एथन नंबर 36 से पूछें: एक अद्भुत घूर्णन इलेक्ट्रॉन
पाठक पूछता है:जब मैंने लेज़रों के बारे में आपका जवाब पढ़ा, तो मुझे पाउली सिद्धांत के बारे में अपना पुराना सवाल याद आ गया। जैसा कि मैं इसे समझता हूं, एक हाइड्रोजन अणु में दो इलेक्ट्रॉनों के लिए, स्पिन विपरीत होना चाहिए। क्या इसका मतलब यह है कि एक अणु के निर्माण के दौरान, इलेक्ट्रॉन अपने स्पिन को बदलते हैं, या केवल विपरीत स्पिन वाले इलेक्ट्रॉनों से एक अणु बन सकता है?
इस बारे में बहुत कुछ कहा जा सकता है, तो चलिए पॉली के निषेध के सिद्धांत से शुरू करते हैं।
ब्रह्मांड में मौजूद विभिन्न प्रकार के प्राथमिक कणों की व्यापक विविधता के बावजूद, वे सभी दो प्रकारों में विभाजित हो सकते हैं:- अर्ध-पूर्णांक स्पिन वाले कण हैं: ± 1/2, 2 3/2, / 5/2, ।।
- बोसॉन एक पूरे स्पिन वाले कण हैं: 0,, 1, with 2, ।।
दिलचस्प बात यह है कि मिश्रित कण भी या तो व्यवहार के रूप में या बोसॉन के रूप में व्यवहार करते हैं। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन इलेक्ट्रॉनों की तरह, स्पिंस like 1/2 के साथ व्यवहार करते हैं। प्रत्येक कण में क्वांटम का एक सेट होता है, जो असतत ऊर्जा स्तरों, कोणीय गति, स्पिन दिशाओं आदि के साथ कब्जा कर सकता है।फ़र्म और बोसॉन के बीच मुख्य अंतर यह है कि यदि आपके पास दो समान कण हैं, तो आप एक ही क्वांटम राज्य में उतने ही बोसॉन भेज सकते हैं, लेकिन समान फ़र्मियन एक ही स्थिति पर कब्जा नहीं कर सकते।
यदि इलेक्ट्रॉन एक फर्मियन नहीं था, लेकिन बोसॉन था, तो किसी भी परमाणु को किसी भी कम ऊर्जा स्तर (ऊपर लाल) में किसी भी परमाणु में crammed किया जा सकता है। लेकिन एक इलेक्ट्रॉन एक फर्मियन है, इसलिए यह निषेध के सिद्धांत का पालन करता है। दो इलेक्ट्रॉन न्यूनतम ऊर्जा स्तर ले सकते हैं, क्योंकि उनमें +1/2 और -1/2 हो सकते हैं, लेकिन एक तीसरे इलेक्ट्रॉन को जोड़ने के लिए, आपको दूसरे क्वांटम राज्य में कूदना होगा।परमाणुओं में क्वांटम राज्यों को व्यवस्थित किया जाता है ताकि आप एक उच्च ऊर्जा स्तर (नीचे चित्र में एन) पर जा सकें, और फिर एक उच्च कोणीय गति (एल) वाले राज्यों में जा सकें।
इसलिए, राज्यों एल = 0 एस-ऑर्बिटल्स हैं, एल = 1 पी-ऑर्बिटल्स हैं, एल = 2 डी-ऑर्बिटल्स हैं, और इसी तरह। इसलिए, आवर्त सारणी में केवल ऐसी संरचना है: ऊपरी पंक्ति में दो तत्व (n = 1, l = 0, m = 0 और spin = ± 1/2), दूसरी पंक्ति में 8 तत्व (n = 2, l = 0, m) = 0, और स्पिन = ± 1/2, और n = 2, l = 1, m = 1,0, या -1 और स्पिन = elements 1/2), तीसरी पंक्ति में 18 तत्व, आदि।
इसलिए, अतिरिक्त 6, 10, 14, आदि को जोड़ना। पाउली सिद्धांत के कारण तालिका की प्रत्येक नई पंक्ति के साथ घटनाएं होती हैं।और यद्यपि हम एक इलेक्ट्रॉन को दूसरे से अलग नहीं कर सकते, क्योंकि वे समान हैं, प्रत्येक परमाणु प्रणाली अद्वितीय है। दूसरे शब्दों में, यदि आपके पास जमीन की स्थिति में चार अलग-अलग हाइड्रोजन परमाणु हैं, तो उन्हें विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर कब्जा करने की आवश्यकता नहीं होगी।
सामान्य तौर पर, चूंकि परमाणु नाभिक (प्रोटॉन) एक दूसरे से भिन्न होते हैं (एक ही नाभिक में नहीं होते हैं या किसी भी अर्थ में क्वांटम अवस्थाओं को ओवरलैप करने में होते हैं), और इलेक्ट्रॉन उनके प्रोटॉन से जुड़े होते हैं (यानी, वे एक दूसरे के साथ अतिव्यापी अवस्था में नहीं होते हैं), मुक्त हाइड्रोजन परमाणुओं की एक प्रणाली को इस तरह से व्यवस्थित करने की संभावना है कि वे सभी एक मूल स्थिति में होंगे, कुछ इस तरह से:
बहुत कम से कम, इस तरह से आपके सिस्टम को शुरू में सेट करना बुद्धिमान है। लेकिन अगर ऐसे परमाणुओं की एक जोड़ी एक दूसरे के साथ बातचीत करती है, तो वे एकजुट होकर हाइड्रोजन अणु का निर्माण करेंगे। बाध्यकारी जमीन में हाइड्रोजन परमाणु की तरह एक मुक्त प्रोटॉन और मुक्त इलेक्ट्रॉन की तुलना में थोड़ा हल्का (13.6 eV) होता है, दो मुक्त हाइड्रोजन परमाणुओं की तुलना में एक हाइड्रोजन अणु थोड़ा हल्का (4.52 eV) होता है। ।लेकिन सवाल सही पूछा गया था। चूंकि अगर दो अलग-अलग परमाणुओं को फिर से जोड़ने की कोशिश की जाती है, तो इलेक्ट्रॉनों की तरंग क्रियाएं एक दूसरे को ओवरलैप करने की कोशिश करेंगी।
लेकिन इलेक्ट्रॉनों के पास न केवल स्पिन है, बल्कि स्थानिक तरंग फ़ंक्शन भी हैं। इसका मतलब है कि वे एक विशेष तरीके से अंतरिक्ष पर कब्जा कर लेते हैं। अगर मैं दो हाइड्रोजन परमाणुओं को एक साथ लाता हूं, तो उनके स्थानिक तरंग फ़ंक्शन सममित हो सकते हैं, जैसा कि ऊपर दिए गए चित्र में है, या एंटीसिमेट्रिक, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में है।
और यहाँ पाउली सिद्धांत लागू होता है।यदि हाइड्रोजन परमाणु सममित तरंग क्रियाओं के समीप आते हैं, तो इलेक्ट्रॉनों के स्पिन को प्रतिगामी होना चाहिए - यदि किसी में +1/2 का स्पिन है, तो दूसरे में -1/2 का स्पिन है, और इसके विपरीत।और यदि दो परमाणु एंटीसिमेट्रिक वेव फ़ंक्शंस के साथ आते हैं, तो इलेक्ट्रॉनों के स्पिन को संरेखित किया जाना चाहिए: यदि पहला एक +1/2 है, तो दूसरे वाले में +1/2 और इसके विपरीत भी होना चाहिए।इसलिए, हाइड्रोजन परमाणुओं को दो तरीकों से जोड़ा जा सकता है - या तो सममित लहर कार्यों और एंटीडायरेक्शनल स्पिन के साथ, या इसके विपरीत।
इन दो संयोजनों पर एक नज़र डालें - शीर्ष पर, तरंग फ़ंक्शन ओवरलैप करते हैं, कनेक्शन को दर्शाते हुए, और नीचे, वे ओवरलैप नहीं करते हैं, जो इंगित करता है कि यह राज्य जुड़ा नहीं है।हम गणना कर सकते हैं कि इन दो राज्यों के लिए बाध्यकारी ऊर्जा क्या होगी।
एक विरोधी सममित अवस्था में, जहां इलेक्ट्रॉनों के स्पिन को संरेखित किया जाता है, परमाणु नहीं बनेंगे। केवल एक सममित अवस्था में, जहां स्थानिक तरंग के कार्य सममित होते हैं और स्पिन को विपरीत रूप से निर्देशित किया जाता है, एक हाइड्रोजन अणु रूप में हो सकता है।इसलिए, एक अणु बनाने के लिए, आपको दो हाइड्रोजन परमाणुओं को सममित स्थानिक तरंग कार्यों और बहुआयामी स्पिन (+1/2 और -1/2) की आवश्यकता होती है। और इसके अलावा, आप देख सकते हैं कि क्वांटम यांत्रिकी आपको एक तीसरे हाइड्रोजन परमाणु को धक्का देने के लिए कैसे मना करता है - इसलिए, आप एक एच परमाणु, एक एच 2 अणु बना सकते हैं, लेकिन कभी भी एच 3 नहीं।
Source: https://habr.com/ru/post/hi386011/
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