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SAT2化学考点:泡利不相容原理

时间:2017-03-30 责任编辑: 培臻SAT培训 浏览次数:

      下面是培臻教育小编为大家整理的一篇关于SAT2化学考点:泡利不相容原理的文章,供大家参考,下面是详细内容。
 
  SAT2化学考点中的泡利不相容原理(Pauli’s Law of Exclusion),电子排布必须遵循的原则之一。其表述为:同一轨道上的两个电子必须具有相反的自旋方向(each orbital is allowed to carry a maximum of two electrons and they must have opposite spins)。
 
  以基态氦原子为例,氦为第2号元素,原子核外只有2个电子,这2个电子将全部填充至1s亚层,将其充满,电子构型为1s2。由于1s只含一个轨道,所以这两个电子只能处在同一轨道上。根据泡利不相容原理,这两个电子必须具有相反的自旋方向,即↑↓【注:在本文中用一根下划线表示一个轨道】的形式,而不是↑↑或者↓↓的形式。
 
  泡利不相容原理的一个等价表述为:在同一个原子中,不可能存在两个电子具有完全相同的四个量子数(In a given atom no two electrons can have the same set of four quantum numbers)。
 
  如何理解这一等价表述呢?我们来分情况讨论一下:(1)如果两个电子处于不同轨道,那么它们的磁量子数必然不同;(2)如果两个电子处于相同轨道,它们的主量子数、角量子数、磁量子数都相同,然而由于它们必须具有相反的自旋方向,所以自旋量子数必然不同。综上所述,在同一个原子中,不可能存在两个电子具有相同的四个量子数。
 
  泡利不相容原理的另一个等价表述是:在同一个原子中,不可能存在两个电子具有完全相同的状态(In a given atom no two electrons can have the same state)。
 
  很好理解,用n、l、m和ms四个量子数可以确定核外电子的运动状态和所处轨道。既然不存在两个电子具有完全相同的四个量子数,那么自然也不可能存在两个电子具有完全相同的状态。
 
  《量子力学史话——上帝掷骰子吗》中讲述了一个小故事,精妙地阐发了泡利不相容原理:
 
  一个原子就像一幢宿舍,每间房间都有一个四位数的门牌号码。底楼只有两个房间,分别是1001和1002。而二楼则有8个房间,门牌分别是2001,2002,2101,2102,2111,2112,2121和2122。越是高层的楼,它的房间数量就越多。
 
  【解说1:用楼层来类比主能级,用房间来类比电子的状态。楼层越高,房间越多指的是主能级能量越高,能容纳的电子数量也越多。】
 
  脾气暴躁的管理员泡利在大门口张贴了一张布告,宣布没有两个电子房客可以入住同一间房屋。
 
  【解说2:没有两个电子的状态是一样的,这就是泡利不相容原理!】
 
  于是电子们争先恐后地涌入这幢大厦,先到的两位占据了底楼那两个价廉物美的房间,后来者因为底楼已经住满,便不得不退而求其次,开始填充二楼的房间。二楼住满后,又轮到三楼、四楼……一直到租金离谱的六楼、七楼、八楼。
 
  【解说3:用租金的高低来类比能量的大小,按照能量由低到高依次填充,这就是能量最低原则!】
 
  在本节的最后,请大家注意一点:所有原子的核外电子排布都必须遵守泡利不相容原理,无论该原子是基态原子还是激发态原子。
 
  Pauli’s Law of Exclusion:泡利不相容原理
 
  【练习】
 
  Which of the following is not an expression of Pauli’s Law of Exclusion?
 
  A. Each orbital is allowed to carry a maximum of two electrons and they must have opposite spins.
 
  B. In a given atom no two electrons can have the same state.
 
  C. Each orbit is at a ?xed distance from the nucleus and the electrons move around the nucleus in one of these orbits.
 
  D. In a given atom no two electrons can have the same set of four quantum numbers.
 
  解析:
 
  A选项,同一轨道上的两个电子必须具有相反的自旋方向;
 
  B选项,在同一个原子中,不可能存在两个电子具有完全相同的状态;
 
  C选项,原子核外有轨道,这些轨道和原子核的距离是固定的,电子在这些轨道中的任何一条上绕核作圆周运动,这是波尔模型的第一条假说,跟泡利不相容原理无关;
 
  D选项,在同一个原子中,不可能存在两个电子具有完全相同的四个量子数。
 
  A、B、D三个选项分别对应本节中提到的泡利不相容原理的三个等价表述,C选项是波尔模型的第一条假说,跟泡利不相容原理无关。
 
  答案:C
 
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