Reguła Pauliego

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Mechanika kwantowa
Quantum intro pic-smaller.png
\Delta x\, \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
Równanie Schrödingera
Wstęp
Aparat matematyczny
Koncepcje podstawowe
Stan kwantowy  · Funkcja falowa  · Superpozycja  · Splątanie kwantowe  · Pomiar  · Nieoznaczoność  · Reguła Pauliego  · Dualizm korpuskularno-falowy  · Dekoherencja kwantowa  · Twierdzenie Ehrenfesta  · Tunelowanie
Znani uczeni
Planck  · Bohr  · Sommerfeld  · Bose  · Kramers  · Heisenberg  · Born  · Jordan  · Pauli  · Dirac  · de Broglie  · Schrödinger  · von Neumann  · Wigner  · Feynman  · Candlin  · Bohm  · Everett  · Bell  · Wien

Reguła Pauliego, zwana też zakazem Pauliego, czasem też zasadą Pauliego lub prawem Pauliego – została zaproponowana przez Wolfganga Pauliego w 1925 dla wyjaśnienia zachowania się fermionów, czyli cząstek o spinie połówkowym. Reguła Pauliego jest szczególnym przypadkiem ogólniejszego twierdzenia o związku spinu ze statystyką.

Zakaz Pauliego głosi, że prawdopodobieństwo znalezienia w układzie fermionów pary cząstek o jednakowych liczbach kwantowych jest równe zeru[1].

W sformułowaniu szczególnym – jeżeli wśród stanów jednocząstkowych \psi_{1} , \psi_{2}, \cdots,\psi_{N} wystąpią choćby dwa jednakowe stany, np.  \psi_{1} = \psi_{2}, to wyznacznik Slatera znika tożsamościowo.

Zakaz Pauliego w sformułowaniu szczególnym stosuje się ściśle do układu jednakowych fermionów, które nie oddziałują ze sobą. Dla układu jednakowych fermionów, które z sobą oddziałują, ma znaczenie przybliżone.

Zakaz Pauliego odgrywa ważną rolę przy opisie własności jąder atomowych i atomów. Stanowi punkt wyjścia dla zasady rozbudowy powłok elektronowych oraz wyjaśnienia okresowości konfiguracji elektronowych atomów.

Reguła ta ma wielkie znaczenie w chemii i fizyce atomowej. Szereg fundamentalnych własności materii jest jej wynikiem, gdyż materia jest zbudowana właśnie z fermionów, z których najczęściej spotykane to protony, elektrony i neutrony.

Wynikają stąd implikacje:

  • tworzenie się struktury orbitalowej poziomów elektronów wszystkich atomów, z której z kolei wynikają wszystkie właściwości chemiczne pierwiastków chemicznych – gdyby reguła Pauliego nie obowiązywała dla elektronów, to wszystkie przebywałyby na orbitalu 1s każdego atomu, gdyż elektrony położone na tym orbitalu mają zawsze niższą energię w porównaniu z elektronami zajmującymi wszystkie inne orbitale; w takiej sytuacji wszystkie pierwiastki zachowywałyby się jak gazy doskonałe i nie byłoby żadnych przemian chemicznych; każdy orbital może jednak zostać obsadzony przez co najwyżej dwa elektrony różniące się spinem, co stanowi podstawowe prawo mające swe odbicie w układzie okresowym pierwiastków;
  • nieprzenikalność materii przez samą siebie – na skutek działania reguły Pauliego dwa fermiony nie mogą jednocześnie przebywać w tym samym układzie kwantowym, jeżeli znajdują się w tym samym stanie kwantowym; w wielu przypadkach uniemożliwia to występowanie pewnych konfiguracji przestrzennych orbitali blisko położonych atomów czy cząsteczek; w związku z tym atomy nie mogą przenikać się nawzajem w dowolny sposób, a w momencie zderzenia dwóch atomów dochodzi albo do ich połączenia w związek chemiczny, albo sprężystego odbicia;
  • względna trwałość obiektów materialnych – z reguły Pauliego wynika, że wszelkie przemiany materii muszą być związane z jakimś efektem energetycznym, gdyż są zawsze związane ze zmianami stanów kwantowych tworzących je fermionów; każda taka przemiana wymaga przekroczenia pewnej bariery potencjału energetycznego; przemiany te zawsze podlegają regułom termodynamiki.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. Rozdział 4. Układy wielocząstkowe. W: Bernard Jancewicz: Fizyka kwantowa. Wykład dla II/III roku fizyki. Wyd. Wrocław, 2006.