Αρχή αποκλεισμού Pauli εναντίον κανόνα Hund
Μετά την εύρεση της ατομικής δομής, υπήρχαν τόσα πολλά μοντέλα για να περιγράψουν πώς τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε ένα άτομο. Ο Schrodinger είχε την ιδέα να υπάρχουν «τροχιακά» σε ένα άτομο. Η αρχή αποκλεισμού Pauli και ο κανόνας Hund παρουσιάζονται επίσης για να περιγράψουν τα τροχιακά και τα ηλεκτρόνια στα άτομα.
Αρχή αποκλεισμού Pauli
Η αρχή αποκλεισμού Pauli λέει ότι κανένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο δεν μπορεί να έχει και τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς ίδιους. Τα τροχιακά ενός ατόμου περιγράφονται με τρεις κβαντικούς αριθμούς. Αυτοί είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός (n), η γωνιακή ορμή/αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός (l) και ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός (ml). Από αυτά, ο κύριος κβαντικός αριθμός ορίζει ένα κέλυφος. Μπορεί να πάρει οποιαδήποτε ακέραια τιμή. Αυτή είναι παρόμοια με την περίοδο του σχετικού ατόμου στον περιοδικό πίνακα. Ο κβαντικός αριθμός γωνιακής ορμής μπορεί να έχει τιμές από 0, 1, 2, 3 έως n-1. Ο αριθμός των υποφλοιών εξαρτάται από αυτόν τον κβαντικό αριθμό. Και το l καθορίζει το σχήμα του τροχιακού. Για παράδειγμα, αν l=o τότε το τροχιακό είναι s, και για p τροχιακό, l=1, για d τροχιακό l=2 και για f τροχιακό l=3. Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός καθορίζει τον αριθμό των τροχιακών ισοδύναμης ενέργειας. Με άλλα λόγια, αυτά τα ονομάζουμε εκφυλισμένα τροχιακά. ml μπορεί να έχει τιμές από –l έως +l. Εκτός από αυτούς τους τρεις κβαντικούς αριθμούς υπάρχει ένας άλλος κβαντικός αριθμός που ορίζει τα ηλεκτρόνια. Αυτός είναι γνωστός ως κβαντικός αριθμός σπιν ηλεκτρονίων (ms) και έχει τις τιμές +1/2 και -1/2. Έτσι, για να καθορίσουμε την κατάσταση ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο πρέπει να καθορίσουμε και τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς. Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε ατομικά τροχιακά και μόνο δύο ηλεκτρόνια μπορούν να ζήσουν σε ένα τροχιακό. Επιπλέον, αυτά τα δύο ηλεκτρόνια έχουν αντίθετα σπιν. Επομένως, αυτό που λέγεται στην Αρχή του Αποκλεισμού Pauli είναι αλήθεια. Για παράδειγμα, παίρνουμε δύο ηλεκτρόνια σε επίπεδο 3p. Ο κύριος κβαντικός αριθμός και για τα δύο ηλεκτρόνια είναι 3. Το l είναι 1 αφού τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε ένα τροχιακό p. Το ml είναι -1, 0 και +1. Επομένως, υπάρχουν 3 p εκφυλισμένα τροχιακά. Όλες αυτές οι τιμές είναι ίδιες και για τα δύο ηλεκτρόνια που εξετάζουμε. Επειδή όμως τα δύο ηλεκτρόνια βρίσκονται στο ίδιο τροχιακό έχουν αντίθετα σπιν. Επομένως, ο κβαντικός αριθμός σπιν είναι διαφορετικός (ο ένας έχει +1/2 και ο άλλος έχει -1/2).
Κανόνας Χουντ
Ο κανόνας Χουντ μπορεί να περιγραφεί ως εξής.
«Η πιο σταθερή διάταξη των ηλεκτρονίων στα υποκελιά (εκφυλισμένα τροχιακά) είναι αυτή με τον μεγαλύτερο αριθμό παράλληλων σπιν. Έχουν τη μέγιστη πολλαπλότητα."
Σύμφωνα με αυτό, κάθε υποκέλυφος θα γεμίσει με ένα ηλεκτρόνιο σε παράλληλη σπιν πριν γεμίσει διπλά με ένα άλλο ηλεκτρόνιο. Λόγω αυτού του σχεδίου πλήρωσης, τα ηλεκτρόνια είναι λιγότερο προστατευμένα από τον πυρήνα. Έτσι, έχουν τις υψηλότερες αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων-πυρηνικών.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της αρχής αποκλεισμού Pauli και του κανόνα Hund;
• Η αρχή αποκλεισμού Pauli αφορά τους κβαντικούς αριθμούς ενός ατόμου. Ο κανόνας Hund αφορά τον τρόπο με τον οποίο γεμίζονται τα ηλεκτρόνια στα τροχιακά ενός ατόμου.
• Η αρχή αποκλεισμού Pauli λέει ότι υπάρχουν μόνο δύο ηλεκτρόνια ανά τροχιακό. Και ο κανόνας Hund λέει ότι μόνο μετά την πλήρωση ενός ηλεκτρονίου σε κάθε τροχιακό, θα συμβεί ζεύγος ηλεκτρονίων.
• Η αρχή αποκλεισμού Pauli περιγράφει πώς τα ηλεκτρόνια στα ίδια τροχιακά έχουν αντίθετα σπιν. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει τον κανόνα Hund.
