Принцип Паули и правило Хунда

Принцип Паули является одним из фундаментальных положений квантовой механики, применяемых к строению атомов. Он был сформулирован Вольфгангом Паули в 1925 году и определяет квантово-механическое поведение электронов как фермионов. Суть принципа заключается в том, что в одном атоме не может существовать двух электронов с полностью одинаковыми наборами всех четырёх квантовых чисел.

Каждый электрон в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:

• главное квантовое число n определяет энергетический уровень и размер орбитали;
• орбитальное квантовое число l задаёт форму орбитали;
• магнитное квантовое число mₗ определяет ориентацию орбитали в пространстве;
• спиновое квантовое число mₛ описывает направление собственного магнитного момента электрона (спина), принимающее значения +½ или –½.

Принцип Паули требует, чтобы в одной атомной орбитали (заданной набором n, l, mₗ) находилось не более двух электронов, и их спины обязательно были противоположными. Это ограничение объясняет распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням, а также является причиной существования периодической системы элементов в её современном виде.

Следствием принципа Паули является то, что электронная конфигурация атома строится при строгом учёте уникальности набора квантовых чисел. Так, на каждой орбитали допускается максимум пара электронов, и это накладывает фундаментальное ограничение на заполнение электронных оболочек.

Правило Хунда

Правило Хунда определяет порядок распределения электронов по орбиталям в пределах одного энергетического подуровня. Оно было предложено Фридрихом Хундом в 1927 году и отражает стремление атома к состоянию с минимальной энергией при заданном числе электронов.

Формулировка правила Хунда: при заполнении орбиталей данного подуровня (s, p, d, f) электроны сначала располагаются по разным орбиталям с одинаковым направлением спина, и только после этого происходит их спаривание.

Основные положения:

• электроны распределяются по свободным орбиталям так, чтобы число неспаренных электронов было максимальным;
• спины неспаренных электронов ориентированы одинаково (параллельно), что уменьшает электронное отталкивание и понижает энергию системы;
• только после того как каждая орбиталь подуровня содержит по одному электрону, начинается заполнение вторыми электронами с противоположными спинами.

Пример: при заполнении p-подуровня (три орбитали) при трёх электронах каждый займёт отдельную орбиталь с одинаковым направлением спина. При четвёртом электроне начнётся спаривание.

Взаимосвязь принципа Паули и правила Хунда

Оба принципа дополняют друг друга и определяют порядок построения электронных конфигураций атомов. Принцип Паули накладывает жёсткое ограничение: два электрона не могут обладать одинаковыми квантовыми числами. Правило Хунда уточняет, как именно происходит распределение электронов по орбиталям одного подуровня, чтобы атом находился в наиболее устойчивом энергетическом состоянии.

Таким образом, комбинация этих положений объясняет:

• почему на каждой орбитали помещается не более двух электронов;
• почему в пределах подуровня сначала образуется максимум неспаренных электронов;
• почему атомы с одинаковым числом электронов на внешнем уровне проявляют сходные химические свойства.

Эти закономерности лежат в основе периодического закона Менделеева и позволяют прогнозировать строение и свойства атомов, а также особенности химической связи и реакционной способности элементов.