20111043130_包導(dǎo)_原子物理小論文_泡利不相容原理

泡利不相容原理

作者：何福淵

摘要：泡利不相容原理又稱泡利原理、不相容原理。是微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律之一。它

指出：在費(fèi)米子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)或兩個(gè)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(gè)電子的狀態(tài)需要四個(gè)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(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)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。

關(guān)鍵詞：泡利;原子核;電子自旋;不相容

1引言：1925年，年僅25歲的泡利提出不相容原理：原子中每個(gè)狀

態(tài)只能容納一個(gè)電子，換言之原子中不可能有兩個(gè)以上的電子

占據(jù)四個(gè)量子數(shù)(n,l,ml,ms)相同的態(tài)。

2研究

2.1意義：

泡利不相容原理之一

電子在原子核外運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)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。科學(xué)實(shí)驗(yàn)還告

訴我們，在一個(gè)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(gè)電子。這個(gè)原理叫泡利不相容原理。

泡利不相容原理之二

泡利原理是多電子原子核外電子排布應(yīng)遵守的基本原理，也稱為泡利不相

容原理。它是1925年奧地利泡利根據(jù)光譜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，總結(jié)出的一條原

理：在同一個(gè)原子中不能容納運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子，即，不能容納4

個(gè)量子數(shù)完全一樣的電子。例如，氦原子中的2個(gè)電子主量子數(shù)n、角量

子數(shù)l、磁量子數(shù) m都相同(n=1，l=0，m=0)，但自旋量子數(shù)ms必須不同，

一個(gè)是+1/2，另一個(gè)是-1/2。由泡利原理可得到下列兩個(gè)推論：

(1)每個(gè)原子軌道中最多容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。

(2)每個(gè)電子層所能容納的電子總數(shù)是其主量子數(shù)n的2n2個(gè)。

2.2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(gè)原理，是從大量事實(shí)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(duì)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(gè)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(duì)量子場(chǎng)的研究，人們認(rèn)識(shí)到只有自旋為半整數(shù)的粒

子（即費(fèi)米子）才受不相容原理的限制，從而確立了自旋統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

自旋為半整數(shù)的粒子（費(fèi)米子）遵從泡利原理。它又可表述為全同費(fèi)米子體系中不可

能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子同時(shí)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(gè)或兩個(gè)

以上的電子具有完全相同的4個(gè)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(fèi)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(jià)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(fèi)米子。泡利原理是認(rèn)識(shí)許多

自然現(xiàn)象的基礎(chǔ)。

科學(xué)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(xiàn)，但是泡利很

少發(fā)表論文，一般他與同行（比如他與之交往非常厚的尼爾斯·玻爾和沃納·海森堡）

交換非常長(zhǎng)的信。許多他的主意從未被發(fā)表過，而只是在他的書信中出現(xiàn)。他的收信

人往往將他的信拷貝后給其他同行們看。泡利顯然也不關(guān)心許多他的發(fā)現(xiàn)因此后來沒

有歸功于他。以下是他做出的，的確歸功于他的最重要的結(jié)果：

1924年為了解決觀測(cè)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(gè)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(gè)原

理說任何兩個(gè)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(shí)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(gè)理論推導(dǎo)出了氫

原子的光譜。這個(gè)結(jié)果對(duì)于驗(yàn)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(hào)的基礎(chǔ)，由此解決了非相對(duì)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(duì)論電子的狄拉克方程式。

1930年在一封給莉澤·邁特納的信中泡利提出了一個(gè)到此為止電中性的、無質(zhì)量

的粒子來解釋β衰變的連續(xù)光譜。1934年恩里科·費(fèi)米將這個(gè)粒子加入他的衰變理

論并稱之為中微子。1959年中微子被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

1940年泡利證明帶半數(shù)自旋的粒子是費(fèi)米子，帶整數(shù)的自旋的粒子是玻色子。

在物理上泡利是一個(gè)完美主義者，這不光涉及他自己的工作，也涉及到他人的工作。

因此他獲得了“物理理智”的稱號(hào)，他的同行非常尊重他的批評(píng)。對(duì)他覺得不完善的

理論他最著名的評(píng)價(jià)是“完全錯(cuò)誤”。不過有一次他對(duì)這樣的一篇論文的評(píng)價(jià)是“這

篇文章不光不正確，它甚至不錯(cuò)誤”，成為了一句物理學(xué)家中的內(nèi)行笑話。另一個(gè)關(guān)

于泡利的笑話是泡利死后受到上帝的接見。他問上帝，為什么精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的值是

1/()。上帝點(diǎn)點(diǎn)頭，開始快速地在黑板上寫公式。泡利看著他，非常滿意

地點(diǎn)頭，但是很快他就開始搖頭了??

另一個(gè)故事說有一次海森堡給泡利寫信報(bào)道他的新理論，泡利的回信上只有一個(gè)方

塊，下面寫著一行小字：“我的畫畫得同提香一樣好，只是缺乏細(xì)節(jié)。”

假如泡利在附近的話，試驗(yàn)往往就會(huì)不成功，有時(shí)甚至試驗(yàn)裝置會(huì)被破壞，這個(gè)現(xiàn)

象被稱為“泡利現(xiàn)象”。泡利本人對(duì)此不以為然，經(jīng)常以之取笑。

據(jù)說還在泡利上中學(xué)的時(shí)候有一次物理教授在黑板上推導(dǎo)犯了一個(gè)錯(cuò)誤，但是他找

來找去找不到這個(gè)錯(cuò)誤。最后他說：“泡利，你肯定早就找到這個(gè)錯(cuò)了，你說吧錯(cuò)在

哪里。”

參考文獻(xiàn)：楊福家《原子物理學(xué)》上海科技出版社

朱長(zhǎng)軍《大學(xué)物理學(xué)》西安電子科技大學(xué)出版社

百度百科——泡利不相容原理