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7.12:

Das Paulische Ausschließungsprinzip

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The Pauli Exclusion Principle

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Atomorbitale sind die Bereiche, in denen die Elektronen eines Atoms am wahrscheinlichsten zu finden sind. Aber wie viele Elektronen kann jedes Orbital aufnehmen? Das Paulische Ausschließungsprinzip beantwortet diese Frage, da es besagt, dass keine zwei Elektronen in einem Atom die gleiche Menge an vier Quantenzahlen haben können.Jedes Orbital entspricht einem festen Prinzip;Drehimpuls, oder azimutal;und magnetische Quantenzahlwerte. Zum Beispiel, hat ein Elektron im 1s-Orbital immer eine Hauptquantenzahl von eins sowie eine azimutale und magnetische Quantenzahlen von null. Dementsprechend müssen Elektronen eine unterschiedliche Spinquantenzahl, oder Spins, haben, um das gleiche Atomorbital zu besetzen.Erinnern Sie sich, dass die Spinquantenzahl nur zwei mögliche Werte hat:1/2 und 1/2. Daher können nur zwei Elektronen das gleiche Orbital besetzen. Also jede s Unterschale, die ein Orbital hat, kann nur zwei Elektronen aufnehmen, und jede p-Unterschale, die drei Orbitale hat, kann nur sechs Elektronen aufnehmen.Jede der Unterschalen d und f hat eine maximale Kapazität von zehn bzw. vierzehn Elektronen. Die Verteilung der Elektronen auf die Atomorbitale eines Atoms wird durch seine Elektronenkonfiguration in Text-oder Diagrammform dargestellt.Betrachten Sie ein Wasserstoffatom im Grundzustand, wobei ein Elektron das Orbital mit der niedrigsten Energie besetzt:1s. Die geschriebene Elektronenkonfiguration bezeichnet jede besetzte Unterschale mit der Zahl der entsprechenden Schale, der Buchstabe der Unterschale, und einer hochgestellten Zahl, die die Zahl der Elektronen in der Unterschale darstellt. Das Aufbauprinzip der Elektronenkonfiguration beschreibt jedes Orbital innerhalb einer besetzten Unterschale als Kasten oder Linie und jedes Elektron als Pfeil.Ein Pfeil der nach oben zeigt, hat einen 1/2 Spin oder Spin-up, und ein Abwärtspfeil bedeutet einen 1/2 Spin, oder Spin-down. Das Aufbauprinzip von Wasserstoff hat also, hat einen Pfeil nach oben. Die Elektronenkonfiguration von Helium ist 1s^2.Die beiden Elektronen haben drei identische Quantenzahlen, da sie zur selben Schale und Unterschale gehören. Ihre Spinquantenzahlen sind unterschiedlich, in Übereinstimmung mit dem Pauli-Prinzip. Elektronen mit entgegengesetztem Spin werden gepaart”genannt, wenn sie sich auf derselben Umlaufbahn befinden.Für Lithium, das eine Ordnungszahl von drei hat, sind die beiden Elektronen im 1s-Orbital gepaart und das Elektron im 2s-Orbital ist ungepaart. Konventionell, ungepaarte Elektronen werden als Spin-up dargestellt.

7.12:

Das Paulische Ausschließungsprinzip

The arrangement of electrons in the orbitals of an atom is called its electron configuration. We describe an electron configuration with a symbol that contains three pieces of information:

  1. The number of the principal quantum shell, n,
  2. The letter that designates the orbital type (the subshell, l), and
  3. A superscript number that designates the number of electrons in that particular subshell.

For example, the notation 2p4 indicates four electrons in a p subshell (l = 1) with a principal quantum number (n) of 2. The notation 38 indicates eight electrons in the d subshell ( l = 2) of the principal shell for which n = 3.

While the three quantum numbers work well for describing electron orbitals, some experiments showed that they were not sufficient to explain all observed results. It was demonstrated in the 1920s that when hydrogen-line spectra are examined at extremely high resolution, some lines are actually not single peaks but, rather, pairs of closely spaced lines. This is the so-called fine structure of the spectrum, and it implies that there are additional small differences in energies of electrons even when they are located in the same orbital. These observations led Samuel Goudsmit and George Uhlenbeck to propose that electrons have a fourth quantum number. They called this the spin quantum number or ms.

In an applied magnetic field, an electron has two possible orientations with different energies, one with spin up, aligned with the magnetic field, and one with spin down, aligned against it.

The fourth quantum number, spin quantum number (ms) describes these two different spin states of an electron. A spin quantum number has two possible values, −1/2 (spin down) and +1/2 (spin-up).

Electron spin describes an intrinsic electron "rotation" or "spinning." Each electron acts as a tiny magnet or a tiny rotating object with angular momentum, or as a loop with an electric current, even though this rotation or current cannot be observed in terms of spatial coordinates.

The magnitude of the overall electron spin can only have one value, and an electron can only “spin” in one of two quantized states. One is termed the α state, with the z component of the spin being in the positive direction of the z-axis. This corresponds to the spin quantum number ms = +1/2. The other is called the β state, with the z component of the spin being negative and ms = −1/2.

Any electron, regardless of the atomic orbital it is located in, can only have one of those two values of the spin quantum number. The energies of electrons having different spins are different if an external magnetic field is applied.

An electron in an atom is completely described by four quantum numbers: n, l, ml, and ms. The first three quantum numbers define the orbital, and are interdependent, while the fourth quantum number is independent of other quantum numbers as it describes an intrinsic electron property called spin. An Austrian physicist Wolfgang Pauli (Nobel Prize in Physics: 1945) formulated a general principle that gives the last piece of information that we need to understand the general behavior of electrons in atoms. The Pauli exclusion principle can be formulated as follows: No two electrons in the same atom can have exactly the same set of all the four quantum numbers. What this means is that two electrons can share the same orbital (the same set of the quantum numbers n, l, and ml) only if their spin quantum numbers have different values. Since the spin quantum number (ms) can only have two values +1/2 and -1/2, no more than two electrons can occupy the same orbital (and if two electrons are located in the same orbital, they must have opposite spins). Therefore, any atomic orbital can be populated by only zero, one, or two electrons.

The orbital diagram style of the electron configuration represents each orbital within an occupied subshell as a box or line and each electron as an arrow. The orbital diagram of hydrogen, which an electron configuration of 1s1, is:

Figure1

An upward arrow indicates a plus-half spin, or spin-up, and a downward arrow signifies a minus-half spin, or spin-down. The orbital diagram of hydrogen, therefore, has one upward arrow.

The electron configuration of helium is 1s2. The two electrons have three identical quantum numbers, as they belong to the same shell and subshell. Their spin quantum numbers are different, in accordance with the Pauli exclusion principle. Electrons with opposite spins are called paired if they occupy the same orbital.

Figure2

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of Quantum Theory.