Principiul excluderii Pauli

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Principiul excluderii Pauli este un principiu al mecanicii cuantice care afirmă că doi fermioni identici nu pot ocupa simultan aceeași stare cuantică . Formulat de Wolfgang Pauli în 1925 , este citat și ca principiul excluderii sau principiul Pauli .

Principiul se aplică numai fermionilor , care formează stări cuantice antisimetrice și au spin cu jumătate de număr întreg și care includ protoni , neutroni și electroni , cele trei particule care alcătuiesc materia obișnuită. Nu este valabil pentru bosoni , care formează stări cuantice simetrice și au spin întreg. Principiul stă la baza înțelegerii multor dintre caracteristicile distinctive ale materiei.

Fermiuni și simetrie

Fermiunile din aceeași specie formează stări total antisimetrice, iar în cazul a două particule înseamnă că

Dacă ambele particule ocupă aceeași stare cuantică , starea întregului sistem este . Prin urmare

și o astfel de stare nu poate apărea. Acest lucru este ușor de generalizat pentru cazurile cu mai mult de două particule.

Folosind numerele cuantice ale particulelor sau ale sistemului de particule, principiul excluderii poate fi scris pur și simplu ca:

unde este este numărul cuantic azimutic e rotirea totală.

Dacă se adaugă izospin la un sistem (adică se ia în considerare nucleul atomic ), principiul Pauli se exprimă după cum urmează:

unde este este izospinul total.

Urmări

Principiul lui Pauli și electronii

Principiul de excludere al lui Pauli joacă un rol esențial într-un număr mare de fenomene fizice. Una dintre cele mai importante și pentru care a fost formulată inițial, se referă la structura norului electronic de atomi. O entitate moleculară neutră din punct de vedere electric (adică atomul) conține un număr de electroni egal cu cel al protonilor din nucleu . Deoarece electronii sunt fermioni, principiul excluderii le interzice să ocupe aceeași stare cuantică. [1]

De exemplu, luați în considerare un atom de heliu neutru, care are doi electroni asociați. Ambii electroni pot ocupa orbitalul cu cel mai scăzut nivel de energie dobândind rotiri opuse. [2] Acest lucru nu încalcă principiul excluderii, deoarece spinul face parte din starea cuantică a electronului și, prin urmare, cei doi electroni ocupă stări cuantice diferite. Cu toate acestea, rotirea poate lua doar două valori diferite. Într-un atom de litiu , care conține trei electroni, al treilea electron nu poate rămâne în orbital , și este forțat să ocupe unul dintre orbitalii de energie superioară . În mod similar, elementele ulterioare ocupă subnivele suplimentare cu creșterea nivelurilor de energie. Proprietățile chimice ale unui element depind în mare măsură de numărul de electroni prezenți în stratul electronic cel mai exterior.

Principiul lui Pauli explică stabilitatea pe scară largă a materiei. Moleculele nu pot fi împinse în mod arbitrar unul împotriva celuilalt, deoarece electronii fiecărei molecule nu pot intra în aceeași stare ca electronii unei alte molecule - acesta este motivul termenului de respingere prezent în potențialul Lennard-Jones .

Consecințe în astronomie

Astrofizica oferă cea mai spectaculoasă demonstrație a acestui efect, sub formă de pitici albi și stele de neutroni . În ambele tipuri de obiecte astronomice, structurile atomice normale sunt perturbate de o forță gravitațională enormă, care lasă constituenții materiei susținute doar de „ presiunea de degenerare ” produsă de principiul excluziunii. Această formă exotică de materie este cunoscută sub numele de materie degenerată . La piticii albi, atomii sunt păstrați separați prin presiunea degenerativă a electronilor. În stelele cu neutroni, care prezintă forțe gravitaționale și mai intense, electronii se fuzionează cu protoni pentru a forma neutroni, care produc o presiune de degenerare și mai mare.

Notă

Bibliografie

  • Paolo Silvestroni, Fundamentals of chemistry , ed. A X-a, CEA, 1996, ISBN 88-408-0998-8 .
  • ( EN ) Dan Dill, 3.5, Atomi cu mulți electroni: găuri Fermi și grămezi Fermi , în Note despre chimie generală , 2 ed., WH Freeman, 2006, ISBN 1-4292-0068-5 .
  • ( EN ) David J. Griffiths, Introducere în mecanica cuantică , 2 ed., Prentice Hall, 2004, ISBN 0-13-805326-X .
  • (EN) Richard L. Liboff, Introductory Quantum Mechanics, Addison-Wesley, 2002, ISBN 0-8053-8714-5 .
  • ( EN ) Michela Massimi, Principiul de excludere al lui Pauli , Cambridge University Press, 2005, ISBN 0-521-83911-4 .
  • ( EN ) Paul Tipler și Ralph Llewellyn, Modern Physics , 4 ed., WH Freeman, 2002, ISBN 0-7167-4345-0 .

Elemente conexe

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 62159 · LCCN (EN) sh85098815 · GND (DE) 4173571-7 · BNF (FR) cb177015270 (data)