20111043130_包导_原子物理小论文_泡利不相容原理

泡利不相容原理

作者：何福渊

摘要：泡利不相容原理又称泡利原理、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，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。

关键词：泡利;原子核;电子自旋;不相容

1引言：1925年，年仅25岁的泡利提出不相容原理：原子中每个状

态只能容纳一个电子，换言之原子中不可能有两个以上的电子

占据四个量子数(n,l,ml,ms)相同的态。

2研究

2.1意义：

泡利不相容原理之一

电子在原子核外运动状态是相当复杂的。一个电子的运动状态取决于它所

处的电子层、电子亚层、轨道的空间伸展方向和自旋状况。科学实验还告

诉我们，在一个原子里不可能存在着电子层、电子亚层、轨道的空间伸展

方向和自旋状况完全相同的两个电子。这个原理叫泡利不相容原理。

泡利不相容原理之二

泡利原理是多电子原子核外电子排布应遵守的基本原理，也称为泡利不相

容原理。它是1925年奥地利泡利根据光谱实验的结果，总结出的一条原

理：在同一个原子中不能容纳运动状态完全相同的电子，即，不能容纳4

个量子数完全一样的电子。例如，氦原子中的2个电子主量子数n、角量

子数l、磁量子数 m都相同(n=1，l=0，m=0)，但自旋量子数ms必须不同，

一个是+1/2，另一个是-1/2。由泡利原理可得到下列两个推论：

(1)每个原子轨道中最多容纳两个自旋方向相反的电子。

(2)每个电子层所能容纳的电子总数是其主量子数n的2n2个。

2.2重要性：

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。

上面讲的三个原理，是从大量事实中概括出来的，它们能帮助我们了解元

素的原子核外电子排布的规律，但不能用它们来解释有关电子排布的所有

问题。

不相容原理是量子理论中的重要原理，是1925年1月由泡利提出的。这一原理可

以表述为：对于完全确定的量子态来说，每一量子态中不可能存在多于一个的粒子。

泡利后来用量子力学理论处理了h/4π自旋问题，引入了二分量波函数的概念和所谓

的泡利自旋矩阵。通过泡利等人对量子场的研究，人们认识到只有自旋为半整数的粒

子（即费米子）才受不相容原理的限制，从而确立了自旋统计关系。

自旋为半整数的粒子（费米子）遵从泡利原理。它又可表述为全同费米子体系中不可

能有两个或两个以上的粒子同时处于相同的单粒子态。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，因此泡利原理还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。泡利原理是全同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。

科学成就：

泡利在物理学上，尤其在量子力学方面，做出了许多非常重要的贡献，但是泡利很

少发表论文，一般他与同行（比如他与之交往非常厚的尼尔斯·玻尔和沃纳·海森堡）

交换非常长的信。许多他的主意从未被发表过，而只是在他的书信中出现。他的收信

人往往将他的信拷贝后给其他同行们看。泡利显然也不关心许多他的发现因此后来没

有归功于他。以下是他做出的，的确归功于他的最重要的结果：

1924年为了解决观测到的分子光谱与正在发展的量子力学之间的矛盾泡利提出了

一个新的自由度。他还提出了泡利不相容原理，这可能是他最重要的成果了。这个原

理说任何两个电子无法占据同一量子状态。自旋的主意是泡利与拉尔夫·克罗尼格一

起提出了。一年后乔治·尤金·乌伦贝克和塞缪尔·高德斯密特证实电子自旋就是泡

利所提出的新的自由度。

1926年海森堡发表了量子力学的矩阵理论后不久泡利就使用这个理论推导出了氢

原子的光谱。这个结果对于验证海森堡理论的可信度非常重要。

1927年他引入了泡利矩陣作为自旋操作符号的基础，由此解决了非相对论自旋的

理论。泡利的结果引发了保罗·狄拉克发现描述相对论电子的狄拉克方程式。

1930年在一封给莉泽·迈特纳的信中泡利提出了一个到此为止电中性的、无质量

的粒子来解释β衰变的连续光谱。1934年恩里科·费米将这个粒子加入他的衰变理

论并称之为中微子。1959年中微子被实验证实。

1940年泡利证明带半数自旋的粒子是费米子，带整数的自旋的粒子是玻色子。

在物理上泡利是一个完美主义者，这不光涉及他自己的工作，也涉及到他人的工作。

因此他获得了“物理理智”的称号，他的同行非常尊重他的批评。对他觉得不完善的

理论他最著名的评价是“完全错误”。不过有一次他对这样的一篇论文的评价是“这

篇文章不光不正确，它甚至不错误”，成为了一句物理学家中的内行笑话。另一个关

于泡利的笑话是泡利死后受到上帝的接见。他问上帝，为什么精细结构常数的值是

1/()。上帝点点头，开始快速地在黑板上写公式。泡利看着他，非常满意

地点头，但是很快他就开始摇头了„„

另一个故事说有一次海森堡给泡利写信报道他的新理论，泡利的回信上只有一个方

块，下面写着一行小字：“我的画画得同提香一样好，只是缺乏细节。”

假如泡利在附近的话，试验往往就会不成功，有时甚至试验装置会被破坏，这个现

象被称为“泡利现象”。泡利本人对此不以为然，经常以之取笑。

据说还在泡利上中学的时候有一次物理教授在黑板上推导犯了一个错误，但是他找

来找去找不到这个错误。最后他说：“泡利，你肯定早就找到这个错了，你说吧错在

哪里。”

参考文献：杨福家《原子物理学》上海科技出版社

朱长军《大学物理学》西安电子科技大学出版社

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