7.12: Pauli Dışarlama İlkesi
Bir atomun yörüngesindeki elektronların dizilişine elektron konfigürasyonu denir. Üç parça bilgi içeren bir sembolle bir elektron konfigürasyonunu açıklıyoruz:
- Baş kuantum sayısı, n,
- Yörünge tipini (alt kabuk, l) belirten harf ve
- Söz konusu alt kabuktaki elektronların sayısını belirten üst simge numarası.
Örneğin, 2p4 notasyonu p alt kabuğundaki (l = 1) 2 baş kuantum sayısı (n) ile dört elektronu gösterir. 3d 8 gösterimi baş kuantum sayısının n = 3 olduğunu ve d alt kabuğundaki ( l = 2) sekiz elektronu gösterir.
Üç kuantum sayısı elektron orbitallerini tanımlamak için iyi çalışsa da, bazı deneyler bunların tüm gözlemlenen sonuçları açıklamak için yeterli olmadığını gösterdi. 1920'lerde, hidrojen çizgisi spektrumları aşırı yüksek çözünürlükte incelendiğinde, bazı çizgilerin aslında tek bir tepe noktasının olmadığını, yakın aralıklı çizgi çiftlerinin olduğu kanıtlandı. Bu, spektrumun sözde ince yapısıdır ve aynı yörüngede konumlandıklarında bile elektronların enerjilerinde ek küçük farklılıklar olduğunu ima eder. Bu gözlemler, Samuel Goudsmit ve George Uhlenbeck'in elektronların dördüncü bir kuantum sayısına sahip olduğunu önermesine yol açtı. Buna spin kuantum numarası veya ms adını verdiler.
Uygulanan bir manyetik alanda, bir elektronun farklı enerjilere sahip iki olası yönü vardır; biri yukarı dönmeli, manyetik alanla hizalı ve diğeri aşağı doğru, buna karşı hizalı.
Dördüncü kuantum sayısı, spin kuantum sayısı (ms) bir elektronun bu iki farklı spin durumunu tanımlar. Bir spin kuantum sayısının iki olası değeri vardır, −1/2 (spin yukarı) ve +1/2 (spin aşağı).
Elektron spini, içsel bir elektron "rotasyonu" veya "dönüşü."'nü tanımlar. Her elektron, açısal momentuma sahip küçük bir mıknatıs veya küçük dönen bir nesne veya elektrik akımına sahip bir döngü gibi davranır, ancak bu dönüş veya akım mekansal koordinatlar açısından gözlenemez.
Genel elektron spininin büyüklüğü yalnızca bir değere sahip olabilir ve bir elektron yalnızca nicelenmiş iki durumdan birinde “dönebilir”. Biri, spinin z bileşeninin z-axis pozitif yönünde olduğu α durumu olarak adlandırılır. Bu, spin kuantum sayısı ms = +1/2'ye karşılık gelir. Diğeri, spinin z bileşeni negatif ve ms = −1/2 olan β durumu olarak adlandırılır.
İçinde bulunduğu atomik yörünge ne olursa olsun herhangi bir elektron, spin kuantum sayısının bu iki değerinden yalnızca birine sahip olabilir. Harici bir manyetik alan uygulanırsa, farklı dönüşlere sahip elektronların enerjileri farklıdır.
Bir atomdaki bir elektron tamamen dört kuantum sayısıyla tanımlanır: n, l, ml ve ms. İlk üç kuantum sayısı yörüngeyi tanımlar ve birbirine bağımlıdır, dördüncü kuantum sayısı ise spin adı verilen içsel elektron özelliğini tanımladığı için diğer kuantum sayılarından bağımsızdır. Avusturyalı bir fizikçi Wolfgang Pauli (Nobel Fizik Ödülü: 1945), elektronların atomlardaki genel davranışını anlamamız için ihtiyaç duyduğumuz son bilgiyi veren genel bir ilkeyi formüle etti. Pauli dışarlama ilkesi şu şekilde formüle edilebilir: Aynı atomdaki iki elektron, dört kuantum sayısının tümünün tam olarak aynı setine sahip olamaz. Bunun anlamı, iki elektronun aynı yörüngeyi (aynı n, l ve ml kuantum sayıları seti) ancak spin kuantum sayılarının farklı değerlere sahip olması durumunda paylaşabileceğidir. Spin kuantum sayısı (ms) yalnızca +1/2 ve -1/2 iki değere sahip olabileceğinden, ikiden fazla elektron aynı yörüngeyi işgal edemez (ve aynı yörüngede iki elektron bulunuyorsa, ters dönüşlere sahip olmaları gerekir. Bu nedenle, herhangi bir atomik yörünge yalnızca sıfır, bir veya iki elektronla doldurulabilir.
Elektron konfigürasyonunun yörünge diyagram stili, işgal edilmiş bir alt kabuk içindeki her bir yörüngeyi bir kutu veya çizgi olarak ve her elektronu bir ok olarak temsil eder. 1s1'in elektron konfigürasyonu olan hidrojenin yörünge diyagramı şöyledir:
Yukarı doğru bir ok, artı yarım spini veya spin yukarıyı belirtir ve aşağı doğru ok, eksi yarım spin veya spin aşağı anlamına gelir. Hidrojenin yörünge diyagramı bu nedenle bir yukarı doğru oka sahiptir.
Helyumun elektron konfigürasyonu 1s2'dir. Aynı kabuk ve alt kabuğa ait oldukları için iki elektronun üç özdeş kuantum numarası vardır. Pauli dışarlama ilkesine göre spin kuantum sayıları farklıdır. Ters spinlere sahip elektronlar, aynı yörüngeyi işgal ederse çift olarak adlandırılır.
Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of Quantum Theory.