Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 17)

Quy tắc Hund

Năm 1927, nhà vật lí Đức Friedrich Hund đã phát triển một bộ quy tắc giúp thiết lập trật tự cho tình trạng lộn xộn cấu hình electron. Ông thiết lập ba quy tắc xác định cấu hình nào của nguyên tử gồm vài electron là có trạng thái năng lượng cơ bản thấp nhất, và do đó được ưu tiên.

Bộ quy tắc bao gồm việc cộng spin (s) và moment động lượng quỹ đạo (l) của từng electron để cho tổng tương ứng kí hiệu là S và L. Sau đó cộng hai số này lại ta được “số lượng tử moment quỹ đạo toàn phần” (J). Các quy tắc được trình bày ở phần dưới, nhưng hàm ý của chúng mới là quan trọng nhất: các quy tắc Hund ngụ ý rằng các tất cả electron ở những vị trí bị chiếm giữ đơn độc phải quay theo cùng một chiều, và đồng thời tất cả những vị trí còn trống phải được lấp đầy trước khi các electron có thể bắt đầu ghép cặp.

Vấn đề này quan trọng bởi vì cấu hình electron ở lớp vỏ ngoài cùng quyết định tính chất hoá học của nguyên tử, vì thế trật tự mà chúng chiếm giữ các vị trí là thiết yếu trong việc xác định mỗi nguyên tử tương tác như thế nào với nguyên tử và phân tử khác.

Quy tắc Hund:

Đối với mỗi cấu hình electron cho trước, số hạng năng lượng thấp nhất có giá trị S lớn nhất.

Đối với mỗi giá trị S cho trước, số hạng năng lượng thấp nhất có giá trị L lớn nhất.

Nếu lớp vỏ con ngoài cùng của nguyên tử mới được lấp đầy một nửa hoặc ít hơn, thì năng lượng thấp nhất ứng với giá trị nhỏ nhất của J (L + S), còn nếu nó được lấp đầy hơn một nửa thì năng lượng thấp nhất ứng với giá trị lớn nhất của J.

Nguyên lí loại trừ Pauli

Trong khi các quy tắc Hund mô tả cấu hình electron, nhưng chúng chẳng lí giải vì sao xuất hiện những cấu hình này. Lời giải thích đó nằm ở nguyên lí loại trừ nổi tiếng do nhà vật lí lỗi lạc người Áo Wolfgang Pauli khám phá vào năm 1925.

Pauli nhận thấy số lượng electron trong mỗi lớp vỏ electron bị chiếm đầy – hai ở lớp vỏ K, sáu ở lớp vỏ L, mười ở lớp vỏ M, và vân vân – giống hệt với số cách sắp xếp khả dĩ cho các số lượng tử giữa các electron thuộc lớp vỏ đó. Ông kết luận rằng tự nhiên không cho phép hai electron với số lượng tử y hệt nhau chiếm cùng một lớp vỏ; mọi nỗ lực làm như thế đều bị loại trừ (buộc chuyển sang một lớp vỏ khác với mức năng lượng cao hơn). Như vậy, cấu trúc của các lớp vỏ electron tránh bị suy sụp. Về sau người ta thấy nguyên lí loại trừ Pauli không chỉ áp dụng cho electron, mà cả cho neutron và proton, cùng với một số hệ quả thật hấp dẫn.

Phân bố electron ở một số nguyên tố đơn giản

Vật lí Lượng tử Tốc hành | Gemma Lavender
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn