Elektronenspin und chemische Eigenschaften

Wenn Elektronen keinen Spin hätten und sie daher Bosonen statt Fermionen wären, sähe unser gesamtes Universum ganz anders aus. Wenn das Elektron ein Boson wäre, wäre die Chemie völlig anders. Zum Beispiel in einem bosonischen Elektronenuniversum:

... das volumenmäßig größte Atom wäre das Wasserstoffatom und es hätte die gleiche Größe wie das Wasserstoffatom in unserem Universum, das der Bohr-Radius ist,$r_B$. Für alle anderen Atome wäre der effektive Radius jedoch$r_B/Z$. Wo$Z$ist die Ordnungszahl = die Anzahl der Protonen im Kern. Der Grund dafür ist, dass, wenn Elektronen Bosonen sind, es möglich ist, dass sich alle Elektronen des Atoms im 1S-Orbital des Atoms befinden. Aber in unserem Universum erlaubt das Pauli-Ausschlussprinzip nur zwei Elektronen in jedem einzelnen Orbital – eines mit Spin-Up und eines mit Spin-Down. Im bosonischen Universum würde sich also ein Elektron nur dann in einem höheren Orbital befinden, wenn es vorübergehend durch ein Photon oder eine andere Energiequelle in ein höheres Orbital angeregt wird - es würde dann schnell in das 1S-Orbital zurückkehren ... .

-- (aus einer Antwort, die ich auf Quora geschrieben habe - siehe die Antwort für viele andere interessante Konsequenzen, wie z. B. eine Explosion, wenn sich zwei Objekte berühren)

Wenn nun das Elektron keinen Spin hat und es immer noch ein Fermion ist, dann wäre die Chemie auch ganz anders. In unserem Universum kann jedes Elektronenorbital in einem Atom zwei Elektronen haben, eines mit Spin nach oben und eines mit Spin nach unten. In diesem fermionischen Elektronenuniversum mit Spin 0 könnte es in jedem Orbital nur ein Elektron geben. Daher die Größe hoch$Z$Atome in diesem Universum wären viel größer als unser Universum, da doppelt so viele Orbitale besetzt wären.

Außerdem wird auch die chemische Bindung von Atomen zu Molekülen ganz anders sein. Das einfachste mögliche Molekül ist$H_2$. In unserem Universum ist die$H_2$Molekül fest gebunden ist - insbesondere die Gesamtenergie von$H_2$ist deutlich geringer als die Energie zweier Individuen$H$Atome. Jeder Einzelne$H$Atom hat ein einzelnes Elektron im 1S-Orbital. Das 1S-Orbital kann jedoch ein zweites Elektron aufnehmen; und jedes Elektron wäre so fest gebunden wie das andere (wobei die Tatsache ignoriert wird, dass es nur ein Proton im Kern gibt). Wenn Sie zwei mitbringen$H$Atome nahe beieinander, die beiden einzelnen Elektronen können ein Molekül-"Orbital" besetzen, das beide Kerne umfasst, und dieses eine Molekül-"Orbital" würde 2 Elektronen mit entgegengesetztem Spin enthalten.

In diesem fermionischen Elektronenuniversum mit Spin 0 ist das$H_2$Molekül wird nicht so fest gebunden sein wie$H_2$in unserem Universum. Erwägen Sie, die beiden Protonen (Kerne) nahe beieinander zu platzieren, eines der Elektronen kann sich im ersten molekularen "Orbital" befinden, aber das zweite Elektron muss in das zweite, energiereichere molekulare "Orbital" gehen. Und so kam es dass der$H_2$Molekül in diesem Universum wird nicht so fest gebunden sein wie das$H_2$Molekül in unserem Universum.

Die Chemie in diesem fermionischen Elektronenuniversum mit Spin 0 würde sich sehr von der Chemie in unserem Universum unterscheiden. Beispielsweise sind einige Moleküle, die in unserem Universum stabil sind, in diesem Universum möglicherweise nicht stabil.

Siehe zB https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_chemistry :

"Bindungen können nur zwischen zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin gebildet werden ... Manchmal, wenn eine Bindung auf eine bestimmte Weise gebrochen wird, beispielsweise wenn sie von Photonen getroffen wird, wandert jedes Elektron in der Bindung zu dem jeweiligen Molekül und einem Radikalpaar Außerdem bleibt der Spin jedes zuvor an der Bindung beteiligten Elektrons erhalten,[1][2]... was bedeutet, dass das jetzt gebildete Radikalpaar ein Singulett ist (jedes Elektron hat einen entgegengesetzten Spin, wie im Ursprung Als solche tritt leicht die umgekehrte Reaktion auf, dh die Neubildung einer Bindung, die als Rekombination bezeichnet wird.Der Radikalpaarmechanismus erklärt, wie externe Magnetfelder die Radikalpaarrekombination mit Zeeman-Wechselwirkungen, der Wechselwirkung zwischen Spin und einem externen, verhindern können Magnetfeld,und zeigt, wie ein höheres Auftreten des Triplett-Zustands Radikalreaktionen beschleunigt, weil Tripletts nur zu Produkten fortschreiten können und Singuletts sowohl mit den Reaktanten als auch mit den Produkten im Gleichgewicht sind.

Angenommen, ein Elektron hätte ... Spin ..., können wir feststellen, ob einige Elemente chemisch inert sind?

Historisch gesehen wurde am Anfang einfach beobachtet, dass einige Elemente inert sind und/oder andere chemische Eigenschaften haben (ein Metall, eine Säure usw. sein). Später wurden die bekannten Elenden von Mendeleev und Meyer in Tabellen geordnet . Die erwähnten Wissenschaftler ordneten die Elemente nach Gewicht (von oben nach unten) und nach ihren chemischen Eigenschaften (von links nach rechts). Diese Tabellen wurden Periodensysteme genannt, weil sich in jeder Reihe die chemischen Eigenschaften der Elemente von links nach rechts wiederholende chemische Eigenschaften haben.

Die spätere Physik behauptet, dass die begründeten Eigenschaften mit Elektronenhüllen um den Kern zu tun haben. Gemäß dem oben ausschnittsweise dargestellten Periodensystem enthält die erste Schale maximal 2 Elektronen und die rechten Elemente der nächsten beiden Reihen haben jeweils 8 Elektronen in der äußeren Elektronenschale. Diese Elemente He , Ne und Ar sind inert und werden als Edelgase bezeichnet.

Weiterhin wurde empirisch festgestellt, dass die Elemente neben den Edelgasen in Verbindungen gerne ihre Schalen mit Elektronen anderer Elemente füllen. Und dass Fluor F aggressiver ist als Chlor Cl - weil die Elektronen in F fester an den Kern gebunden sind.

Fluor ist ein faszinierendes Element, das – vereinfacht gesagt – das Elektron überall hin mitnimmt, wo es ein anderes Element um sich herum hat. Beispiele sind HF , ClF3 oder ClF5 . Ein wirklich aggressives Element. In jedem dieser Beispiele fängt jedes Fluor ein Elektron ein, um seine Elektronenhülle auf acht Elektronen zu füllen, und das andere Element verliert so viele Elektronen, dass die verbleibenden Elektronen eine gerade Zahl sind.

Was Sie überprüfen müssen, ist, immer Elektronenpaare zu bekommen. Dass Elektronen gerne paarweise sind, wurde durch das Pauli-Ausschlussprinzip ausgedrückt . Es ist ein Prinzip und keine Erklärung, warum dies in Atomen so geschieht. Aber wenn Sie sich vorstellen müssen, wie die Elektronen Paare bilden, können Sie sich die Elektronen als winzige Stabmagnete vorstellen (sie haben tatsächlich ein magnetisches Dipolmoment ) und zwei von ihnen bilden ein magnetisches Paar.

Und noch eine Bemerkung. Das Edelgas Xenon Xe ist gegenüber Fluor nicht inert! Siehe auf Wikipedia über Xenonfluorid .