Чому на орбіталі атома може знаходитись лише 2 електрони? Принцип Паулі простими словами…
Раніше вже було розказано про дослід Резерфорда, який довів, що майже вся маса атома зосереджена у дуже маленькому ядрі, а електрони перебувають навколо нього. Пізніше Нільс Бор запропонував модель, у якій електрони можуть існувати лише на певних енергетичних рівнях. Вони не можуть рухатися як завгодно. Але це породило нове запитання. Чому на першому рівні може бути лише два електрони? Чому на другому — вісім? Чому всі електрони просто не “набиваються” на найнижчий рівень біля ядра?
Щоб зрозуміти це, потрібно зазирнути у дуже дивний світ — світ квантової фізики.
Що таке квант
У нашому повсякденному житті майже все може змінюватися плавно. Автомобіль може їхати з будь-якою швидкістю. Людина може стояти будь-де у кімнаті. Але у світі атомів усе трошки по-іншому. Там багато речей мають лише певні дозволені значення. Саме це і називають квантовою природою.
Слово “квант” означає найменшу порцію чогось. Наприклад, електрон в атомі не може мати будь-яку енергію. Для нього існують лише певні дозволені енергетичні рівні. Ніби у багатоповерховому будинку: можна стояти лише на поверхах, але не “між” ними.
Саме тому електрони не падають на ядро. Вони можуть існувати лише у дозволених квантових станах, про це було розказано у попередньому відео під назвою Чому електрони не падають у ядро.
Спін електрона
Наукові дослідження показали, що електрон — це не просто маленька кулька. Це квантовий об’єкт із дуже дивними властивостями. Він поводиться одночасно і як частинка, і як хвиля. кожен електрон має набір особливих характеристик — так званих квантових параметрів: енергетичний рівень, тип орбіталі, форма квантового стану, і ще одна загадкова властивість — спін.
Спін дуже спрощено можна уявити як напрямок внутрішнього “обертання”. У електрона є лише два можливі стани: обертання, умовно кажучи, вгору, або обертання вниз.
Принцип Паулі
У 1925 році австрійський фізик Вольфганг Паулі зрозумів: у одному атомі не може існувати два електрони з абсолютно однаковим набором усіх квантових параметрів. Це, як, наприклад, на комп’ютері в одній папці не може існувати двох файлів з абсолютно однаковим ім’ям.
Це правило отримало назву — принцип Паулі.
Що це означає на практиці?
Якщо на певній орбіталі вже є електрон зі спіном вгору, то другий електрон може перебувати там лише зі спіном вниз. ВСЕ! Третього електрону на цій орбіталі вже не може існувати.
Саме тому на одній орбіталі може бути максимум два електрони.
На перший погляд це здається дрібницею. Але саме це правило буквально створює структуру всього матеріального світу. Через принцип Паулі електрони не можуть усі “звалитися” на найнижчий рівень. Вони змушені поступово розселятися по різних орбіталях та енергетичних рівнях.
Саме так виникає знайома нам структура атомів.
Принцип Паулі створює “архітектуру” атома
Наприклад, у атома гідрогену є лише один електрон. У гелію їх два, і перший рівень стає повністю заповненим. Саме тому гелій майже не вступає у хімічні реакції.
А ось у літію вже три електрони. Але на першому рівні місця більше немає. Тому третій електрон змушений перейти на другий енергетичний рівень.
Далі ситуація повторюється знову і знову. Так поступово формується вся періодична таблиця елементів.
Фактично принцип Паулі створює “архітектуру” атома.
Саме через нього: існують електронні оболонки, виникають s-, p-, d- та f-орбіталі, атоми мають різні хімічні властивості, з атомів утворюються молекули, взагалі існує вся хімія.
Без цього правила електрони просто провалилися б на найнижчий рівень біля ядра. Усі атоми були б майже однаковими. Не існувало б води, металів, білків, ДНК, повітря і навіть життя.
Але найцікавіше те, що науковці й досі не можуть пояснити це “по простому”. Це не механічна заборона і не якась сила у звичайному сенсі. Це фундаментальна властивість природи.
Електрони належать до особливого класу частинок — ферміонів. А для ферміонів принцип Паулі є одним із базових законів Всесвіту. Тобто, маленьке квантове правило буквально створює весь світ навколо нас.
І тепер ми можемо перейти до наступного питання: які бувають орбіталі, чому вони мають різну форму і як саме електрони розміщуються всередині атома.