El principio de exclusión de Pauli del es un principio mecánico del quántum formulado por el Wolfgang Pauli en el 1925 . Indica que ningunos fermios idénticos de dos pueden ocupar el mismo simultáneamente del estado de Quantum . Una declaración más rigurosa de este principio es que, para dos fermios idénticos, la función de onda total es el antisimétrico. Para los electrones en un solo átomo, indica que ningunos dos electrones pueden tener los mismos cuatro números de quántum, es decir, si el n, el l, y el m_l son igual, el m_s debe ser diferente tales que los electrones tienen enfrente de vueltas.

El principio de exclusión de Pauli sigue matemáticamente de aplicar al operador de rotación a dos partículas idénticas con la vuelta del Mitad-número entero .

Descripción

El principio de exclusión de Pauli es uno de los principios más importantes de la física, sobre todo porque los tres tipos de partículas de las cuales la materia ordinaria sea made— protones de los electrones y € de los neutrones ” son todos conforme a él; por lo tanto, todas las partículas materiales exhiben comportamiento space-occupying. El principio de exclusión de Pauli sostiene muchas de las características características de la materia de la estabilidad en grande de la materia a la existencia de la tabla periódica de los elementos .

El principio de exclusión de Pauli sigue matemáticamente de la definición del operador de ímpetu angular (operador de rotación ) en mecánicos de quántum. El intercambio de partículas en el sistema de dos partículas idénticas (que es matemáticamente equivalente a la rotación de cada partícula por 180 grados) da lugar o al cambio de la muestra de la función de onda del sistema (cuando las partículas tienen vuelta del Mitad-número entero) o no (cuando las partículas tienen vuelta del número entero). Así, ningunas dos partículas idénticas de la media vuelta del número entero pueden estar en el mismo lugar del quántum - porque la función de onda de tal sistema debe ser igual a su contrario - y la única función de onda que satisface esta condición es la función de onda cero.

Las partículas con funciones de onda antisimétricas se llaman € de los fermios ” y obedecen el principio de exclusión de Pauli. Aparte de el electrón familiar, el protón y el neutrón, éstos incluyen los neutrinos y los Quarks (se hacen de qué protones y neutrones), así como algunos átomos como el Helium-3 . Todos los fermios poseen el " " de la vuelta del mitad-número entero;, significar que poseen un ímpetu angular intrínseco cuyo valor sea $\backslash \; hbar\; =\; h/2\; \backslash \; pi$ ( constante de Planck dividido por 2Ï€) mide el tiempo de un Mitad-número entero (el 1/2, 3/2, 5/2, etc. En la teoría de los mecánicos de quántum, los fermios son descritos por el " states" antisimétrico;, que se explican minuciosamente en el artículo sobre las partículas idénticas .

Las partículas con vuelta del número entero tienen una función de onda simétrica y se llaman los bosones en contraste con los fermios, ellas pueden compartir los mismos estados de quántum. Los ejemplos de bosones incluyen el fotón y el W y los bosones de Z.

Historia

En el siglo a principios de siglo 20, se ponía de manifiesto que los átomos y las moléculas con pares de electrones o aún números de electrones son más estables que ésos con números impares de electrones. En el famoso 1916 del artículo el átomo y la molécula por el Gilbert N. Lewis, por ejemplo, gobiernan tres de sus seis postulados del comportamiento químico indica que el átomo tiende a llevar a cabo un número par de electrones en la cáscara y a sostener especialmente ocho electrones que se arreglen normalmente simétricamente en las ocho esquinas de un cubo (véase: Átomo cúbico ). En el 1922 Niels Bohr demostró que la tabla periódica podría ser explicada si se asume que ciertos números de los electrones (por ejemplo 2, 8 y 18) correspondieron al " estable; shells" cerrado;.

Pauli buscó una explicación para estos números que estaban en el primer solamente empírico. Al mismo tiempo él intentaba explicar resultados experimentales en el efecto de Zeeman en la espectroscopia atómica y en el Ferromagnetism . Él encontró una pista esencial en un papel 1924 por el E.Stoner que precisó que para un valor dado del número de quántum principal (n), el número de niveles de energía de un solo electrón en los espectros alcalinos-metálicos en un campo magnético externo, donde se separan todos los niveles de energía degenerados, es igual al número de electrones en la cáscara cerrada de los gases raros para el mismo valor del N. Esto llevó Pauli a realizar que los números complicados de electrones en cáscaras cerradas se pueden reducir al uno de la regla simple por estado, si los estados del electrón se definen usar cuatro números de quántum. Con este fin él introdujo un nuevo número de quántum two-valued, identificado por el Samuel Goudsmit y el George Uhlenbeck como vuelta del electrón.

Conexión a la simetría del estado de quántum

El principio de exclusión de Pauli se puede derivar a partir de la asunción que un sistema de partículas ocupa estados de quántum antisimétricos. Según el teorema de las Hacer girar-estadísticas, las partículas con vuelta del número entero ocupan estados de quántum simétricos, y las partículas con vuelta del mitad-número entero ocupan estados antisimétricos; además, los valores solamente del número entero o del mitad-número entero de la vuelta son permitidos por los principios de mecánicos de quántum.

Según lo discutido en el artículo sobre las partículas idénticas, un estado antisimétrico de la dos-partícula en cuál la partícula existe en $del\; estado\; \backslash \; dejó|\backslash \; psi\_1\; \backslash \; derecho\; \backslash \; rangle$ (nota ) y el otro en $del\; estado\; \backslash \; se\; fueron|\backslash \; psi\_2\; \backslash \; derecho\; \backslash \; rangle$ es

$|\backslash \; psi\_1,\; \backslash \; =\; \backslash \; frac\; de\; psi\_2\; \backslash \; del\; rangle\; \{1\}\; \{\backslash raíz\; cuadrada\{2\}\}\; \backslash \; grandes\; (\; |\backslash \; psi\_1\; \backslash \; rangle|\backslash \; psi\_2\; \backslash \; rangle\; -\; |\backslash \; psi\_2\; \backslash \; rangle|\backslash \; psi\_1\; \backslash \; rangle\; \backslash \; grande).$

Sin embargo, si el $\backslash \; se\; fue|\backslash \; psi\_1\; \backslash \; derecho\; \backslash \; rangle$ y el $\backslash \; se\; fueron|\backslash \; psi\_2\; \backslash derechos\backslash \; rangle$ son apenas el mismo estado, la fórmula antedicha dan el cero sistema:

$|\backslash \; psi\_1,\; \backslash \; psi\_2\; \backslash \; rangle\; =\; 0.$

Esto no representa un estado de quántum válido, porque los vectores de estado que representan estados de quántum deben ser el normalizable a 1. es decir que podemos nunca encontrar las partículas en este sistema que ocupa el mismo estado de quántum.

¡Consecuencias

Las ayudas del principio de exclusión de Pauli explican una gran variedad de fenómenos físicos. Un tal fenómeno es el " rigidity" o " stiffness" de la materia ordinaria (fermios): el principio indica que los fermios idénticos no pueden ser exprimidos en uno a (cf. los módulos a granel jovenes de y de sólidos), por lo tanto nuestras observaciones diarias en el mundo macroscópico que los objetos materiales chocan algo que pasando derecho con uno a, y que podemos colocarse en la tierra sin el hundimiento con él. Otra consecuencia del principio es la estructura elaborada de la cáscara del electrón de los átomos y de la manera los átomos comparten los electrones - así variedad de elementos químicos y de sus combinaciones (química). (Un átomo neutral contiene eléctricamente el igual encuadernado de los electrones en gran número a los protones en el núcleo . Puesto que los electrones son fermios, el principio de exclusión de Pauli los prohíbe de ocupar el mismo estado de quántum, así que los electrones tienen que " pila encima de uno a " dentro de un átomo).

Por ejemplo, considerar un átomo neutral del helio, que tiene dos electrones encuadernados. Ambos electrones pueden ocupar los estados de la bajo-energía ( 1s ) adquiriendo enfrente de vuelta. Esto no viola el principio de Pauli porque la vuelta es parte del estado de quántum del electrón, así que los dos electrones están ocupando diversos estados de quántum. Sin embargo, la vuelta puede tomar solamente dos diversos valores (o los valores propios . En un átomo del litio, que contiene tres electrones encuadernados, el tercer electrón no puede caber en un estado del 1s, y tiene que ocupar uno de los estados del 2s de la alto-energía en lugar de otro. Semejantemente, los elementos sucesivos producen sucesivamente cáscaras de la alto-energía. Las características químicas de un elemento dependen en gran parte del número de electrones en la cáscara exterior, que da lugar a la tabla periódica de los elementos .

En los conductores y los electrones libres de los semiconductores tienen que compartir el espacio a granel entero - así sus niveles de energía apilar para arriba crear la estructura de venda fuera de cada nivel de energía atómico . En conductores fuertes (los electrones de los metales son tan el degenerado que no pueden incluso contribuir mucho en la capacidad termal de un metal. Muchas características mecánicas, eléctricas, magnéticas, ópticas y químicas de sólidos son la consecuencia directa de la repulsión de Pauli de electrones libres y semi-libres.

La astronomía proporciona otra demostración espectacular de este efecto, bajo la forma de estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrón para ambos tales cuerpos, su estructura atómica generalmente son interrumpidas por las fuerzas gravitacionales grande, saliendo de los componentes apoyados por el " pressure" de la degeneración; solamente. Esta forma exótica de materia se conoce como materia degenerada . En los enanos blancos, los átomos son sostenidos separados por la presión de la degeneración de los electrones en las estrellas de neutrón, que exhiben incluso fuerzas gravitacionales más grandes, los electrones se han combinado con los protones para formar los neutrones que producen una presión más grande de la degeneración. Los neutrones son la mayoría del " rigid" objetos sabidos - su módulo joven (o más exactamente, módulo a granel ) es 20 órdenes de la magnitud más grandes que la del diamante.

Según la relatividad general, en los centros de los calabozos las fuerzas gravitacionales llegaron a ser tan intensas que todo analizaría en las partículas fundamentales, que están supuesto punto-como sin la estructura interna. Todas estas partículas podrían entonces llenar para arriba en un punto cero-dimensional porque las fuerzas gravitacionales serían mayores que la presión de la degeneración. Esto parecería violar el principio de exclusión de Pauli, pero puesto que los interiores de calabozos están más allá del horizonte de acontecimiento, y así inaccesible a la verificación experimental, esta hipótesis sigue siendo no comprobado.

Ver también

Fuerza de intercambio
Interacción del intercambio
Simetría del intercambio
Regla de Hund

.

Zenithic

Independent Network News (US)

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