Кіріспе
Кванттық механика ережесі: бірдей фермиондар бір мезгілде бірдей кванттық күйде бола алмайды. Кванттық механикада Паулидің қанағаттандырмау принципі жартылай бүтін спиндері бар екі немесе одан да көп бірдей бөлшектің (яғни фермиондардың) кванттық механика заңдарына бағынатын жүйеде бір мезгілде бірдей кванттық күйде бола алмайтынын көрсетеді. Бұл принципті австриялық физик Вольфганг Паули 1925 жылы электрондар үшін тұжырымдады, ал кейіннен 1940 жылы спин-статистика теоремасымен барлық фермиондарға таратылды. Атомдардағы электрондар жағдайында, қанағаттандырмау принципін былай түсіндіруге болады: көп электронды атомда екі электронның төрт кванттық санының – негізгі кванттық сан (n), азимуттық кванттық сан (l), магниттік кванттық сан (m) және спиндік кванттық сан (ms) – бірдей екі мәні болуы мүмкін емес. Мысалы, егер екі электрон бір орбитальде болса, олардың n, l және m мәндері тең болады. Бұл жағдайда ms (спин) жұбының екі мәні әртүрлі болуы керек. Спиндік проекция ms үшін тек екі мүмкін мән бар: +1/2 және -1/2, сондықтан бір электронның ms = +1/2, ал екіншісінің ms = -1/2 болуы тиіс. Бүтін спині бар бөлшектер (бозондар) Паулидің қанағаттандырмау принципіне бағынбайды. Кез келген сандағы бірдей бозондар бірдей кванттық күйде болуы мүмкін, мысалы, лазер арқылы туындаған фотондар немесе Бозе-Эйнштейн конденсатындағы атомдар. Бұны былай да айтуға болады: екі бірдей бөлшекті алмастырғанда, жалпы (көп бөлшектік) толқындық функция фермиондар үшін антисимметриялық, ал бозондар үшін симметриялық болады. Яғни, егер екі бірдей бөлшектің кеңістіктік және спиндік координаттары ауыстырылса, жалпы толқындық функция фермиондар үшін таңбасын өзгертеді, бірақ бозондар үшін өзгермейді. Егер екі фермион бірдей күйде болса, мысалы, бір атомда, бір орбитальде, бір спинмен, оларды алмастырғанда ештеңе өзгермейді және жалпы толқындық функция өзгермейді. Дегенмен, жалпы толқындық функцияның бір мезгілде таңбасын өзгертуі (фермиондар үшін қажет) және өзгермейтін болуы үшін, мұндай функция барлық жерде нөлге тең болуы керек, яғни мұндай күй болуы мүмкін емес. Бұл ұғым бозондарға қатысты емес, себебі таңба өзгермейді.
In quantum mechanics, the Pauli exclusion principle states that two or more identical particles with half integer spins (i. e. fermions) cannot simultaneously occupy the same quantum state within a system that obeys the laws of quantum mechanics. This principle was formulated by Austrian physicist Wolfgang Pauli in 1925 for electrons, and later extended to all fermions with his spin–statistics theorem of 1940. In the case of electrons in atoms, the exclusion principle can be stated as follows: in a poly electron atom it is impossible for any two electrons to have the same two values of all four of their quantum numbers, which are: n, the principal quantum number; , the azimuthal quantum number; m, the magnetic quantum number; and ms, the spin quantum number. For example, if two electrons reside in the same orbital, then their values of n, , and m are equal. In that case, the two values of ms (spin) pair must be different. Since the only two possible values for the spin projection ms are +1/2 and −1/2, it follows that one electron must have ms = +1/2 and one ms = 1/2. Particles with an integer spin (bosons) are not subject to the Pauli exclusion principle. Any number of identical bosons can occupy the same quantum state, such as photons produced by a laser, or atoms found in a Bose–Einstein condensate. A more rigorous statement is: under the exchange of two identical particles, the total (many particle) wave function is antisymmetric for fermions and symmetric for bosons. This means that if the space and spin coordinates of two identical particles are interchanged, then the total wave function changes sign for fermions, but does not change sign for bosons. So, if hypothetically two fermions were in the same statefor example, in the same atom in the same orbital with the same spinthen interchanging them would change nothing and the total wave function would be unchanged. However, the only way a total wave function can both change sign (required for fermions), and also remain unchanged is that such a function must be zero everywhere, which means such a state cannot exist. This reasoning does not apply to bosons because the sign does not change.
Шолу
Паулидің ажырату принципі барлық фермиондардың (жартылай бүтін спинді бөлшектер) мінез-құлқын сипаттайды, ал бозондар (тұтас спинді бөлшектер) басқа принциптерге бағынады. Фермиондарға кварктар, электрондар және нейтринолар сияқты элементарлық бөлшектер жатады. Сонымен қатар, протон мен нейтрон (үш кварктан құралған субатомдық бөлшектер) және гелий-3 сияқты кейбір атомдар да фермиондар болып табылады, сондықтан олар да Паулидің ажырату принципімен сипатталады. Атомдардың жалпы спині әртүрлі болуы мүмкін, бұл олардың фермион немесе бозон екенін анықтайды: мысалы, гелий-3 спині 1/2 болғандықтан фермион, ал гелий-4 спині 0 болғандықтан бозон болып табылады. Паулидің ажырату принципі күнделікті материяның көптеген қасиеттерін, оның ірі масштабтағы тұрақтылығынан бастап атомдардың химиялық мінез-құлқына дейін негіздейді. Жартылай бүтін спин дегеніміз, фермиондардың ішкі бұрыштық импульсінің мәні (қайта келтілген Планк тұрақтысы) жартылай бүтін санға (1/2, 3/2, 5/2 және т.б.) көбейтілгенін білдіреді. Кванттық механика теориясында фермиондар антисимметриялық күйлермен сипатталады. Керісінше, тұтас спинді бөлшектер (бозондар) симметриялық толқындық функцияларға ие және бірдей кванттық күйлерді бөлісе алады. Бозондарға фотон, суперөткізгіштікке жауапты Купер жұптары және W және Z бозондары жатады. Фермиондар өздерінің атауын Ферми-Дирак статистикалық үлестірілімінен алды, оған олар бағынады, ал бозондар Бозе-Эйнштейн үлестірілімінен алды.
Тарих
ХХ ғасырдың басында атомдар мен молекулалардың электрон саны жұп болғаны, электрон саны тақ болғанына қарағанда химиялық тұрақтырақ екені анықталды. Мысалы, 1916 жылы Гилберт Н. Льюис жазған "Атом және молекула" мақаласында химиялық мінез-құлықтың алты постулатының үшіншісі атомның кез келген қабықта электронның жұп санын ұстауға бейім екенін, әсіресе сегіз электронды ұстауға бейім екенін көрсетеді. Ол сегіз электронның әдетте кубтың сегіз бұрышында симметриялық түрде орналасқанын болжады. 1919 жылы химик Ирвинг Лангмюр атомдағы электрондар қандай да бір жолмен байланысқан немесе топталған жағдайда периодтық кесте түсіндірілуі мүмкін деп ұсынды. Электрондардың топтары ядроның айналасындағы электрон қабықтарының жиынтығын құрайды деп есептелді. 1922 жылы Нильс Бор атомның моделін жаңартты, ол белгілі бір электрон санының (мысалы, 2, 8 және 18) тұрақты "жабық қабықтарға" сәйкес келеді деп болжады. Паули осы сандарға түсіндірме іздеді, олар бастапқыда тек эмпирикалық болды. Сонымен қатар, ол атомдық спектроскопияда және ферромагнетизмде Земан эффектісінің эксперименталды нәтижелерін түсіндіруге тырысты. Ол 1924 жылы Эдмунд К. Стонердің мақаласында маңызды түйін тапты, онда негізгі кванттық санның (n) берілген мәні үшін сыртқы магнит өрісінде сілті металдары спектріндегі бір электронның энергия деңгейлерінің саны, барлық дегенерациялық энергия деңгейлері бөлінген жағдайда, сол n мәніне асыл газдардың жабық қабығындағы электрондардың санына тең екені көрсетілді. Бұл Паулиге жабық қабықтардағы электрондардың күрделі санын электрондық күйлерді сипаттау үшін төрт кванттық санды қолданса, электрон күйіне бір электронның қарапайым ережесіне дейін азайтуға болатынын түсінуге мүмкіндік берді. Осы мақсатта ол Сэмюэл Гаудсмит пен Джордж Уленбек электрон спині деп атаған жаңа екі мәнді кванттық санды енгізді.
Жоғары кванттық теория
Спин-статистика теоремасына сәйкес, бүтін спинді бөлшектер симметриялық кванттық күйлерді, ал жартылай бүтін спинді бөлшектер антисимметриялық күйлерді иеленеді; сонымен қатар, кванттық механика принциптері спиннің бүтін немесе жартылай бүтін мәндеріне ғана рұқсат береді. Релятивистік кванттық дала теориясында Паули принципі жартылай бүтін спинді бөлшектерге нақты емес уақытта айналу операторын қолдану арқылы туындайды. Бір өлшемде бозондар да, фермиондар да қосылу принципіне бағына алады. Дельта функциялық ығысуы бар бір өлшемді Бозе газының шексіз күшті қайтару әрекеттесуі еркін фермиондар газына тең. Бұның себебі – бір өлшемде бөлшектердің алмасуы олардың бір-бірінен өтуін қажет етеді; шексіз күшті қайтару үшін мұндай мүмкін емес. Бұл модель кванттық сызықты емес Шредингер теңдеуімен сипатталады. Импульс кеңістігінде, қосылу принципі дельта функциялық әрекеттесуі бар Бозе газында, сондай-ақ бір өлшемдегі өзара әрекеттесетін спиндер мен Хаббард моделінде, және Бете ансацты шеше алатын басқа да модельдерде жарамды. Бете ансацты шеше алатын модельдердегі негізгі күй Ферми сферасы болып табылады.
Атомдар
Паулидің ажырату принципі физикалық құбылыстардың кең ауқымын түсіндіруге көмектеседі. Принциптің ең маңызды салдары – атомдардың күрделі электрондық қабықша құрылысы және атомдардың электронмен бөлісу жолы, бұл химиялық элементтердің әртүрлілігі мен олардың химиялық қосылыстарын түсіндіреді. Электрлік бейтарап атомдағы байланысқан электрондардың саны ядродағы протондардың санына тең болады. Электрондар фермиондар болғандықтан, басқа электрондармен бірдей кванттық күйде бола алмайды, сондықтан электрондар атом ішінде "қабаттасуы" керек, яғни бір электрондық орбитальде әртүрлі спиндерге ие болуы керек, төменде сипатталғандай. Мысалы, бейтарап гелий атомы (He) екі байланысқан электроны бар, олардың екеуі де қарама-қарсы спинге ие болып, ең төменгі энергиялық (1s) күйді иелене алады; спин электронның кванттық күйінің бөлігі болғандықтан, екі электрон әртүрлі кванттық күйде болады және Паули принципі бұзылмайды. Дегенмен, спин тек екі түрлі мәнді (өз мәндерін) қабылдауы мүмкін. Литий атомында (Li) үш байланысқан электрон болғандықтан, үшінші электрон 1s күйінде бола алмайды және оның орнына жоғары энергиялық күйді иеленуі керек. Ең төменгі қол жетімді күй 2s, сондықтан Li-дің негізгі күйі 1s²2s. Сол сияқты, үлкен элементтердің әрқайсының сәйкесінше жоғары энергиялық қабықшалары болуы керек. Элементтің химиялық қасиеттері көбінесе ең сыртқы қабықтағы электрондардың санына байланысты; әртүрлі электрондық қабықшалары бар, бірақ сыртқы қабықтағы электрондардың саны бірдей болатын атомдар ұқсас қасиеттерге ие, бұл элементтердің периодтық жүйесіне әкеледі. Гелий атомы үшін Паулидің ажырату принципін тексеру үшін Гордон Дрейк оны бұзатын He атомының гипотетикалық күйлері үшін өте нақты есептеулер жасады, олар парондық күйлер деп аталады. Кейіннен К. Деламиан және авторлар тобы Дрейк есептеген 1s²2s ¹S₀ парондық күйін табу үшін атомдық сәуле спектрометрін қолданды. Іздеу сәтсіз аяқталды және бұл парондық күйдің статистикалық салмағы 5-тен аспайтынын көрсетті. (Ажырату принципі нөлдік салмақты білдіреді.)
Қатты күй қасиеттері
Жетекшілерде және жартылай өткізгіштерде энергия деңгейлерінің үздіксіз жолақты құрылымын құрайтын өте көп молекулалық орбитальдар болады. Күшті жетекшілерде (металдарда) электрондар соншалық дегенерацияға ұшырайды ki, олар металдың жылу сыйымдылығына елеулі үлес қоса алмайды. Қатты денелердің көптеген механикалық, электрлік, магниттік, оптикалық және химиялық қасиеттері Паули қағидасының тікелей салдары болып табылады.
Заттың тұрақтылығы
Атомдағы әрбір электронның тұрақтылығы атомның кванттық теориясымен сипатталады, ол электронның ядроға жақын келуі электрондардың кинетикалық энергиясын міндетті түрде арттыратынын көрсетеді, бұл Гейзенбергтің белгісіздік принципінің қолданылуы. Дегенмен, көптеген электрондар мен нуклондардан тұратын ірі жүйелердің тұрақтылығы басқаша мәселе және Паулидің тыйым салу принципін қажет етеді. Паулидің тыйым салу принципінің қарапайым заттың тұрақты болуына және көлемді алып тұруына жауапты екені көрсетілді. Бұл ұсынысты алғаш рет 1931 жылы Пол Эренфест жасады, ол әрбір атомның электрондары ең төменгі энергия орбиталына бірдей түсе алмайтынын және үлкенірек қабықшаларды тізбектей толтыруы керектігін атап көрсетті. Сондықтан атомдар көлемді алып, тым жақын қысылып отыра алмайды. Алғашқы қатаң дәлелді 1967 жылы Фримен Дайсон мен Эндрю Ленард ұсынды, олар тартымды (электрон-ядролық) және тебу күштерінің (электрон-электрон және ядро-ядролық) тепе-теңдігін қарастырды және Паули принципі болмаса, қарапайым заттың құлдырап, әлдеқайда кіші көлемді алып тұратынын көрсетті. Көптеген оңай дәлелді кейіннен 1975 жылы Эллиотт Х. Либ пен Уолтер Тиринг тапты. Олар Томас-Ферми моделі бойынша кванттық энергияның төменгі шегін ұсынды, ол Теллер теоремасымен байланысты тұрақты. Дәлелдеуде кинетикалық энергияның төменгі шегі қолданылды, ол қазір Либ-Тиринг теңсіздігі деп аталады. Паули принципінің салдары мынада: бірдей спинді электрондар бір-бірінен тебуші алмасу әрекеті арқылы ұзаққа дейін ұсталады, бұл қысқа қашықтықтағы әсер ететін және ұзақ қашықтықтағы электростатикалық немесе Кулондық күшпен бірдей әрекеттеседі. Бұл әсер макроскопиялық әлемдегі екі қатты дененің бір уақытта бір жерде бола алмайтындығын күнделікті байқауға жауапкершілігі бар.
Астрофизика
Дайсон мен Ленард кейбір астрономиялық объектілерде кездесетін күшті магниттік немесе гравитациялық күштерді ескермеді. 1995 жылы Эллиот Либ және оның әріптестері Паули принципінің нейтрон жұлдыздары сияқты күшті магниттік өрістерде де тұрақтылықты қамтамасыз ететінін көрсетті, бірақ бұл тығыздық қарапайым материяға қарағанда әлдеқайда жоғары. Жалпы салыстырмалылық теориясының салдары ретінде, жеткілікті күшті гравитациялық өрістерде материя құлап, қара тесік пайда болады. Астрономия Паули принципінің әсерін ақ және нейтрон жұлдыздары арқылы керемет түрде көрсетеді. Екі денеде де атомдық құрылым жоғары қысымның салдарынан бұзылады, бірақ жұлдыздар дегенерациялық қысыммен, сондай-ақ Ферми қысымымен гидростатикалық тепе-теңдікте ұсталады. Бұл ерекше материяның түрі дегенерациялық материя деп аталады. Жұлдыз массасының өте зор гравитациялық күші әдетте жұлдыз ядросында термоядролық синтез нәтижесінде пайда болатын жылудан туындаған жылулық қысыммен тепе-теңдікте ұсталады. Ядролық синтезге ұшырамайтын ақ жұлдыздарда гравитацияға қарсы күшті электрондық дегенерациялық қысым қамтамасыз етеді. Нейтрон жұлдыздарында, оларға әсер ететін одан да күшті гравитациялық күштердің нәтижесінде электрондар протондармен бірігіп нейтрондарды құрайды. Нейтрондар одан да жоғары дегенерациялық қысымды, яғни нейтрондық дегенерациялық қысымды тудыра алады, бірақ бұл қысымның әсер ету радиусы шамалы. Бұл нейтрон жұлдыздарын одан әрі құлаудан сақтап тұрады, бірақ олардың өлшемі ақ жұлдыздан кішірек, ал тығыздығы жоғары болады. Нейтрон жұлдыздары – белгілі ең "қатаң" денелер; олардың Янг модулі (немесе дәлірек айтқанда, көлемдік модулі) алмастан 20 есе артық. Дегенмен, тіпті осы зор қатаңдық Тольман-Оппенгеймер-Волкофф шегінен асатын нейтрон жұлдызының гравитациялық өрісімен жеңіледі, нәтижесінде қара тесік пайда болады.