泡利不相容原理

杨 剑 徐民强

(浙江师范大学 浙江 金华 321004)

泡利不相容原理

杨 剑 徐民强

(浙江师范大学 浙江 金华 321004)

泡利不相容原理又称泡利原理、不相容原理。科学实验告诉我们，在一个原子里不可能存在着电子层、电子亚层、轨道的空间伸展方向和自旋状况完全相同的两个电子。这个原理叫泡利不相容原理。泡利不相容原理是微观粒子运动的基本规律之一。它指出：在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。在原子中完全确定一个电子的状态需要四个量子数，所以泡利不相容原理在原子中就表现为：不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数，这成为电子在核外排布形成周期性从而解释元素周期表的准则之一。

泡利；原子核；电子自旋；不相容

[1] 《热力学》，第二版，高等教育出版社，

[2] 杨福家《原子物理学》上海科技出版社

[3] 朱长军《大学物理学》西安电子科技大学出版社

[4] 田长霖，王竹溪《统计物理学导论》，第二版，人民教育出版社

杨剑(1992-)，男，汉，贵州黄平，本科，浙江师范大学。

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1672-5832(2016)06-0045-01

泡利原理：电子在原子核外运动状态是相当复杂的。一个电子的运动状态取决于它所处的电子层、电子亚层、轨道的空间伸展方向和自旋状况。由于不同电子层具有不同的能量，而每个电子层中不同亚层的能量也不同。为了表示原子中各电子层和亚层电子能量的差异，把原子中不同电子层亚层的电子按能量高低排成顺序，像台阶一样，称能级。例如，1s能级，2s能级，2p能级等等。可是对于那些核外电子较多的元素的原子来说．情况比较复杂。多电子原子的各个电子之间存在着斥力，在研究某个外层电子的运动状态时，必须同时考虑到核对它的吸引力及其它电子对它的排斥力。由于其它电子的存在。往往减弱了原子核对外层电子的吸引力，从而使多电子原子的电子所处的能级产生了交错现象。科学实验还告诉我们，在一个原子里不可能存在着电子层、电子亚层、轨道的空间伸展方向和自旋状况完全相同的两个电子。这个原理叫泡利不相容原理。如氢原子的两个电子，都在第一层(K层)，电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。核外电子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则。能量最低原理在核外电子的排布中，通常状况下电子也总是尽先占有能量较低的原子轨道，只有当能量较低些原子轨道占满后，电子才依次进入能量较高的原子轨道，这个规律称能量最低原理。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。泡利原理的重要性: 核外电子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则。上面讲的三个原理，是从大量事实中概括出来的，它们能帮助我们了解元素的原子核外电子排布的规律，但不能用它们来解释有关电子排布的所有问题。不相容原理是量子理论中的重要原理，是1925年1月由泡利提出的。这一原理可以表述为：对于完全确定的量子态来说，每一量子态中不可能存在多于一个的粒子。泡利后来用量子力学理论处理了h/4π自旋问题，引入了二分量波函数的概念和所谓的泡利自旋矩阵。通过泡利等人对量子场的研究，人们认识到只有自旋为半整数的粒子(即费米子)才受不相容原理的限制，从而确立了自旋统计关系。自旋为半整数的粒子(费米子)遵从泡利原理。它又可表述为全同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。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，因此泡利原理还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。泡利原理是全同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、半导体和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。

泡利原理研究史及其成就: 泡利在物理学上，尤其在量子力学方面，做出了许多非常重要的贡献。泡利是1900年4月25日出生在奥地利首都维也纳，我们知道就在这一年的年底普朗克第一次提出了能量子的概念。因此有人称泡利为“和量子概念同年降生的人”。泡利在中学时就自修了大学物理，18岁时刚以优异成绩读完中学，就向德文杂志《哲学学报》投寄了一篇研究引力场的能量的论文于1919年发表。泡利中学毕业后，于1919年带着他父亲的介绍信到慕尼黑大学去见著名的物理学家索末菲，要求不上大学而直接当索末菲的研究生。索末菲表示他可以去听当时正在讲授的课程,但怀疑他未必能听得懂。泡利说“肯定能懂，我能不能也参加讨论班”所谓讨论班，是为了高年级的研究生安排的，素末菲当时认为泡利去参加是毫无意义的；但是后来发现他是班上掌握问题最快、理解问题最深和最有才能的一个参加者。泡利在慕尼黑度过了两年，于1921年以一篇关于分子模型的论文获得博士学位。1921年到1922年间，澎利当了格廷根大学理论物理学教授玻恩的助手。后到汉堡，再到哥本哈根跟玻尔一起工作。1924年为了解决观测到的分子光谱与正在发展的量子力学之间的矛盾泡利提出了一个新的自由度。他还提出了泡利不相容原理，这可能是他最重要的成果了。这个原理说任何两个电子无法占据同一量子状态。自旋的主意是泡利与拉尔夫·克罗尼格一起提出了。一年后乔治·尤金·乌伦贝克和塞缪尔·高德斯密特证实电子自旋就是泡利所提出的新的自由度。1926年海森堡发表了量子力学的矩阵理论后不久泡利就使用这个理论推导出了氢原子的光谱。这个结果对于验证海森堡理论的可信度非常重要。1927年他引入了泡利矩陣作为自旋操作符号的基础，由此解决了非相对论自旋的理论。泡利的结果引发了保罗·狄拉克发现描述相对论电子的狄拉克方程式。