Os átomos e o princípio de exclusão de Pauli

A física quântica começou a ser amplamente estudada no século XX, quando cientistas fizeram descobertas que introduziram teorias que iam além do modelo de física da época, como a dualidade onda-partícula e o princípio da exclusão de Pauli. No caso do princípio de Pauli, ele explica que dois elétrons não ocupam o mesmo estado quântico.

Em 1925, o físico teórico austríaco Wolfgang Pauli formulou o princípio para compreender e explicar a estrutura dos átomos e das partículas subatômicas; por isso, foi considerado uma das grandes contribuições para a mecânica quântica.

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Como alguns comportamentos caóticos dos átomos e partículas não podiam ser explicados pela física tradicional, Pauli previu a restrição que recebeu seu nome em homenagem. Com esses dados, os cientistas conseguiram compreender melhor a estabilidade da matéria.

Além de ser considerado um conceito essencial na física quântica, o princípio da exclusão de Pauli também é muito importante na química. Inclusive, foi uma das descobertas responsáveis pela tabela periódica como a conhecemos, pois forneceu uma explicação para a estrutura eletrônica dos átomos. Consequentemente, auxiliou na organização das propriedades dos elementos químicos.

A história de Pauli com a ciência começou com seu pai, médico e professor na Universidade de Viena, o que despertou seu interesse pelo tema. Como físico, ele publicou artigos amplamente reconhecidos e prestigiados por cientistas importantes da época, incluindo o físico Albert Einstein — com quem também trocou correspondências.

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“O princípio da exclusão de Pauli é a afirmação de que dois elétrons em um átomo não podem estar, ao mesmo tempo, no mesmo estado ou configuração. Posteriormente, o princípio da exclusão foi generalizado para incluir uma classe inteira de partículas, das quais o elétron é apenas um dos membros”, é descrito na enciclopédia Britannica

O que é o princípio de Exclusão de Pauli?

Pauli percebeu que nenhum elétron em um átomo pode ocupar um estado com os mesmos valores para os quatro números quânticos: principal (n), azimutal ou secundário (l), magnético (ml) e spin (ms). Assim, em janeiro de 1925, ele anunciou o princípio da exclusão de Pauli.

Os números quânticos descrevem o estado de um elétron em um átomo e são utilizados para entender suas propriedades e localização nos orbitais atômicos.

Um orbital atômico é o nome dado a uma região ao redor do núcleo de um átomo. Ele é classificado em diferentes tipos com base no número quântico azimutal, que determina seu formato. Esse conceito ajuda os cientistas a entender como os elétrons estão distribuídos ao redor do núcleo e como eles interagem entre si.

No princípio da exclusão de Pauli, o cientista explica que dois ou mais elétrons não podem ter os mesmos números quânticos no mesmo sistema. Assim, apenas dois elétrons podem ocupar juntos o orbital mais baixo de um átomo.

Talvez você esteja lendo todas essas informações e não esteja entendendo nada. Calma. Vou tentar explicar de uma forma mais simples.

Imagine uma casa grande cheia de quartos, mas cada quarto só tem capacidade para duas pessoas. A regra é que essas pessoas precisam ser de países diferentes — ou seja, não podem ser do mesmo lugar. 

Pense no orbital de um átomo como um desses quartos: ele só pode acomodar dois elétrons e, assim como as pessoas precisam ser de países diferentes, eles precisam ter sentidos de rotação (spin) distintos para coexistir.

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“As partículas às quais o princípio de exclusão de Pauli se aplica são chamadas férmions; aquelas que não obedecem a esse princípio são chamadas bósons. Em um sistema fechado, como um átomo (para elétrons) ou um núcleo (para prótons e nêutrons), os férmions são distribuídos de modo que um determinado estado seja ocupado por apenas um de cada vez”, a enciclopédia Britannica descreve.

Talvez esse exemplo não transmita a real dimensão da importância do princípio de exclusão de Pauli. Mas não se sinta desencorajado, pois milhares de cientistas continuam estudando o tema para entender melhor como esse princípio explica a estrutura dos átomos e como ele contribui para outras áreas da ciência.

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