2015-07-31 14:19:28

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原子核物理
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泡利不相容原理所属现代词,指的是在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子。又称泡利原理、不相容原理引。

基本信息

  • 中文名

    泡利不相容原理

  • 外文名

    Pauli's exclusion principle

  • 适用领域范围

    化学、物理及其相关学科

  • 别    称

    泡利原理

  • 提出时间

    1925年

  • 应用范围

    对所有费米子有效

  • 提出者

    沃尔夫冈·泡利

  • 应用学科

    化学、物理及其相关学科

折叠 编辑本段 概念

核外电子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理洪特规则.能量最低原理就是泡利泡利在不违背泡利不相容原理的前提下,核外电子总是尽先占有能量最低的轨道,只有当能量最低的轨道占满后,电子才依次进入能量较高的轨道,也就是尽可能使体系能量最低.洪特规则是在等价轨道(相同电子层、电子亚层上的各个轨道)上排布的电子将尽可能分占不同的轨道,且自旋方向相同.后来量子力学证明,电子这样排布可使能量最低,所以洪特规则可以包括在能量最低原理中,作为能量最低原理的一个补充。

自旋为半整数的粒子(费米子)所遵从的一条原理。简称泡利原理。它可表述为全体费米子体系中不可能有两个或两个以上的粒子同时处于相同的单粒子态。电子的自旋,电子遵从泡利原理。1925年W.E.泡利为说明化学元素周期律提出来的。原子中电子的状态由主量子数n、角量子数l、磁量子数ml以及自旋磁量子数ms所描述,因此泡利原理又可表述为原子内不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的4个量子数n、l 、ml 、ms 。根据泡利原理可很好地说明化学元素的周期律。泡利原理是全体费米子遵从的一条重要原则,在所有含有电子的系统中,在分子的化学价键理论中、在固态金属、半导体绝缘体的理论中都起着重要作用。后来知道泡利原理也适用于其他如质子、中子等费米子。泡利原理是认识许多自然现象的基础。

最初泡利是在总结原子构造时提出一个原子中没有任何两个电子可以拥有完全相同的量子态。

一个由2个费米子组成的量子系统波函数完全反对称

折叠 编辑本段 历史

折叠 早期

20世纪早期,从做化学实验发现,对于原子或分子,假若电子数量是偶数,而不是奇数,则这原子或分子会更具化学稳定性(chemical stability)。1914年,约翰内斯·里德伯建议,主量子数为 的电子层最多只能容纳 个电子,但是他并不清楚为什么会出现因子 。[4]:197

1916年,吉尔伯特·路易斯在论文《原子与分子》(The atom and the Molecule)里表述出六条关于化学行为的假定,其中,第三条假定表明,"原子倾向于在每个电子层里维持偶数量的电子,更特别倾向于维持8个电子对称性地排列于立方体的8个顶点。"但是,他并没有试图预测这模型会造成什么样的光谱线,而任何模型的预测都必须符合实验结果。[4]:198

化学家欧文·朗缪尔于1919年提议,将每个电子层按照其主量子数 分为 个同样体积的"细胞",每个细胞都固定于原子的某个区域,除了最内部电子层的细胞只能容纳1个电子以外,其它每个细胞都可容纳2个电子。比较内部的电子层必须先填满,才可开始填入比较外部的电子层。[5]

1913年,尼尔斯·玻尔提出关于氢原子结构的波尔模型,成功解释氢原子线谱,他又试图将这理论应用于其它种原子与分子,但获得很有限的结果。经过漫长九年的研究,1922年,玻尔才又完成关于周期表内各个元素怎样排列的论述,并且建立了递建原理,这原理给出在各个原子里电子的排布方法──每个新电子会占据最低能量空位。但是,波尔并没有解释为什么每个电子层只能容纳有限并且呈规律性数量的电子,为什么不能对每个电子都设定同样的量子数?[4]:203

钠D线是因自旋-轨道作用而产生的双重线,波长分别为589.6nm、589.0nm。由于施加弱外磁场而产生的反常塞曼效应会使这双重线出现更多分裂:

*589.6nm的谱线是2P1/2态向2S1/2态跃迁产生的谱线。

*589.0nm的谱线是2P3/2态向2S1/2态跃迁产生的谱线。[6]

由于弱外磁场作用,2S1/2态能级会分裂成两个子能级,2P1/2态也会分裂成两个子能级,但由于两个态的朗德g因子不同,因此会形成4条不同谱线。由于外磁场作用,2P3/2态能级会分裂成四个子能级,但是从2P3/2的+3/2态不能跃迁至2S1/2的-1/2态,从2P3/2的-3/2态不能跃迁至2S1/2的+1/2态,因此总共会形成6条不同谱线。[6]

折叠 泡利发展

泡利于1918年获准进入慕尼黑大学就读,阿诺·索末菲是他的博士论文指导教授,他们时常探讨关于原子结构方面的问题,特别是先前里德伯发现的整数数列 ,每个整数是对应的电子层最多能够容纳的电子数量,这数列貌似具有特别意义。1921年,泡利获得博士学位,在他的博士论文里,他应用玻尔-索末非模型来解析氢分子离子H2+问题。毕业后,泡利应聘到哥廷根大学成为马克斯·玻恩的助手,从事关于应用天文学微扰理论于原子物理学的问题。1922年,玻尔邀请泡利到哥本哈根大学的玻尔研究所做研究。在那里,泡利试图解释在原子谱光谱学领域的反常塞曼效应实验结果,即处于弱外磁场的碱金属会展示出双重线光谱,而不是正常的三重线光谱。泡利无法找到满意的解答,他只能将研究分析推广至强外磁场状况,即帕邢-巴克效应(Paschen-Backer effect),由于强外磁场能够退除自旋与原子轨道之间的耦合,将问题简单化,这研究对于日后发现不相容原理很有助益。[7]

隔年,泡利任聘为汉堡大学物理讲师,他开始研究形成闭合壳层的物理机制,认为这问题与多重线结构有关,因此他更加专注于研究碱金属的双重线结构。按照那时由玻尔带头提倡的主流观点,因为原子核的有限角动量,才会出现双重线结构。泡利不赞同这论点,1924年,他发表论文表明,碱金属的双重线结构是因为电子所拥有的一种量子特性,是一种无法用经典力学理论描述的"双值性"。为此,他提议设置新的双值量子数,只能从两个数值之中选一个为量子数的数值。后来撒姆尔·高斯密特(Samuel Goudsmit)与乔治·乌伦贝克确认这性质是电子的自旋。[7][8]:8-11

折叠 电子排列

从爱德蒙·斯通纳(Edmund Stoner)的1924年论文里,[9]泡利找到解释电子排列的重要线索,斯通纳在论文里提议,将电子层分成几个电子亚层,按照角量子数 ,每个电子亚层最多可容纳 个电子。斯通纳并且重点指出,在处于外磁场的碱金属的光谱线里,角量子数为 的价电子,其分裂出的能级数量等于 。泡利敏锐地查觉,在闭合壳层里,每个电子亚层都拥有 个电子,因为每一个电子都只能占据一个量子态 ;其中, 是电子的总角量子数, 是总磁量子数。电子的角量子数与自秉角量子数(1/2)共同贡献成总角量子数;电子的磁量子数与自秉磁量子数(+1/2或-1/2)共同贡献成总磁量子数。给定主量子数与角量子数,则总角量子数 的数值可以为 或 。对于每个总角量子数 ,总磁量子数 可以拥有 种数值。总合起来,每个电子亚层可以拥有 个电子。1925年,泡利发表论文正式提出泡利不相容原理:在闭合壳层里的每个电子都有其独特电子态,而这电子态是以四个量子数 来定义。[8][4]:205

1940年,泡利理论推导出粒子的自旋与统计性质之间的关系,从而证实不相容原理是相对论性量子力学的必然后果。[4]:207

保罗·埃伦费斯特于1931年指出,由于泡利不相容原理,在原子内部的束缚电子不会全部掉入最低能量的原子轨道,它们必须按照顺序占满越来越高能量的原子轨道。因此,原子会拥有一定的体积,物质也会那么大块。[10][11]:25,561-562[12]1967年,弗里曼·戴森与安德鲁·雷纳(Andrew Lenard)给出严格证明,他们计算吸引力(电子与核子)与排斥力(电子与电子、核子与核子)之间的平衡,推导出重要结果:假若不相容原理原理不成立,则普通物质会坍缩,占有非常微小体积。[13]

1964年,夸克的存在被提出之后不久,奥斯卡·格林柏格(Oscar Greenberg)引入了色荷的概念,试图解释三个夸克如何能够共同组成重子,处于在其它方面完全相同的状态但却仍满足泡利不相容原理。这概念后来证实有用并且成为夸克模型(quark model)的一部分。1970年代,量子色动力学开始发展,并构成粒子物理学中标准模型的重要成份。[3]:43

折叠 编辑本段 名词解释

假如将任何两个粒子对调后波函数的值的符号改变的话,那么这个波函数就是泡利不相容原理泡利不相容原理完全反对称的。这说明两个费米子在同一个系统中永远无法占据同一量子态。由于所有的量子粒子是不可区分的,假如两个费米子的量子态完全相同的话,那么在将它们对换后波函数的值不应该改变。这个悖论的唯一解是该波函数的值为零:

比如在上面的例子中假如两个粒子的位置波函数一致的话,那么它们的自旋波函数必须是反对称的,也就是说它们的自旋必须是相反的。

该原理说明,两个电子或者两个任何其他种类的费米子,都不可能占据完全相同的量子态。通常也称为泡利不相容原理(因奥地利物理学家泡利(1900~1958)而得名)。

折叠 编辑本段 应用范围

泡利不相容原理对所有费米子(其自旋数为半数的粒子)有效。费米子遵循费米-狄拉克统计

自旋为整数的粒子被称为玻色子。玻色子遵守玻色-爱因斯坦统计,泡利不相容原理对它们无效。玻色子可以占据相同的量子态。

泡利不相容原理可用来解释很多种不同的物理现象与化学现象,这包括原子的稳定性,大块物质的稳定性、中子星或白矮星的稳定性、固态能带理论里的费米能阶等等。

折叠 编辑本段 名称由来

这是由奥地利物理学家泡利(1900~1958)而得名。1924年,泡利发表了他的"不相容原理":原子中不能有2个电子处于同一量子态上。这一原理使得当时所知的许多有关原子结构的知识变得有条有理。这就是"泡利原理",即泡利不相容原理。泡利本人获得了1945年度的诺贝尔物理学奖。

简单来说,泡利原理就是电子除空间运动状态外,还有一种状态叫做自旋。电子自旋不可以简单地比喻成球的自转,而是电子的固有属性(内秉属性),是空间外的另一个维度的物理量。电子自旋有两种状态,常用上下箭头表示自旋状态相反的电子。在一个原子轨道里,最多只能容纳两个电子,而且它们的自旋状态相反,这就是由泡利首先提出的,并以其名字命名的泡利原理。我们知道电子是带负电荷的物质粒子,而什么是电荷及电荷的本质是什么,为什么物质会带电,电与什么物理量有关的这个基本概念,是至今我们也没有弄明白的一个基本概念。

而我们所接受的电荷的所有基本概念和基本理论,全来自于库仑的物理实验和库仑定律。而每当我打开这些理论书籍,想去寻求这些答案时,就会非常失望。因此弄不清物质的质量来源和带电本质,是造成我们无法去统一物质之间的四种基本力的最大障碍。而爱因斯坦的质能公式和普朗克量子能量理论及正反物质能够相互湮灭的事实,就已经回答了这些问题。

如果弄清了这二个最基本理论问题,就可以弄请电子为什么自旋及电子自旋的角动量是从何而来的道理。就可以避免得出相互排斥的电子可以形成化学键,违反库仑定律的结论。也可解释相互排斥的质子为什么可以形成原子核的原因。

上述的泡利不相容原理,不是定理,就已说明它没有理论依据。但得出的结论却与用爱因斯坦和普郎克量子能量理论得出的结论是一致的,就证明了它的正确。而它的意义就在于能够解决很多的理论问题。

有爱因斯坦的质能公式和普朗克的量子能量公式和正反物质相互湮灭的实验结果为依据,这都成为光与原子物理教科书中的最基本的概念。

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