泡利不相容原理

楊 劍 徐民強

(浙江師范大學(xué) 浙江 金華 321004)

泡利不相容原理

楊 劍 徐民強

(浙江師范大學(xué) 浙江 金華 321004)

泡利不相容原理又稱泡利原理、不相容原理。科學(xué)實驗告訴我們，在一個原子里不可能存在著電子層、電子亞層、軌道的空間伸展方向和自旋狀況完全相同的兩個電子。這個原理叫泡利不相容原理。泡利不相容原理是微觀粒子運動的基本規(guī)律之一。它指出：在費米子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個或兩個以上的粒子處于完全相同的狀態(tài)。在原子中完全確定一個電子的狀態(tài)需要四個量子數(shù)，所以泡利不相容原理在原子中就表現(xiàn)為：不能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數(shù)，這成為電子在核外排布形成周期性從而解釋元素周期表的準(zhǔn)則之一。

泡利；原子核；電子自旋；不相容

[1] 《熱力學(xué)》，第二版，高等教育出版社，

[2] 楊福家《原子物理學(xué)》上?？萍汲霭嫔?/p>

[3] 朱長軍《大學(xué)物理學(xué)》西安電子科技大學(xué)出版社

[4] 田長霖，王竹溪《統(tǒng)計物理學(xué)導(dǎo)論》，第二版，人民教育出版社

楊劍(1992-)，男，漢，貴州黃平，本科，浙江師范大學(xué)。

O48

A

1672-5832(2016)06-0045-01

泡利原理：電子在原子核外運動狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。一個電子的運動狀態(tài)取決于它所處的電子層、電子亞層、軌道的空間伸展方向和自旋狀況。由于不同電子層具有不同的能量，而每個電子層中不同亞層的能量也不同。為了表示原子中各電子層和亞層電子能量的差異，把原子中不同電子層亞層的電子按能量高低排成順序，像臺階一樣，稱能級。例如，1s能級，2s能級，2p能級等等?？墒菍τ谀切┖送怆娮虞^多的元素的原子來說．情況比較復(fù)雜。多電子原子的各個電子之間存在著斥力，在研究某個外層電子的運動狀態(tài)時，必須同時考慮到核對它的吸引力及其它電子對它的排斥力。由于其它電子的存在。往往減弱了原子核對外層電子的吸引力，從而使多電子原子的電子所處的能級產(chǎn)生了交錯現(xiàn)象?？茖W(xué)實驗還告訴我們，在一個原子里不可能存在著電子層、電子亞層、軌道的空間伸展方向和自旋狀況完全相同的兩個電子。這個原理叫泡利不相容原理。如氫原子的兩個電子，都在第一層(K層)，電子云形狀是球形對稱、只有一種完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。核外電子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特規(guī)則。能量最低原理在核外電子的排布中，通常狀況下電子也總是盡先占有能量較低的原子軌道，只有當(dāng)能量較低些原子軌道占滿后，電子才依次進入能量較高的原子軌道，這個規(guī)律稱能量最低原理。洪特規(guī)則是在等價軌道(相同電子層、電子亞層上的各個軌道)上排布的電子將盡可能分占不同的軌道，且自旋方向相同．后來量子力學(xué)證明，電子這樣排布可使能量最低，所以洪特規(guī)則可以包括在能量最低原理中，作為能量最低原理的一個補充。泡利原理的重要性: 核外電子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特規(guī)則。上面講的三個原理，是從大量事實中概括出來的，它們能幫助我們了解元素的原子核外電子排布的規(guī)律，但不能用它們來解釋有關(guān)電子排布的所有問題。不相容原理是量子理論中的重要原理，是1925年1月由泡利提出的。這一原理可以表述為：對于完全確定的量子態(tài)來說，每一量子態(tài)中不可能存在多于一個的粒子。泡利后來用量子力學(xué)理論處理了h/4π自旋問題，引入了二分量波函數(shù)的概念和所謂的泡利自旋矩陣。通過泡利等人對量子場的研究，人們認(rèn)識到只有自旋為半整數(shù)的粒子(即費米子)才受不相容原理的限制，從而確立了自旋統(tǒng)計關(guān)系。自旋為半整數(shù)的粒子(費米子)遵從泡利原理。它又可表述為全同費米子體系中不可能有兩個或兩個以上的粒子同時處于相同的單粒子態(tài)。1925年W.E.泡利為說明化學(xué)元素周期律提出來的。原子中電子的狀態(tài)由主量子數(shù)n、角量子數(shù)l、磁量子數(shù)ml以及自旋磁量子數(shù)ms所描述，因此泡利原理還可表述為原子內(nèi)不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的4個量子數(shù)(n,l,ml,ms)。根據(jù)泡利原理可很好地說明化學(xué)元素的周期律。泡利原理是全同費米子遵從的一條重要原則，在所有含有電子的系統(tǒng)中，在分子的化學(xué)價鍵理論中、在固態(tài)金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的理論中都起著重要作用。后來知道泡利原理也適用于其他如質(zhì)子、中子等費米子。泡利原理是認(rèn)識許多自然現(xiàn)象的基礎(chǔ)。

泡利原理研究史及其成就: 泡利在物理學(xué)上，尤其在量子力學(xué)方面，做出了許多非常重要的貢獻。泡利是1900年4月25日出生在奧地利首都維也納，我們知道就在這一年的年底普朗克第一次提出了能量子的概念。因此有人稱泡利為“和量子概念同年降生的人”。泡利在中學(xué)時就自修了大學(xué)物理，18歲時剛以優(yōu)異成績讀完中學(xué)，就向德文雜志《哲學(xué)學(xué)報》投寄了一篇研究引力場的能量的論文于1919年發(fā)表。泡利中學(xué)畢業(yè)后，于1919年帶著他父親的介紹信到慕尼黑大學(xué)去見著名的物理學(xué)家索末菲，要求不上大學(xué)而直接當(dāng)索末菲的研究生。索末菲表示他可以去聽當(dāng)時正在講授的課程,但懷疑他未必能聽得懂。泡利說“肯定能懂，我能不能也參加討論班”所謂討論班，是為了高年級的研究生安排的，素末菲當(dāng)時認(rèn)為泡利去參加是毫無意義的；但是后來發(fā)現(xiàn)他是班上掌握問題最快、理解問題最深和最有才能的一個參加者。泡利在慕尼黑度過了兩年，于1921年以一篇關(guān)于分子模型的論文獲得博士學(xué)位。1921年到1922年間，澎利當(dāng)了格廷根大學(xué)理論物理學(xué)教授玻恩的助手。后到漢堡，再到哥本哈根跟玻爾一起工作。1924年為了解決觀測到的分子光譜與正在發(fā)展的量子力學(xué)之間的矛盾泡利提出了一個新的自由度。他還提出了泡利不相容原理，這可能是他最重要的成果了。這個原理說任何兩個電子無法占據(jù)同一量子狀態(tài)。自旋的主意是泡利與拉爾夫·克羅尼格一起提出了。一年后喬治·尤金·烏倫貝克和塞繆爾·高德斯密特證實電子自旋就是泡利所提出的新的自由度。1926年海森堡發(fā)表了量子力學(xué)的矩陣?yán)碚摵蟛痪门堇褪褂眠@個理論推導(dǎo)出了氫原子的光譜。這個結(jié)果對于驗證海森堡理論的可信度非常重要。1927年他引入了泡利矩陣作為自旋操作符號的基礎(chǔ)，由此解決了非相對論自旋的理論。泡利的結(jié)果引發(fā)了保羅·狄拉克發(fā)現(xiàn)描述相對論電子的狄拉克方程式。