泡利不相容原理

泡利不相容原理

学号：201001071452

姓名：孙梦泽

摘要：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。泡利原理是多电子原子核外电子排布应遵守的基本原理，也称为泡利不相容原理。

关键字：泡利；原子核；电子自旋；不相容

作者简介：孙梦泽，黑龙江鹤岗人，黑龙江大庆师范学院 物理与电气信息工程学院 物理学 物本一班

0引言

在同一个原子中不能容纳运动状态完全相同的电子，即，不能容纳4个量子数完全一样的电子。氦原子中的2个电子主量子数n、角量子数l、磁量子数m都相同(n=1，l=0，m=0)，但自旋量子数ms必须不同，一个是+1/2，另一个是-1/2。每个原子轨道中最多容纳两个自旋方向相反的电子。

1泡利原理：

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。

泡利原理、不相容原理：一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。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。

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。各种原理或规则、规律往往有一定的适应范围，因此，当理论和实验出现差异时，要尊重实验事实，如实反映客观事物的本来面目，这才是科学的态度。

泡利原理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。

在慕尼黑大学经索末菲引导接触到从经典的思想方法看来有些离奇的原子结构理论。他和所有习惯于经典思想方法的物理学家一样，当第一次接触到玻尔的量子理论的基本假设时不免受到冲击。他一方面接受了玻尔的原子理论；一方面了解索末菲企图用光谱定律的解释来克服使用动力学模型所遇到的困难。泡利对这两种理论都不满意。

可以设想有一个带正电荷Ze的原子核，在其周围是若干电子，这些电子一个接着一个被原子核俘获，直到它俘获了Z个电子而形成中性原子时为止。最先被俘获的电子占据能量最低的量子轨道，这就是玻尔所谓的“组建原则”。泡利不满意的原因在于他认为原子光谱的根源在于价电子的运动，不应该从原子实的结构去找。

泡利仔细研究了碱金属光谱的双重结构，引入了“经典不能描述的双重值”概念，在这基础上概括成一个重要结论，即原子中不能有两个电子具有相同的四个量子数。这就是最初泡利提出的不相容原理。

2泡利原理内涵：

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。也就是泡利不相容原理。

实验证明，电子自旋方向相同的两个电子相互排斥，不能在同一个原子轨道内运动。而电子自旋方向相反的两个电子相互吸引，能在同一个原子轨道内运动。这是因为电子自旋时能产生磁场，而自旋方向相反的两个电子所产生的磁场，方向正好相反，因而可以互相吸引，共处于一个原子轨道中。反之，自旋方向相同的两个电子所产生的磁场，方向相同，同性相斥，因此不能在同一个原子轨道中运动。

2

因此，电子在原子核外的运动状态是相当复杂的，必须由它所处的电子层、电子亚层、电子云的空间伸展方向和自旋状态四个方面来决定。前三个方面跟电子在核外空间的位置有关，体现了电子在核外空间的运动状态，确定了电子的轨道。因此当要说明一个电子运动状态时，必须同时指明它处于什么轨道和哪一种自旋状态。

3泡利原理研究史及其泡利成就

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。1 9 2 1年到1 9 2 2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。 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。

1930年在一封给莉泽·迈特纳的信中泡利提出了一个到此为止电中性的、无质量的粒子来解释β衰变的连续光谱。1934年恩里科·费米将这个粒子加入他的衰变理论并称之为中微子。1959年中微子被实验证实。

[参 考 文 献]

[1]《热力学》，第二版，高等教育出版社，北京，1960

[2]田长霖，王竹溪《统计物理学导论》，第二版，人民教育出版社，北京，1965 [3]田长霖，Lienhard J H, 《统计热力学》，清华大学出版社，北京，1987

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