii: cechy aplikacji

Historia fizyki atomowej ma wiele wzlotów i upadków. Ale dzięki postępowi technicznemu wszelkie założenia, które powstały w umysłach teoretyków, mogły zostać przetestowane w laboratorium. Ponieważ wiele aspektów zachowania cząstek elementarnych wciąż nie jest możliwych do przyjęcia zgodnie z prawami logiki, pionierzy mikroświata zgodzili się zaakceptować je "tak jak jest", bez wyjaśnienia przyczyn. Zasada Pauliego odnosi się do wyników tych eksperymentów, które nie znalazły jeszcze swojego jedynego wytłumaczenia.

Sprzeczności w teorii atomu

Jednym z najczęstszych nieporozumień w fizyce atomowej był planetarny model atomowy zaproponowany przez angielskiego naukowca. Ernest Rutherford. Ostatecznie okazało się to nie do końca wiarygodne, ale pozwoliło wyciągnąć tak wiele poprawnych wniosków, że jego korzyści były niekwestionowane. Jedną z głównych sprzeczności atomu Rutherforda była zdolność elektronów do promieniowania. W wyniku utraty energii każdy elektron ostatecznie musiał zatrzymać ruch i spaść do jądra. Ale każdy atom (oprócz radioaktywnego) jest z natury stabilny, może istnieć przez arbitralnie długi czas i nie wykazuje żadnych oznak samozniszczenia. Aby rozwiązać ten problem, potrzebny był talent genialnego duńskiego fizyka Nielsa Bohra.

Teoria Bohra

W 1913 r. Młody nieznany fizyk z Danii zaproponował wprowadzenie dwóch zmian do fizyki klasycznej, za pomocą których można było wyjaśnić fakty obserwacji i dokonać wielu użytecznych odkryć. Bohr nie potrafił wyjaśnić przyczyny zachowań elektronów na orbicie, więc zasada "jak jest" została umieszczona w oparciu o jej zasady. Zasady te później służyły dobrą obsługą i utorowały drogę nowym odkryciom.

Bohr rządzi

Pierwsza zasada była taka planetarny model atomu, zaproponowany przez Rutherforda jest nadal prawdziwy. Ale elektrony w nim poruszają się na swoich orbitach bez promieniowania. Druga zasada Bohra stwierdza, że ​​ruch elektronów jest możliwy tylko wzdłuż pewnych "dozwolonych" orbit. Ponieważ elektron porusza się po dozwolonej orbicie, iloczyn impulsu i promienia tej orbity zawsze jest wielokrotnością stałej Plancka. W ten sposób orbity elektronów mogą znajdować się tylko na tych orbitach poziomy energii dla których obowiązuje następująca zasada:

(pęd elektronu * obwód orbity) = n * h,

gdzie h jest stałą deską, a n jest liczbą naturalną. Tak więc, przy najmniejszej dopuszczalnej orbicie, n = 1. Trzecia zasada mówi, że elektrony atomów mogą być przemieszczane (na przykład przez bombardowanie ich ciężkimi cząsteczkami) na wolną zewnętrzną orbitę. Następnie elektron może powrócić na swobodną wewnętrzną orbitę. W tym przypadku atom emituje nadmiar energii w postaci kwantu światła.

Limity kwantowe

Reguła kwantowa Bohra zakłada, że ​​elektrony znajdujące się najbliżej jądra mają najmniejszą dozwoloną orbitę. Na tym poziomie elektron ma minimalną energię. Można oczekiwać, że wszystkie elektrony w atomie będą musiały zająć tę orbitę i pozostać na tym poziomie. Jednak tak się nie dzieje. Zasada Pauliego pomogła wyjaśnić tę sprzeczność.

Wolfgang pauli

Ten słynny austriacki fizyk urodził się w Wiedniu w 1869 roku. Na Uniwersytecie w Monachium otrzymał doskonałą wszechstronną edukację, ale wszystkie swoje prace naukowe poświęcił fizyce kwantowej. W wieku dwudziestu lat Pauli napisał artykuł przeglądowy do Encyklopedii fizycznej, którego wiele stron jest nadal aktualnych. Jego prace naukowe były rzadko publikowane, jego najważniejsze myśli i hipotezy wyrażano w korespondencji z kolegami naukowymi. Najbardziej ożywioną korespondencję prowadzili N. Bohr i V. Heisenberg. To wspólne dzieło tych trzech naukowców położyło podwaliny pod fundamenty współczesnej fizyki kwantowej. Na podstawie danych eksperymentalnych tych trzech wybitnych naukowców Pauli sformułował własną zasadę. Dla niego w 1945 roku austriacki naukowiec otrzymał Nagrodę Nobla.

Ruch elektronu

Badając ruch elektronu, V. Pauli napotkał wiele dziwnych momentów w zachowaniu tej elementarnej cząstki. Na przykład elektrony podczas ruchu zachowują się tak, jakby obracały się wokół własnej osi. Właściwy moment obrotu elektronu nazywamy spinem. W jednym miejscu na orbicie mogą zmieścić się dwa elektrony, a ich spiny powinny być przeciwne. do siebie nawzajem jak stwierdza zasada Pauli. Fizyka tego ograniczenia jest ważna nie tylko dla elektronów, ale także dla innych cząstek o wartości spinów połówkowych.

System okresowy i zasada Pauliego

Chemia zastosowała zasadę niepewności w celu wyjaśnienia wewnętrznej struktury substancji. Teraz staje się całkiem zrozumiałe, dlaczego w pierwszym rzędzie układu okresowego są tylko dwa elementy. Zarówno wodór jak i hel mają do dyspozycji jedną dolną orbitę, w której jest tylko jedno podwójne miejsce dla elektronów z przeciwnymi spinami. Następna orbita zawiera osiem takich miejsc. Dlatego drugi rząd układu okresowego był w stanie przyjąć osiem elementów. Ten wzór rozciąga się na wszystkie serie układu okresowego.

Fizyka gwiazd

Co dziwne, prawa zachowania cząstek elementarnych wykraczają daleko poza mikroświat. Na przykład fizyka gwiazd dotyczy wewnętrznego świata starzejących się gwiazd. Zasada Pauliego działa tutaj, ale jest ona rozumiana trochę inaczej. Teraz zasada mówi, że w pewnym tomie przestrzennym istnieje możliwość osiedlenia się tylko na dwóch elementarnych cząstkach o przeciwnych spinach. Szczególnie wyraźnie to prawo jest ważne przy obserwacji starzejących się gwiazd. Jak wiadomo, po eksplozji gwiazda supernowej szybko się zapada, ale nie wszystkie gwiazdy zamieniają się w czarne dziury. Wraz ze wzrostem progu gęstości granicznej (i dla starzejącej się gwiazdy, ta wartość jest rzędu 10 ⁷ kg / m3), ciśnienie wewnętrzne ciała kosmicznego gwałtownie wzrasta. Proces ten ma specjalne naukowe znaczenie - ciśnienie zdegenerowanego gazu elektronowego. Tak więc gwiazda przestaje tracić swoją objętość i zamienia się w małe ciało niebieskie wielkości naszej Ziemi. Takie gwiazdy w astrofizyce nazywane są białymi karłami.

Wyniki

Zasada niepewności jest jedną z pierwszych praw nowego typu, która różni się od wszystkich koncepcji dotyczących otaczającego nas świata. Nowe prawa różnią się zasadniczo od zasad fizyki klasycznej znanych nam od dzieciństwa. Jeśli stare zasady mówią o tym, co może się stać, gdy podejmowane są pewne działania, wtedy prawa nowego typu wskazują, że coś nie powinno się zdarzyć.

Algorytmy rozwiązywania wielu problemów powinny opierać się na lekko zmodyfikowanej zasadzie Pauliego. Odcinając na samym początku niemożliwe rozwiązania problemów, istnieje szansa na znalezienie jedynej poprawnej odpowiedzi. Praktyczne zastosowanie zasady niepewności znacznie skraca czas wymagany do komputerowego przetwarzania informacji. Wcześniej znany tylko w gronie fizyków teoretycznych, zasada Pauliego już dawno przekroczyła granice fizyki kwantowej, oznaczając w ten sposób nowe metody badania praw natury.