- •Курс физики
- •Механика глава 1. Кинематика и динамика частицы § 1. Путь и перемещение
- •§ 2. Скорость и ускорение
- •§ 3. Сила и работа
- •Глава 2. Кинематика и динамика вращения твердого тела § 4. Угловая скорость и угловое ускорение
- •§ 5. Средняя скорость и среднее ускорение
- •§ 6. Момент силы
- •Глава 3. Законы сохранения § 7. Механическая энергия. Закон сохранения механической энергии
- •§ 8. Импульс. Закон сохранения импульса
- •§ 9. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса
- •Глава 4. Механические колебания § 10. Гармонические колебания
- •§ 11. Затухающие колебания
- •§ 12. Вынужденные колебания
- •Глава 5. Механические волны § 13. Гармонические волны
- •§ 14. Плоская гармоническая волна
- •Экзаменационные вопросы 1
- •Контрольные задания 1 Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Вариант 6
- •Вариант 7
- •Вариант 8
- •Вариант 9
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Вариант 16
- •Вариант 17
- •Вариант 18
- •Вариант 19
- •Вариант 20
- •Вариант 21
- •Вариант 22
- •Вариант 23
- •Вариант 24
- •Вариант 25
- •Вариант 26
- •Вариант 27
- •Вариант 28
- •Вариант 29
- •Вариант 30
- •Приложение а
- •Молекулярная физика глава 6. Кинетическая теория газов § 15. Уравнение состояния идеального газа
- •§ 16. Внутренняя энергия идеального газа
- •§ 17. Распределение Максвелла
- •§ 18. Барометрическая формула
- •§ 19. Распределение Больцмана
- •§ 20. Явления переноса
- •Глава 7. Термодинамика § 21. Термодинамическая система и термодинамический процесс
- •§ 22. Первый закон термодинамики
- •§ 23. Теплоемкость идеального газа
- •§ 24. Адиабатический процесс
- •§ 25. Энтропия
- •§ 26. Второй и третий законы термодинамики
- •Глава 8. Реальные газы § 27. Силы межмолекулярного взаимодействия в газах
- •§ 28. Агрегатное состояние вещества
- •§ 29. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •§ 30. Внутренняя энергия реального газа
- •Экзаменационные вопросы 2
- •Контрольные задания 2 Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Вариант 6
- •Вариант 7
- •Вариант 8
- •Вариант 9
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Вариант 16
- •Вариант 17
- •Вариант 18
- •Вариант 19
- •Вариант 20
- •Вариант 21
- •Вариант 22
- •Вариант 23
- •Вариант 24
- •Вариант 25
- •Вариант 26
- •Вариант 27
- •Вариант 28
- •Вариант 29
- •Вариант 30
- •Приложение б
- •Электромагнетизм глава 9. Электрическое поле в вакууме § 31. Напряженность поля
- •§ 32. Поток вектора
- •§ 33. Теорема Гаусса для поля вектора
- •§ 34. Циркуляция вектора
- •§ 35. Потенциал поля
- •§ 36. Связь между φ и
- •Глава 10. Электрическое поле в диэлектрике § 37. Диполь в электрическом поле
- •§ 38. Поляризация диэлектрика
- •§ 39. Вектор
- •Глава 11. Энергия электрического поля § 40. Электроемкость
- •§ 41. Электроемкость плоского конденсатора
- •§ 42. Энергия электрического поля
- •Глава 12. Электрический ток § 43. Электрический ток
- •§ 44. Закон Ома для проводника
- •§ 45. Обобщенный закон Ома
- •§ 46. Закон Джоуля – Ленца
- •Глава 13. Магнитное поле в вакууме § 47. Магнитная индукция
- •§ 48. Закон Био – Савара
- •§ 49. Теорема Гаусса для поля вектора
- •§ 50. Теорема о циркуляции вектора
- •§ 51. Магнитное поле в соленоиде
- •§ 52. Закон Ампера
- •Глава 14. Магнитное поле в веществе § 53. Контур с током в магнитном поле
- •§ 54. Намагничивание магнетика
- •§ 55. Вектор
- •Глава 15. Энергия магнитного поля § 56. Индуктивность
- •§ 57. Электромагнитная индукция
- •§ 58. Энергия магнитного поля
- •Глава 16. Электромагнитные волны § 59. Вихревое электрическое поле
- •§ 60. Ток смещения
- •§ 61. Система уравнений Максвелла
- •§ 62. Электромагнитные волны
- •Глава 17. Волновая оптика § 63. Свет
- •§ 64. Интерференция света
- •§ 65. Дифракция света
- •§ 66. Поглощение света
- •§ 67. Рассеяние света
- •§ 68. Поляризация света
- •§ 69. Закон Малюса
- •§ 70. Вращение плоскости поляризации
- •Контрольные задания 3 Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Вариант 6
- •Вариант 7
- •Вариант 8
- •Вариант 9
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Вариант 16
- •Вариант 17
- •Вариант 18
- •Вариант 19
- •Вариант 20
- •Вариант 21
- •Вариант 22
- •Вариант 23
- •Вариант 24
- •Вариант 25
- •Вариант 26
- •Вариант 27
- •Вариант 28
- •Вариант 29
- •Вариант 30
- •Экзаменационные вопросы 3
- •Приложение в
- •Квантовая физика глава 18. Квантовая оптика § 71. Тепловое излучение
- •§ 72. Закон Кирхгофа
- •§ 73. Законы теплового излучения черного тела
- •§ 74. Формула Планка
- •§ 75. Фотоэффект
- •§ 76. Формула Эйнштейна для фотоэффекта
- •§ 77. Фотон
- •§ 78. Эффект Комптона
- •Глава 19. Квантовая механика § 79. Волны де Бройля
- •§ 80. Волновая функция
- •§ 81. Соотношение неопределенностей Гейзенберга
- •§ 82. Уравнение Шредингера
- •§ 83. Микрочастица в потенциальном ящике
- •Глава 20. Атомная физика § 84. Атом водорода
- •§ 85. Излучение и поглощение света атомом водорода
- •§ 86. Пространственное квантование
- •§ 87. Принцип Паули
- •Глава 21. Зонная теория твердых тел § 88. Металлы, полупроводники и диэлектрики
- •§ 89. Электронно-дырочная проводимость полупроводников
- •§ 90. Примесные полупроводники
- •Глава 22. Ядерная физика § 92. Строение атомного ядра
- •§ 93. Энергия связи ядра
- •§ 94. Радиоактивность
- •Контрольные задания 4 Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Вариант 6
- •Вариант 7
- •Вариант 8
- •Вариант 9
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Вариант 16
- •Вариант 17
- •Вариант 18
- •Вариант 19
- •Вариант 20
- •Вариант 21
- •Вариант 22
- •Вариант 23
- •Вариант 24
- •Вариант 25
- •Вариант 26
- •Вариант 27
- •Вариант 28
- •Вариант 29
- •Вариант 30
- •Экзаменационные вопросы 4
- •Приложение г
- •Оглавление
§ 87. Принцип Паули
Мы установили, что состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:
главным n (n = 1, 2, 3, …),
орбитальным l (l = 0, 1, 2, …, n –1),
магнитным m (),
спиновым ms ().
В основном состоянии атома (n = 1) все электроны должны были бы находиться в 1s-состоянии. Однако на самом деле это не так. Швейцарский физик-теоретик Вольфгант Паули установил в 1925 г. квантово-механический закон, названный впоследствии принципом Паули:
в любом атоме не может быть двух электронов, находящихся в двух одинаковых стационарных состояниях, определяемых набором четырех квантовых чисел: главного n, орбитального l, магнитного m и спинового ms.
Согласно принципу Паули, можем написать
n = 1 l = 0 m = 0 ms = +1/2 ms = –1/2 |
В состоянии n = 1 могут находиться только 2 электрона (с l = 0 имеем 2 электрона) |
n = 2 l = 0 m = 0 ms = +1/2 ms = –1/2 l = 1 m = 0 ms = +1/2 ms = –1/2 m = +1 ms = +1/2 ms = –1/2 m = –1 ms = +1/2 ms = –1/2 |
В состоянии n = 2 могут находиться только 8 электронов (с l = 0 имеем 2 электрона, с l = 1 имеем 6 электронов) |
Продолжая рассуждение, получим следующую закономерность: в состоянии n могут находиться только 2n2 электронов, причем максимальное число электронов, соответствующих квантовому числу l, равно 2(2l +1).
Принцип Паули сыграл выдающуюся роль в развитии современной атомной и ядерной физики. Так, например, удалось теоретически обосновать периодическую систему элементов Менделеева. Теория периодической системы основывается на следующих положениях:
1) порядковый номер химического элемента равен общему числу электронов в атоме данного элемента;
2) состояние электронов в атоме определяется набором их квантовых чисел n, l, m, ms. Распределение электронов в атоме по энергетическим состояниям должно удовлетворять принципу минимума потенциальной энергии: с возрастанием числа электронов каждый следующий электрон должен занять возможное энергетическое состояние с наименьшей энергией;
3) заполнение электронами энергетических состояний в атоме должно происходить в соответствии с принципом Паули.
Электроны в атоме, занимающие совокупность состояний с одинаковым значением главного квантового числа n, образуют электронный слой. В зависимости от значений n различают следующие слои:
K при n = 1,
L при n = 2,
M при n = 3,
N при n = 4 и т. д.
Из формулы 2n2 определяют максимальное число электронов, которые могут находиться в слоях. Например, в K слое находится 2 электрона, в L, M, N слоях — соответственно 8, 18 и 32 электрона.
В каждом из слоев электроны распределяются по оболочкам, каждая из которых соответствует определенному значению орбитального квантового числа l. Максимальное число электронов, находящихся в состоянии, определяемом значением l орбитального квантового числа, дается формулой 2(2l +1) (табл. 87.1).
Таблица 87.1
Слой |
Число электронов в состояниях |
Макс. число электронов |
|||
s (l = 0) |
p (l = 1) |
d (l = 2) |
f (l = 3) |
||
K |
2 |
|
|
|
2 |
L |
2 |
6 |
|
|
8 |
M |
2 |
6 |
10 |
|
18 |
N |
2 |
6 |
10 |
14 |
32 |
В атомной физике принято обозначать электронное состояние в атоме символом nl, указывающим значения двух квантовых чисел. Электроны, находящиеся в состояниях, характеризуемых одинаковыми квантовыми числами n и l, называют эквивалентными. Число z эквивалентных электронов указывается показателем степени в символе nlz.
Если электроны находятся в некоторых состояниях с определенными значениями квантовых чисел n и l, то считается заданной электронная конфигурация. Например, основное состояние атома кислорода можно выразить следующей символической формулой:
Она показывает, что два электрона находятся в состояниях с n = 1 и l = 0, два электрона — c n = 2 и l = 0 и четыре электрона — с n = 2 и l = 1.