Pauliův princip ve fyzice a chemii: vlastnosti aplikace

Historie atomové fyziky má mnoho vzestupů a pádů. Ale díky technickému pokroku mohl být v laboratoři testován každý předpoklad, který vznikl v myslích teoretiků. Vzhledem k tomu, že mnoho aspektů chování elementárních částic stále nepodléhá zákonům logiky, vědci-objevitelé mikrosvěta se dohodli, že je přijmou "tak, jak je", aniž by vysvětlili důvody. Princip Pauli odkazuje na výsledky těch experimentů, které dosud neobjaly jediné vysvětlení.

Kontradikce v teorii atomů

Jedním z nejčastějších mylných pojmů v atomové fyzice byl planetární atomový model navržený anglickým vědcem. Ernest Rutherford. Nakonec se ukázalo, že není zcela spolehlivá, ale umožnila vyvodit tolik správných závěrů, že jeho výhody jsou nepochybné. Jedním z hlavních rozporů atomu Rutherforda byla schopnost elektronů ozařovat. V důsledku ztráty energie, jakýkoli elektron nakonec musel zastavit jeho pohyb a spadl do jádra. Ale jakýkoli atom (kromě radioaktivního) je ze své podstaty stabilní, může existovat na libovolně dlouhou dobu a nevykazuje žádné známky sebe-destrukce. K vyřešení tohoto problému potřeboval talent vynikajícího dánského fyziků Niels Bohr.

Bohrova teorie

V roce 1913 mladý neznámý fyzik z Dánska navrhl zahrnout dvě změny v klasické fyzice, s jejichž pomocí bylo možné vysvětlit fakta pozorování a učinit mnoho užitečných objevů. Bohr nedokázal vysvětlit příčinu elektronového chování na oběžné dráze, takže princip "jak je" byl uveden do základů jeho pravidel. Tato pravidla později sloužila dobré službě a vydláždila cestu novým objevům.

Bohr pravidla

První pravidlo bylo toto planetární model atomu, navržené Rutherfordovým je stále pravda. Ale elektrony v něm se pohybují na svých oběžných drahách bez záření. Druhé pravidlo Bohr uvádí, že pohyb elektronů je možný pouze po určitých "povolených" oběžných drahách. Pro elektron, který dělá jeho pohyb po povolené oběžné dráze, je produkt impulsu a poloměr této dráhy vždy násobkem Planckovy konstanty. Takže elektronové dráhy mohou být umístěny pouze na těch energetických úrovní pro které platí následující pravidlo:

(elektronový moment * obvod dráhy) = n * h,

kde h je konstantní prkno a n je přirozené číslo. Takže s nejmenší povolenou oběžnou dráhou, n = 1. Třetí pravidlo říká, že elektrony atomů mohou být přesunuty (například bombardováním je těžkými částicemi) na volnou vnější dráhu. Potom se elektron může vrátit na volnou vnitřní dráhu. V tomto případě atom vysílá přebytek energie ve formě kvantového světla.

Kvantová omezení

Bohrské kvantové pravidlo předpokládá, že elektrony, které jsou nejblíže jádru, mají nejmenší povolenou dráhu. Na této úrovni elektron má minimální energii. Člověk by očekával, že všechny elektrony v atomu budou muset obsadit tuto oběžnou dráhu a zůstat na této úrovni. To se však nestane. Princip Pauli pomohl vysvětlit tento rozpor.

Wolfgang pauli

Tento slavný rakouský fyzik se narodil ve Vídni v roce 1869. Na univerzitě v Mnichově získal vynikající komplexní vzdělání, ale věnoval veškeré své vědecké práce kvantové fyzice. Ve věku dvaceti let Pauli napsal článek revizí pro fyzickou encyklopedii, jejíž mnoho stránek je dnes stále relevantní. Jeho vědecké práce byly zřídka publikovány, jeho nejdůležitější myšlenky a hypotézy byly vyjádřeny v korespondenci se svými vědeckými kolegy. Nejrozsáhlejší korespondence byla provedena s N. Bohrem a V. Heisenbergem. Byla to společná práce těchto tří vědců, která položila základy pro základy moderní kvantové fyziky. Na základě experimentálních dat těchto tří významných vědců vytvořil Pauli svůj vlastní princip. Pro něj v roce 1945 získal rakouský vědec Nobelovu cenu.

Elektronový pohyb

Při zkoumání pohybu elektronu se V. Pauli setkal s mnoha zvláštními okamžiky v chování této elementární částice. Například elektrony, když se pohybují, se chovají, jako by se otáčely kolem své osy. Správný moment otáčení elektronu se nazývá spin. Na jednom místě na oběžné dráze se mohou vejít dva elektrony a jejich otáčky by měly být opačné. k sobě navzájem jak uvádí Pauliho princip. Fyzika tohoto omezení platí nejen pro elektrony, ale i pro jiné částice s poločíselnou spinovou hodnotou.

Periodický systém a princip Pauli

Chemie použila princip nejistoty k vysvětlení vnitřní struktury látek. Nyní je zcela pochopitelné, proč jsou v prvním řádku periodické tabulky pouze dva prvky. Jak vodík, tak hélium mají k dispozici jednu spodní dráhu, ve které je pouze jedno dvojité místo pro elektrony s opačnými otáčky. Další orbita obsahuje osm takových míst. Druhý řádek periodického systému tak mohl vzít osm prvků. Tento vzorec se vztahuje na všechny série periodického systému.

Fyzika hvězd

Zdá se, že zákony chování elementárních částic se nacházejí daleko za mikrosvětou. Například hvězdná fyzika se zabývá vnitřním světem stárnoucích hvězd. Zde funguje Pauliův princip, ale jen trochu jinak. Toto pravidlo nyní říká, že v určitém prostorovém objemu existuje možnost usadit se pouze na dvě elementární částice s opačnými otočkami. Zvláště jasně je tento zákon platný při pozorování stárnoucích hvězd. Jak víte, po explozi se hvězda supernovy rychle zhroutí, ale ne všechny hvězdy se změní na černé díry. S nárůstem hranice prahové hustoty (a pro stárnoucí hvězdu, tato hodnota je řádově 10 ⁷ kg / m ³ ), vnitřní tlak kosmického těla se rychle zvyšuje. Tento proces má zvláštní vědecký termín - tlak degenerovaného elektronového plynu. Hvězda tak přestane ztrácet svůj objem a promění se v malé nebeské tělo o velikosti naší Země. Takové hvězdy v astrofyzice se nazývají bílí trpaslíci.

Výsledky

Princip neurčitosti je jedním z prvních zákonů nového typu, který se liší od všech myšlenek o světě kolem kterého víme. Nové zákony se zásadně liší od pravidel klasické fyziky, které jsou nám od dětství známy. Pokud stará pravidla hovořila o tom, co se může stát, když se podniknou určité akce, pak zákony nového typu naznačují, že by se nemělo dělat něco.

Algoritmy pro řešení mnoha problémů by měly být založeny na mírně upraveném principu Pauli. Odstranění od samého počátku nemožné řešení problémů existuje šance najít jedinou správnou odpověď. Praktické použití principu nejistoty výrazně snižuje čas potřebný pro počítačové zpracování informací. Dříve známý pouze v kruhu teoretických fyziků, Pauliův princip dávno překonal hranice kvantové fyziky, čímž naznačil nové metody pro studium přírodních zákonů.