Ο κανόνας του Hund

Σύμφωνα με τον πρώτο κανόνα του Χουντ, η ατομική κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας είναι αυτή που μεγιστοποιεί τον συνολικό κβαντικό αριθμό σπιν για τα ηλεκτρόνια στο ανοιχτό υποκέλυφος. Πριν από τη διπλή κατάληψη, τα τροχιακά του υποκελύφους καταλαμβάνονται το καθένα μεμονωμένα με ηλεκτρόνια παράλληλου σπιν. (Αυτό αναφέρεται μερικές φορές ως «κανόνας θέσεων λεωφορείου», επειδή είναι παρόμοια με τη συμπεριφορά των επιβατών του λεωφορείου, οι οποίοι τείνουν να γεμίζουν όλες τις διπλές θέσεις ξεχωριστά πριν προκύψει διπλή πληρότητα.)

Κανόνας του Χουντ 

• Σύμφωνα με τον κανόνα του Hund, ένα άτομο με υψηλότερη συνολική κατάσταση σπιν είναι περιστασιακά πιο σταθερό. Για τον προσδιορισμό της κατάστασης μιας διεγερμένης διαμόρφωσης ηλεκτρονίων, αυτός ο κανόνας είναι αρκετά αξιόπιστος (με λίγες εξαιρέσεις). Ο Friedrich Hund το βρήκε το 1925. Ο κανόνας του Hund είναι ο εξής:Προτού οποιοδήποτε τροχιακό σε ένα υποεπίπεδο είναι διπλά κατειλημμένο, κάθε τροχιακό καταλαμβάνεται ξεχωριστά. Κάθε ηλεκτρόνιο σε ένα χωριστά κατειλημμένο τροχιακό έχει το ίδιο σπιν (για να μεγιστοποιηθεί το συνολικό σπιν). Ο κανόνας της μέγιστης πολλαπλότητας είναι ένα άλλο όνομα για τον κανόνα του Hund.
• Τα ηλεκτρόνια πρέπει πάντα να εισέρχονται σε ένα κενό τροχιακό πριν συνεργαστούν, σύμφωνα με τον πρώτο κανόνα. Αντί να μοιράζονται ένα τροχιακό με ένα άλλο ηλεκτρόνιο, τα ηλεκτρόνια θα καταλαμβάνουν το δικό τους για να μειώσουν την απώθηση. Τα ηλεκτρόνια σε μεμονωμένα κατειλημμένα τροχιακά προστατεύονται λιγότερο αποτελεσματικά από τον πυρήνα, σύμφωνα με κβαντομηχανικές προσομοιώσεις.
• Ο δεύτερος κανόνας δηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια σε ασύζευκτα μεμονωμένα κατειλημμένα τροχιακά έχουν τον ίδιο αριθμό σπιν. Το πρώτο ηλεκτρόνιο ενός υποεπίπεδου μπορεί είτε να "σπιν-επάνω" ή "να σπιν-κάτω". Μόλις προσδιοριστεί το σπιν του πρώτου ηλεκτρονίου σε ένα υποεπίπεδο, οι σπιν όλων των άλλων ηλεκτρονίων σε αυτό το υποεπίπεδο καθορίζονται από αυτό το πρώτο σπιν.

Επεξήγηση του κανόνα του Hund

• Ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα γύρω από τον οποίο τα ηλεκτρόνια περιφέρονται σε διαφορετικά ενεργειακά τροχιακά. Η αρχή Aufbau δηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια γεμίζουν πρώτα το χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο πριν προχωρήσουν στα υψηλότερα. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε ξεχωριστά ατομικά τροχιακά, σχηματίζοντας τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων. Η πλήρωση των τροχιακών, από την άλλη πλευρά, σύμφωνα με ένα σύνολο κανόνων γνωστών ως κανόνας του Hund. Επειδή τα ζευγαρωμένα και μη ζευγοποιημένα ηλεκτρόνια έχουν διαφορετικές ιδιότητες, ο κανόνας του Hund μπορεί να βοηθήσει στην πρόβλεψη των ιδιοτήτων του ατόμου (ειδικά με τις αλληλεπιδράσεις με τα μαγνητικά πεδία).
• Όταν τα άτομα έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, πρώτα αλληλεπιδρούν τα εξωτερικά τους ηλεκτρόνια ή οι φλοιοί σθένους. Όταν το κέλυφος σθένους ενός συσχετισμένου ατόμου δεν είναι γεμάτο, είναι το λιγότερο σταθερό (και επομένως το πιο αντιδραστικό). Η χημική συμπεριφορά ενός συνδεδεμένου στοιχείου καθορίζεται κυρίως από τα ηλεκτρόνια σθένους του. Τα χημικά χαρακτηριστικά είναι συνήθως παρόμοια μεταξύ των τμημάτων με ισοδύναμο εύρος ηλεκτρονίων σθένους. Όταν όλα τα τροχιακά ενός συνδεδεμένου ατόμου είναι γεμάτα με ηλεκτρόνια, είναι το πιο σταθερό (και επομένως μη αντιδραστικό). Τα ευγενή αέρια, τα οποία είναι εξαιρετικά σταθερά και γενικά δεν αντιδρούν μεταξύ τους, έχουν αυτές τις διαμορφώσεις.

Σημειώσεις κανόνα του Χουντ

Η πλήρωση ηλεκτρονίων στο υποκέλυφος των ατόμων αντιμετωπίζεται από τον κανόνα μέγιστης πολλαπλότητας του Hund. Βοηθά στον προσδιορισμό της συνολικής ηλεκτρονικής διαμόρφωσης μειώνοντας τις ανωμαλίες σε υποκελύφη με τα ίδια ενεργειακά τροχιακά. Ο κανόνας του Hund δηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια που κατοικούν τα τροχιακά του ίδιου υποκοίλου ακολουθούν τα ίδια κριτήρια. Ο κανόνας του Hund, ο οποίος καθορίζει το πολλαπλάσιο της θεμελιώδους κατάστασης των ηλεκτρονίων σε ατομικό επίπεδο, είναι ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της φυσικής συσχέτισης. Όταν τα ηλεκτρόνια πηδούν μεταξύ ατόμων σε πραγματικά συστήματα, αποκτούν δρομολόγιο, η οποία συνήθως αντιπροσωπεύεται από τη θεωρία ζώνης. Ο στόχος των θεωριών συσχέτισης είναι να παρέχουν μια αξιόπιστη προσέγγιση για τον χαρακτηρισμό της συνθήκης ανάμεσα στα δύο άκρα.

Κανόνας του Hund και ηλεκτρονική διαμόρφωση

• Η αρχή Aufbau, ο κανόνας του Hund και η αρχή του αποκλεισμού Pauli είναι τρεις βασικοί κανόνες που ρυθμίζουν τη συνολική ηλεκτρονική διάταξη των ατόμων στον περιοδικό πίνακα.
• Ο κανόνας Aufbau υπαγορεύει να συμπληρωθούν πρώτα τα τροχιακά χαμηλότερης ενέργειας.
• Σύμφωνα με τον κανόνα αποκλεισμού Pauli, κανένα ηλεκτρόνιο σε ένα τροχιακό δεν μπορεί να έχει το ίδιο σπιν.
• Ο κανόνας του Χουντ αφορά την ηλεκτρική διάταξη των τροχιακών που ανήκουν στο ίδιο υποκέλυφος, που ονομάζονται εκφυλισμένα τροχιακά.

Εφαρμογές του κανόνα του Hund

• Στην κβαντική χημεία, ο κανόνας του Hund είναι εξαιρετικά σημαντικός. Δείχνει τη σταθερότητα των εκφυλισμένων τροχιακών του ίδιου υποκελύφους.
• Στη φασματοσκοπία, ο κανόνας του Hund χρησιμοποιείται για την κατασκευή των ατομικών φασμάτων των στοιχείων.
• Ο κανόνας του Χουντ διασφαλίζει τη μέγιστη πολλαπλότητα περιστροφής, η οποία βοηθά στον καθορισμό μιας σταθερής ηλεκτρονικής διάταξης.

Συμπέρασμα

Ο κανόνας μέγιστης πολλαπλότητας του Hund δίνει έναν μηχανισμό για την οργάνωση των ηλεκτρονίων σε τροχιακά υποκέλυφος. Ο κανόνας Aufbau βασίζεται στα ενεργειακά επίπεδα των υποκελύφους και αποφασίζει ποιο υποκέλυφος πρέπει να γεμίσει πρώτο. Ο αριθμός των τροχιακών σε κάθε υποκέλυφος (s,p,d,f) είναι διαφορετικός. Ο κανόνας του Hund δηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια που γεμίζουν τα τροχιακά του ίδιου υποστυλώματος ακολουθούν τα κριτήρια. Εάν είναι διαθέσιμα δύο ή περισσότερα εκφυλισμένα (δηλαδή, ίδιας ενέργειας) τροχιακά, ένα ηλεκτρόνιο εισέρχεται σε καθένα μέχρι να γεμίσουν όλα τα μισά πριν συζευχθούν, σύμφωνα με τον Κανόνα του Hund. Κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να αναγνωριστεί από το ίδιο σύνολο κβαντικών αριθμών, σύμφωνα με την Αρχή Αποκλεισμού Pauli.