Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Удивительный вращающийся электрон

Ключевые слова:  Geektimes, Водород, периодика, Принцип запрета Паули, Электроны

Автор(ы): Geektimes

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

25 ноября 2015

Читатель спрашивает:

Когда я читал ваш ответ по поводу лазеров, то я вспомнил свой давний вопрос по поводу принципа Паули. Как я понимаю, у двух электронов в молекуле водорода спины должны быть противоположными. Значит ли это, что при формировании молекулы электроны меняют спин, или же сформировать молекулу могут только электроны с противоположными спинами?


В этом вопросе заключено очень многое, поэтому начнём с принципа запрета Паули.

image

Несмотря на большое разнообразие разных типов элементарных частиц, существующих во Вселенной, их все можно поделить на два типа:

  • фермионы – частицы с полуцелым спином: ±1/2, ±3/2, ±5/2,..
  • бозоны – частицы с целым спином: 0, ±1, ±2,..



Что интересно, составные частицы тоже ведут себя либо как фермионы, либо как бозоны. Протоны и нейтроны ведут себя как фермионы со спинами ±1/2, как и электроны. У каждой частицы есть набор квантовых состояний, которые она может занять, с дискретными уровнями энергии, моментами импульса, направлениями спинов и т.д.

Основная разница между фермионами и бозонами – если у вас есть две идентичные частицы, то туда же можно отправить сколько угодно бозонов в том же квантовом состоянии, но идентичные фермионы не могут занимать одно и то же состояние.

image

Если бы электрон был не фермионом, а бозоном, то в любой атом можно было бы напихать сколько угодно электронов, находящихся на нижнем энергетическом уровне (вверху, красное). Но электрон – это фермион, поэтому он подчиняется принципу запрета. Минимальный уровень энергии может принять два электрона, поскольку у них могут быть спины +1/2 и -1/2, но чтобы добавить третий электрон, придётся перепрыгнуть в другое квантовое состояние.

Квантовые состояния в атомах устроены так, что можно перейти на более высокий уровень энергии (n на картинке ниже), а затем к состояниям с бОльшим моментом импульса (l).

image

Значит, состояния l = 0 это s-орбитали, l = 1 – это p-орбитали, l = 2 – это d-орбитали, и так далее. Поэтому у таблицы Менделеева именно такая структура: с двумя элементами в верхнем ряду (n = 1, l = 0, m = 0 и спин = ±1/2), 8 элементов во втором ряду (n=2, l=0, m=0, и спин = ±1/2, и n=2, l=1, m=1,0, или -1 и спин = ±1/2), 18 элементов в третьем ряду, и т.п.

image

Поэтому добавление дополнительных 6, 10, 14, и т.д. вхождений с каждым новым рядом таблицы происходит из-за принципа Паули.

И хотя мы не можем отличить один электрон от другого, поскольку они идентичны, каждая атомная система уникальна. Иными словами, если у вас есть четыре разных атома водорода в основном состоянии, им не нужно будет занимать различные уровни энергии.

image

Вообще, поскольку ядра атомов (протоны) отличаются друг от друга (не находятся в одном ядре или находятся в перекрывающихся квантовых состояниях в любом смысле), а электроны привязаны к их протону (то есть, не находятся в перекрывающихся квантовых состояниях друг с другом), система из свободных атомов водорода скорее всего организуется так, что все они будут в основном состоянии, нечто типа такого:

image

По крайней мере, разумно настроить вашу систему так изначально. Но если пара таких атомов провзаимодействуют друг с другом, они объединятся и сформируют молекулу водорода. Точно так же, как атом водорода в основном состоянии чуть полегче (на 13,6 эВ) чем свободный протон и свободный электрон из-за энергии связи, так и молекула водорода чуть полегче (на 4,52 эВ), чем два свободных атома водорода.

Но вопрос был задан правильно. Поскольку если два разных атома попробуют воссоединиться, волновые функции электронов попробуют перекрыть друг друга.

image

Но у электронов есть не только спин, а ещё и пространственные волновые функции. Это значит, что они занимают пространство особым образом. Если я буду сближать два атома водорода, их пространственные волновые функции могут быть симметричными, как на диаграмме выше, или же антисимметричными, как на диаграмме ниже.

image

И вот тут вступает в силу принцип Паули.

Если сближаются атомы водорода с симметричными волновыми функциями, тогда спины электронов должны быть антинаправлены – если у одного спин +1/2, у второго спин должен быть -1/2, и наоброт.

А если сближаются два атома с антисимметричными волновыми функциями, то спины электронов должны быть сонаправлены: если у первого +1/2, то и у второго должно быть +1/2, и наоборот.

Поэтому, атомы водорода можно соединить двумя способами – либо с симметричными волновыми функциями и антинаправленными спинами, либо наоборот.

image

Взгляните на две эти комбинации – у верхней волновые функции накладываются, обозначая связь, а у нижней – не накладываются, что говорит о том, что это состояние не связанное.

Мы можем подсчитать, какой будет энергия связи для двух этих состояний.

image

В анти-симметричном состояние, где спины электронов сонаправлены, атомы не формирутся. Только в симметричном состоянии, где пространственные волновые функции симметричны, а спины разнонаправлены, может сформироваться молекула водорода.

Поэтому, для формирования молекулы вам нужны два атома водорода с симметричными пространственными волновыми функциями и разнонаправленными спинами (+1/2 и -1/2). А, кроме того, видно, как квантовая механика запрещает вам впихнуть туда третий атом водорода – поэтому можно сделать атом H, молекулу H2, но никогда – H3.

image


В статье использованы материалы: Geektimes


Средний балл: 9.0 (голосов 4)

 


Комментарии
Далбанбай Амантай dalbanbay, 01 декабря 2015 10:21 
What is spin?

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Кристалл иодида свинца
Кристалл иодида свинца

Светодиодные технологии и оптоэлектроника: магистратура на стыке образования и индустрии
Открыт набор на первую в России индустриальную программу «Светодиодные технологии и оптоэлектроника» Университета ИТМО

Международная онлайн-дискуссия «Квант будущего»
Фонд Росконгресс, Госкорпорация «Росатом», Российский квантовый центр и научно-популярное издание N+1 завершают серию международных онлайн-дискуссий «Квант будущего», где лидеры индустрии и ведущие мировые ученые обсуждают, как квантовые технологии уже изменили наш мир, и с какими вызовами помогут справиться в будущем.
Заключительная дискуссия «Квантовая революция: профессии будущего и трансформация образования» состоится 8 июля в 17:00 по московскому времени.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Супергибридный материал для хранения водорода. Двумерная соль. Существование виртуальных мультиферроиков подтверждено. Чёрные бабочки. Служение науке и немного поэзии.

Академия - университетам
Е.А.Гудилин, Ю.Г.Горбунова, С.Н.Калмыков
Российская Академия Наук и Московский университет во время пандемии реализовали пилотную часть проекта "Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии". За летний период планируется провести работу по подключению к проекту новых ВУЗов, институтов РАН, профессоров РАН, а также по взаимодействию с новыми уникальными лекторами для развития структурированного сетевого образовательного проекта "Академия - университетам".

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2020
Коллектив авторов
Защиты выпускных квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 16, 17, 18 и 19 июня 2020 г.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2020 году
коллектив авторов
2 - 5 июня пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.