Правило Гунда: интересные факты и любопытные подробности
Правило Гунда - фундаментальный принцип квантовой механики, позволяющий предсказывать конфигурацию электронов в атомах. Открытое почти 100 лет назад, оно до сих пор удивляет ученых своей точностью и объясняет многие природные явления.
Кто открыл правило Гунда и когда
Правило Гунда было сформулировано в 1925 году немецким физико-химиком Фридрихом Гундом. Он занимался изучением электронных конфигураций атомов и обнаружил закономерность в том, как электроны распределяются по орбиталям в атоме. Это правило позволило объяснить многие ранее непонятные факты.
«Открытие правила Гунда стало настоящим прорывом в понимании природы химической связи и свойств веществ».
К тому времени уже были сформулированы основы квантовой теории, объясняющей дискретность энергетических уровней в атоме. Но не было понимания, как именно электроны распределяются по орбиталям каждого подуровня. Правило Гунда восполнило этот пробел.
Формулировка и суть правила Гунда
Правило Гунда формулируется следующим образом:
При заполнении электронами орбиталей каждого подуровня суммарное значение спинов электронов должно быть максимальным.
Это означает, что сначала каждая орбиталь заполняется по одному электрону со спином "+1/2", а уже затем начинается спаривание электронов с противоположными по знаку спинами. Таким образом достигается наибольшая сумма спинов на данном подуровне.
Например, рассмотрим заполнение р-орбиталей атома азота:
- Сначала заполняется орбиталь px одним электроном со спином +1/2
- Затем заполняется орбиталь py одним электроном со спином +1/2
- Далее заполняется орбиталь pz одним электроном со спином +1/2
После этого начинается добавление вторых электронов с противоположным спином:-1/2. И только когда все орбитали заполнены по одному электрону, начинается их спаривание. Это и есть суть правила Гунда.
Правило Гунда тесно связано с принципом Паули, согласно которому два электрона в атоме не могут иметь одинаковые значения всех квантовых чисел. Именно поэтому спаренные электроны имеют противоположно направленные спины.
Как правило Гунда объясняет ферромагнетизм
Правило Гунда в химии позволяет объяснить такие удивительные явления, как ферромагнетизм железа, кобальта и никеля. Это связано с неполной заполненностью электронных 3d-орбиталей в атомах этих элементов.
Рассмотрим атом железа. У него на 3d-орбиталях находится 6 электронов, причем благодаря правилу Гунда 5 из них имеют параллельные спины. Это создает высокий суммарный магнитный момент, за счет чего и возникает ферромагнетизм.
| Элемент | Железо | Кобальт | Никель |
| Число электронов на 3d-орбиталях | 6 | 7 | 8 |
| Число неспаренных электронов | 5 | 6 | 7 |
Как видно из таблицы, благодаря правилу Гунда в атомах этих металлов присутствует большое число неспаренных электронов с параллельными спинами. Это и обуславливает их ферромагнитные свойства.
Таким образом, это фундаментальное правило квантовой физики позволяет объяснить многие макроскопические свойства веществ.
Исключения из правила Гунда
Несмотря на широкую применимость, у правила Гунда есть ряд исключений, когда электронная конфигурация атомов не соответствует этому принципу.
Пример такого исключения демонстрирует атом азота в химических соединениях. У азота валентность равна 4, то есть он образует 4 ковалентные связи с другими атомами. Однако в соединениях типа азотной кислоты один из атомов кислорода присоединяется по донорно-акцепторному механизму.
Для этого у кислорода должна быть свободная р-орбиталь, куда может перейти электронная пара от азота. Поэтому вопреки правилу Гунда электронная конфигурация этого атома кислорода имеет вид:
1s2 2s2 2px2 2py2 2pz0
Вместо ожидаемой по Гунду:
1s2 2s2 2px2 2py1 2pz1
Химия азота нарушает правило Гунда
Подобные отклонения от принципа Гунда наблюдаются также в оксиде азота (V) и нитратах. Это связано с особенностями химического взаимодействия азота и необходимостью образования определенного числа ковалентных связей.
Такие "исключения из правила" не отменяют само правило Гунда, но показывают, что конкретная "химия" соединения может в определенных случаях преобладать над общими принципами квантовой механики.
Квантовые вычисления на основе правила Гунда
Уникальные свойства электронов, подчиняющихся правилу Гунда, активно исследуются в последние годы для создания квантовых компьютеров.
Благодаря запутанности квантовых частиц и их корреляции на больших расстояниях появляется возможность мгновенной передачи информации и параллельных вычислений.
Уже разработаны прототипы квантовых чипов на основе фосфора, где используются донорные атомы фосфора в кремнии. Электроны таких атомов подчиняются правилу Гунда, что позволяет добиться их квантовой запутанности.
Правило Гунда в астрофизике
Принципы квантовой механики, и правило Гунда в частности, находят применение не только в физике и химии, но даже в астрофизике.
Например, исследование спектров излучения отдаленных звезд и галактик опирается на представления о энергетических уровнях электронов в атомах различных элементов. А их строение напрямую зависит от правила Гунда.
Таким образом, это фундаментальное правило квантовой механики применимо для объяснения самых разнообразных явлений во Вселенной!