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  • 1.摘要
  • 2.基本信息
  • 3.基本简介
  • 4.历史沿革
  • 4.1.早期
  • 4.2.泡利发展
  • 4.3.电子排列
  • 4.4.原理的建立
  • 5.原理解释
  • 6.原理的应用
  • 6.1.同科电子原子态
  • 6.2.氦原子能级之谜
  • 6.3.费米–狄拉克统计
  • 7.参考资料

泡利不相容原理

微观粒子运动的基本规律之一

泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）又称泡利原理、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，或者说在轨道量子数m,l,n确定的一个原子轨道上最多可容纳两个电子，而这两个电子的自旋方向必须相反。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。

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基本信息

  • 中文名

    泡利不相容原理

  • 外文名

    Pauli exclusion principle

  • 别称

    泡利原理

  • 提出者

    沃尔夫冈·泡利

  • 提出时间

    1925年1

  • 应用学科

    化学、物理及其相关学科

  • 适用领域范围

    化学、物理及其相关学科

  • 应用范围

    对所有费米子有效(玻色子无效)

基本简介

泡利

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．能量最低原理就是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。

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。

历史沿革

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 4 的电子层最多只能容纳 32 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]

波尔模型

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]

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]