🍟 👉🏾 🤚🏾 اسأل إيثان رقم 36: إلكترون دوار مذهل 🖨️ 👵🏻 🐭

يسأل القارئ:

عندما قرأت إجابتك عن الليزر ، تذكرت سؤالي القديم عن مبدأ باولي. كما أفهمها ، بالنسبة لإلكترونين في جزيء هيدروجين ، يجب أن تكون السبين متعاكسة. هل يعني هذا أنه أثناء تكوين الجزيء ، تغير الإلكترونات دورانها ، أو لا يمكن إلا للإلكترونات ذات السبينات المعاكسة أن تشكل الجزيء؟

هناك الكثير مما يمكن قوله عن هذا ، فلنبدأ بمبدأ حظر باولي.

على الرغم من التنوع الكبير في الأنواع المختلفة من الجسيمات الأولية الموجودة في الكون ، يمكن تقسيمها جميعًا إلى نوعين:

الفرميونات هي جسيمات ذات دوران نصف عدد صحيح: ± 1/2 ، ± 3/2 ، ± 5/2 ، ..
البوزونات هي جسيمات ذات دوران كامل: 0 ، ± 1 ، ± 2 ، ..

ومن المثير للاهتمام أن الجسيمات المركبة تتصرف أيضًا إما في شكل الفرميونات أو كبوزونات. تتصرف البروتونات والنيوترونات مثل الفرميونات مع الدوران ± 1/2 ، مثل الإلكترونات. يحتوي كل جسيم على مجموعة من الحالات الكمية التي يمكن أن يشغلها ، مع مستويات طاقة منفصلة ، وعزم الزاوية ، واتجاهات الدوران ، إلخ.

الفرق الرئيسي بين الفرميونات والبوزونات هو أنه إذا كان لديك جسيمين متطابقين ، فيمكنك إرسال العديد من البوزونات في نفس الحالة الكمية ، ولكن لا يمكن أن تحتل الفرميونات المتطابقة نفس الحالة.

إذا لم يكن الإلكترون فرميون ، بل بوزون ، فيمكن أن تكون أي ذرة مكدسة في أي ذرة عند أي مستوى طاقة أقل (أحمر أعلاه). لكن الإلكترون هو فرميون ، لذلك يطيع مبدأ الحظر. يمكن أن يأخذ إلكترونان الحد الأدنى من مستوى الطاقة ، حيث يمكن أن يكون لهما دوران 1/2 و -1 / 2 ، ولكن من أجل إضافة إلكترون ثالث ، يجب عليك القفز إلى حالة كمية أخرى.

يتم ترتيب حالات الكم في الذرات بحيث يمكنك الانتقال إلى مستوى طاقة أعلى (n في الصورة أدناه) ، ثم إلى حالات ذات زخم زاوي أعلى (l).

لذلك ، الحالات l = 0 هي مدارات s ، l = 1 هي مدارات p ، l = 2 مدارات d ، وهكذا. لذلك ، يحتوي الجدول الدوري على مثل هذا الهيكل: مع عنصرين في الصف العلوي (n = 1 ، l = 0 ، m = 0 و spin = ± 1/2) ، 8 عناصر في الصف الثاني (n = 2 ، l = 0 ، m = 0 ، وتدور = ± 1/2 ، و n = 2 ، l = 1 ، m = 1،0 ، أو -1 و spin = ± 1/2) ، 18 عنصرًا في الصف الثالث ، إلخ.

لذلك ، إضافة 6 ، 10 ، 14 ، إلخ. التكرارات مع كل صف جديد من الجدول يرجع إلى مبدأ باولي.

وعلى الرغم من أنه لا يمكننا تمييز إلكترون عن آخر ، نظرًا لأنه متطابق ، فإن كل نظام ذري فريد من نوعه. وبعبارة أخرى ، إذا كان لديك أربع ذرات هيدروجين مختلفة في الحالة الأرضية ، فلن تحتاج إلى احتلال مستويات طاقة مختلفة.

بشكل عام ، نظرًا لأن النوى الذرية (البروتونات) تختلف عن بعضها البعض (ليست في نفس النواة أو في حالات كمية متداخلة بأي شكل من الأشكال) ، والإلكترونات مرتبطة بالبروتون (أي أنها ليست في حالات كمية متداخلة مع بعضها البعض) ، من المرجح أن يتم تنظيم نظام من ذرات الهيدروجين الحرة بطريقة تكون جميعها في حالة أساسية ، شيء من هذا القبيل:

على الأقل ، من الحكمة إعداد نظامك بهذه الطريقة في البداية. ولكن إذا تفاعل زوج من هذه الذرات مع بعضها البعض ، فسوف تتحد وتشكل جزيء هيدروجين. تمامًا مثل ذرة الهيدروجين في حالته الأرضية أخف قليلاً (13.6 eV) من البروتون الحر والإلكترون الحر بسبب طاقة الربط ، جزيء الهيدروجين أخف قليلاً (4.52 eV) من ذرتي هيدروجين حرة .

ولكن تم طرح السؤال بشكل صحيح. لأنه إذا حاولت ذرتان مختلفتان إعادة الاتصال ، فإن وظائف الموجات للإلكترونات ستحاول أن تتداخل مع بعضها البعض.

لكن الإلكترونات ليس لديها دوران فحسب ، بل أيضًا وظائف الموجة المكانية. هذا يعني أنهم يشغلون الفضاء بطريقة خاصة. إذا جمعت ذرتي هيدروجين معًا ، يمكن أن تكون وظائف الموجة المكانية متماثلة ، كما في الرسم البياني أعلاه ، أو غير متماثل ، كما في الرسم البياني أدناه.

وهنا يدخل مبدأ باولي حيز التنفيذ.

إذا اقتربت ذرات الهيدروجين من وظائف الموجات المتناظرة ، فيجب أن تكون دوران الإلكترونات مضادة للاتجاه - إذا كان أحدهما يدور +1/2 ، فإن الثاني لديه دوران -1/2 ، والعكس صحيح.

وإذا جمعت ذرتان مع وظائف موجية غير متماثلة ، فيجب محاذاة لفات الإلكترونات: إذا كانت الأولى هي +1/2 ، فيجب أن تحتوي الثانية على +1/2 والعكس صحيح.

لذلك ، يمكن توصيل ذرات الهيدروجين بطريقتين - إما بوظائف الموجة المتناظرة والدوران المضاد للاتجاه ، أو العكس.

ألق نظرة على هاتين التركيبتين - في الأعلى ، تتداخل وظائف الموجة ، تدل على الاتصال ، وفي الأسفل ، لا تتداخل ، مما يشير إلى أن هذه الحالة غير متصلة.

يمكننا حساب ما ستكون طاقة الربط لهاتين الدولتين.

في حالة مضادة للتماثل ، حيث يتم محاذاة دوران الإلكترونات ، لن تتشكل الذرات. فقط في حالة متماثلة ، حيث تكون وظائف الموجة المكانية متناظرة ويتم توجيه السبين بعكس ذلك ، يمكن أن تشكل جزيء الهيدروجين.

لذلك ، لتكوين جزيء ، تحتاج إلى ذرتي هيدروجين مع وظائف الموجة المكانية المتناظرة وتدور متعدد الاتجاهات (+1/2 و -1/2). بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك أن ترى كيف تمنعك ميكانيكا الكم من دفع ذرة هيدروجين ثالثة إلى داخلها - وبالتالي ، يمكنك صنع ذرة H ، جزيء H2 ، ولكن ليس H3 أبدًا.

اسأل إيثان رقم 36: إلكترون دوار مذهل

More articles: