Принцип Паули

Во́льфганг Эрнст Па́ули (1900—1958) — Швейцарский физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1945 год.

В 1925 г. швейцарский физик В.Паули установил правило, названное впоследствии принципом Паули (или запретом Паули): в атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковыми свойствами или одинаковым набором все четырех квантовых чисел.

Хотя бы одно из квантовых чисел n, l, m_l и m_s, должно обязательно различаться проекцией спина. Поэтому в атоме могут быть лишь два электрона с одинаковыми n, l и m_l: один с m_s = +1/2 другой c m_s = -1/2. Напротив, если проекции спина двух электронов одинаковы, должно отличаться одно из квантовых чисел n, l или m_l.

Используя принцип Паули, определим число электронов в атоме, которые могут находиться на определенной «орбите» с главным квантовым числом n. Первой «орбите» соответствует n = 1. Тогда l = 0, m_l = 0 и m_s может иметь два значения: +1/2 или -1/2. Отсюда следует, что электронов может быть только два, при этом их спины должны быть антипараллельны. Такие электроны называются спаренными, а атомная орбиталь оказывается полностью заполненной.

В общем случае, при любом заданном значении n электроны, прежде всего, отличаются побочным квантовым числом l, принимающим значения от 0 до n 1. При заданных n и l может быть (2l + 1) электронов с разными значениями магнитного квантового числа m_l. Это число должно быть удвоено, так как заданным значениям n, l и m_l соответствуют два разных значения проекции спина m_s.

Отсюда ясно, почему на первом энергетическом уровне может быть не больше 2 электронов, на втором — 8, на третьем — 18 и т.д.

Рассмотрим, например, атом гелия. В атоме гелия ₂He квантовые числа n = 1, l = 0 и m_l = 0 одинаковы для обоих его электронов, а квантовое число m_s отличается. Проекции спина электронов гелия могут быть m_s = +1/2 или m_s = -1/2. Строение электронной оболочки атома гелия ₂Не можно представить как 1s² или схематично 1s.

Третий электрон лития согласно принципу Паули уже не может находиться в состоянии 1s, а только в состоянии 2s, при этом спиновое квантовое число должно быть положительным

m_s = +1/2 (согласно правилу Гунда): 2s