20111043130_包導_原子物理小論文_泡利不相容原理

泡利不相容原理

作者：何福淵

摘要：泡利不相容原理又稱泡利原理、不相容原理。是微觀粒子運動的基本規律之一。它

指出：在費米子組成的系統中，不能有兩個或兩個以上的粒子處于完全相同的狀態。

在原子中完全確定一個電子的狀態需要四個量子數，所以泡利不相容原理在原子中

就表現為：不能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數，這成為電子

在核外排布形成周期性從而解釋元素周期表的準則之一。

關鍵詞：泡利;原子核;電子自旋;不相容

1引言：1925年，年僅25歲的泡利提出不相容原理：原子中每個狀

態只能容納一個電子，換言之原子中不可能有兩個以上的電子

占據四個量子數(n,l,ml,ms)相同的態。

2研究

2.1意義：

泡利不相容原理之一

電子在原子核外運動狀態是相當復雜的。一個電子的運動狀態取決于它所

處的電子層、電子亞層、軌道的空間伸展方向和自旋狀況。科學實驗還告

訴我們，在一個原子里不可能存在著電子層、電子亞層、軌道的空間伸展

方向和自旋狀況完全相同的兩個電子。這個原理叫泡利不相容原理。

泡利不相容原理之二

泡利原理是多電子原子核外電子排布應遵守的基本原理，也稱為泡利不相

容原理。它是1925年奧地利泡利根據光譜實驗的結果，總結出的一條原

理：在同一個原子中不能容納運動狀態完全相同的電子，即，不能容納4

個量子數完全一樣的電子。例如，氦原子中的2個電子主量子數n、角量

子數l、磁量子數 m都相同(n=1，l=0，m=0)，但自旋量子數ms必須不同，

一個是+1/2，另一個是-1/2。由泡利原理可得到下列兩個推論：

(1)每個原子軌道中最多容納兩個自旋方向相反的電子。

(2)每個電子層所能容納的電子總數是其主量子數n的2n2個。

2.2重要性：

核外電子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特規則。

上面講的三個原理，是從大量事實中概括出來的，它們能幫助我們了解元

素的原子核外電子排布的規律，但不能用它們來解釋有關電子排布的所有

問題。

不相容原理是量子理論中的重要原理，是1925年1月由泡利提出的。這一原理可

以表述為：對于完全確定的量子態來說，每一量子態中不可能存在多于一個的粒子。

泡利后來用量子力學理論處理了h/4π自旋問題，引入了二分量波函數的概念和所謂

的泡利自旋矩陣。通過泡利等人對量子場的研究，人們認識到只有自旋為半整數的粒

子（即費米子）才受不相容原理的限制，從而確立了自旋統計關系。

自旋為半整數的粒子（費米子）遵從泡利原理。它又可表述為全同費米子體系中不可

能有兩個或兩個以上的粒子同時處于相同的單粒子態。1925年W.E.泡利為說明化學

元素周期律提出來的。原子中電子的狀態由主量子數n、角量子數l、磁量子數ml

以及自旋磁量子數ms所描述，因此泡利原理還可表述為原子內不可能有兩個或兩個

以上的電子具有完全相同的4個量子數(n,l,ml,ms)。根據泡利原理可很好地說明化

學元素的周期律。泡利原理是全同費米子遵從的一條重要原則，在所有含有電子的系

統中，在分子的化學價鍵理論中、在固態金屬、半導體和絕緣體的理論中都起著重要

作用。后來知道泡利原理也適用于其他如質子、中子等費米子。泡利原理是認識許多

自然現象的基礎。

科學成就：

泡利在物理學上，尤其在量子力學方面，做出了許多非常重要的貢獻，但是泡利很

少發表論文，一般他與同行（比如他與之交往非常厚的尼爾斯·玻爾和沃納·海森堡）

交換非常長的信。許多他的主意從未被發表過，而只是在他的書信中出現。他的收信

人往往將他的信拷貝后給其他同行們看。泡利顯然也不關心許多他的發現因此后來沒

有歸功于他。以下是他做出的，的確歸功于他的最重要的結果：

1924年為了解決觀測到的分子光譜與正在發展的量子力學之間的矛盾泡利提出了

一個新的自由度。他還提出了泡利不相容原理，這可能是他最重要的成果了。這個原

理說任何兩個電子無法占據同一量子狀態。自旋的主意是泡利與拉爾夫·克羅尼格一

起提出了。一年后喬治·尤金·烏倫貝克和塞繆爾·高德斯密特證實電子自旋就是泡

利所提出的新的自由度。

1926年海森堡發表了量子力學的矩陣理論后不久泡利就使用這個理論推導出了氫

原子的光譜。這個結果對于驗證海森堡理論的可信度非常重要。

1927年他引入了泡利矩陣作為自旋操作符號的基礎，由此解決了非相對論自旋的

理論。泡利的結果引發了保羅·狄拉克發現描述相對論電子的狄拉克方程式。

1930年在一封給莉澤·邁特納的信中泡利提出了一個到此為止電中性的、無質量

的粒子來解釋β衰變的連續光譜。1934年恩里科·費米將這個粒子加入他的衰變理

論并稱之為中微子。1959年中微子被實驗證實。

1940年泡利證明帶半數自旋的粒子是費米子，帶整數的自旋的粒子是玻色子。

在物理上泡利是一個完美主義者，這不光涉及他自己的工作，也涉及到他人的工作。

因此他獲得了“物理理智”的稱號，他的同行非常尊重他的批評。對他覺得不完善的

理論他最著名的評價是“完全錯誤”。不過有一次他對這樣的一篇論文的評價是“這

篇文章不光不正確，它甚至不錯誤”，成為了一句物理學家中的內行笑話。另一個關

于泡利的笑話是泡利死后受到上帝的接見。他問上帝，為什么精細結構常數的值是

1/()。上帝點點頭，開始快速地在黑板上寫公式。泡利看著他，非常滿意

地點頭，但是很快他就開始搖頭了??

另一個故事說有一次海森堡給泡利寫信報道他的新理論，泡利的回信上只有一個方

塊，下面寫著一行小字：“我的畫畫得同提香一樣好，只是缺乏細節。”

假如泡利在附近的話，試驗往往就會不成功，有時甚至試驗裝置會被破壞，這個現

象被稱為“泡利現象”。泡利本人對此不以為然，經常以之取笑。

據說還在泡利上中學的時候有一次物理教授在黑板上推導犯了一個錯誤，但是他找

來找去找不到這個錯誤。最后他說：“泡利，你肯定早就找到這個錯了，你說吧錯在

哪里。”

參考文獻：楊福家《原子物理學》上海科技出版社

朱長軍《大學物理學》西安電子科技大學出版社

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