原子结构与光谱
泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)
/ POW-lee /
想象一个停车场,每个车位都由一个完整的地址来描述——区、排、位,以及你是车头朝里停还是倒车入库。这个停车场的规矩很严:任何两辆车都不能共用完全相同的整套地址。原子里的电子遵守的正是这样一条规矩:没有任何两个电子能拥有完全相同的一整套标识。
这些标识就是四个量子数,它们合起来确定了一个电子的能量、它所在轨道的形状与朝向,以及它的自旋方向。泡利不相容原理指出:同一个原子里没有任何两个电子能让四个量子数全部相同。实际上这意味着:由前三个量子数确定的一个轨道,最多只能容纳两个电子——而且必须是自旋方向相反的两个。
正是这一条规矩,使得原子有了分层的壳层,而不是所有电子都塌缩到最低的轨道里,因此它支撑了整张周期表的结构。更深一层,它适用于所有费米子(电子、质子、中子),也正是它使物质无法被压缩成虚无——支撑白矮星不致坍塌的那股「压力」就源于它。
氦的两个电子都住在 1s 轨道里,这之所以被允许,仅仅因为一个自旋朝「上」、另一个朝「下」,使它们的第四个量子数不同。假想中的第三个电子无法挤进 1s——没有剩下的自旋来区分它了——于是它会被迫升到下一壳层。
每个轨道两个电子,且自旋必须相反。
这条原理解释了原子为何占据空间,也解释了周期表各行的长度(2、8、8、18……)——这些数字直接来自每个壳层所允许的不同量子数组合的个数。
又称
另见