Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Простая физика - 11. Спин, принцип Паули, разнообразие атомов, валентность и Вселенная...

     Можно однозначно утверждать, что если бы у электрона не было спина или его спин был бы целым (как у частицы света - фотона), то наша Вселенная была бы совершенно иной. Что же такое спин и почему его влияние на устройство Мира столь существенно?
    Спин - это момент импульса (момент количества движения, иногда говорят - момент вращения), внутренне присущий каждой элементарной частице. Его смысл можно опосредованно понять на примере вращающегося вокруг своей оси детского волчка. У не вращающегося волчка момент импульса равен нулю. У вращающегося - отличен от нуля. Моменту импульса волчка можно приписать знак. Положительный, если вращение волчка происходит в одну сторону. И отрицательный, если вращение обратное. Разумеется, приведенная аналогия - лишь образ. И не более. Хотя бы потому, что момент импульса волчка может быть любым по величине.
    Спин элементарных частиц может принимать только дискретные значения. С интервалом в h, где h ≈ 10 ^ (- 27) эрг * сек (иначе - г * см² / сек) - упоминавшаяся раньше постоянная Планка. Все частицы, из которых состоят атомы (протоны, нейтроны и электроны) имеют полуцелый спин = 1/2 h. Поэтому измерение спина каждой из них может дать только два результата с интервалом h. Либо + 1/2 h, либо (- 1/2 h). Разумеется, существуют частицы и с целым спином. Например, частица света фотон имеет спин, равный одному h.
    Казалось бы, какая нам или самим частицам разница - имеют они целый или полуцелый спин? Пока они находятся в гордом одиночестве и с другими частицами не взаимодействуют - никакой. Но если одинаковые частицы собираются вместе в некий коллектив, то возникает принципиальное различие в поведении коллективов с целым спином и коллективов с полуцелым спином. Это различие проявляется из-за ограниченности числа возможных состояний квантовых систем. Например, уровней энергии. Значения которой в таких пространственно ограниченных, как атом, системах не может принимать произвольные значения. А только дискретные.
    В таких системах в каждом возможном их состоянии может находиться сколь угодно много частиц с целым спином. Но не больше двух частиц с полуцелым спином. Одна со спином направленным "вверх" (+ 1/2 h) и одна со спином вниз (- 1/2 h). Это - закон Природы и его называют принципом Паули (1925 год). И именно благодаря этому закону существует все разнообразие мира атомов и, в конечном счете, Жизнь. Как это проявляется?
   Как мы знаем, в атоме водорода только один электрон. Практически все время сидящий на самом нижнем энергетическом уровне. Но на этом же уровне согласно принципу Паули есть еще одно свободное место. Для электрона с противоположным направлением спина. И это место может занять электрон с внешней электронной оболочки другого атома при объединении атома водорода с этим атомом в молекулу. В принципе водород может и отдать свой электрон другому атому. Если в энергетическом плане это окажется ему выгодным. Поэтому водород одновалентен.
   В следующем элементе таблицы Менделеева - атоме гелия, уже два электрона. Оба они могут в соответствии с принципом Паули сесть на один и тот же энергетический уровень. На котором свободных мест больше не остается. И потому гелий химически нейтрален.
   Атом лития имеет три электрона. Самая пространственно внутренняя и энергетически глубокая его первая электронная оболочка заполнена двумя электронами. Поэтому третий электрон вынужден сесть на внешнюю (вторую) оболочку с более высоким энергетическим уровнем. С которого другому атому легче взять этот электрон или к которому легче подсадить свой. Поэтому литий одновалентен. И на его примере становится ясным, что внутренние электронные оболочки атомов при наличии электронов на внешних никакого отношения к химическим свойствам элементов не имеют.
   А вот начиная с 4-го элемента таблицы Менделеева, хоть и довольно редко, могут возникать странности. Дело в том, что уже во второй электронной оболочке могут разместиться восемь электронов. При полном соблюдении принципа Паули. Два из них, как и в атоме водорода, образуют сферически симметричное облако вокруг ядра и внутренней оболочки. Таким является атом бериллия. А остальные шесть электронов имеют возможность рассесться поодиночке или парами в три вращающихся облака. Почему три?
   Как уже говорилось в микромире момент импульса (вращения) может принимать только дискретные значения. Нулевой момент мы видим у сферически симметричного электронного облака в самой внутренней электронной оболочке атомов. И у первых двух электронов второй. А следующий "единичный" момент вращения электрона вокруг его ядра может иметь три проекции на любую ось: + h, 0, - h. Это три разных состояния. И в каждое из них может сесть не более двух электронов. А всего - не более шести.
   Образующие сферически симметричные облака электроны второй оболочки сидят на чуть более глубоких энергетических уровнях. Поэтому у элементов, следующих за бериллием, на величину валентности в большей степени влияют электроны вращающейся части второй оболочки. Так, валентность кислорода определяется двумя свободными местами этой оболочки. У углерода, за редким исключением, четырьмя свободными местами в ней. А неон, у которого вторая оболочка заполнена полностью, химически нейтрален.
   При переходе к третьей строке таблицы Менделеева начинает наполняться электронами третья электронная оболочка. А вторая, становясь внутренней, уже перестает влиять на валентность элементов третьей строки. И так далее...
   А теперь - главный вопрос. Как выглядели бы Вселенная и наш Мир, если у электрона не было бы полуцелого спина? Попробуйте такой Мир построить в комментариях к этому посту...
Tags: Физика на пальцах
Subscribe
promo moralg march 5, 2018 03:01 44
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 21 comments