泡利不相容

泡利不相容原理

泡利不相容原理（Pauli’s exclusion principle）

指在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子。又称泡利原理、不相容原理。

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一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个

电子。如氦原子的两个电子，都在第一层（K层），电子云形状是球形对称、只有一

种完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。每一轨道中只能客纳自旋相反的两个电

子，每个电子层中可能容纳轨道数是n2个、每层最多容纳电子数是2n2。

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．能量最低原理就

是在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有

当能量最低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道，也就是尽可能使体系能

量最低．洪特规则是在等价轨道(相同电子层、电子亚层上的各个轨道)上排布的电子

将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同．后来量子力学证明，电子这样排布可使

能量最低，所以洪特规则可以包括在能量最低原理中，作为能量最低原理的一个补充．

自旋为半整数的粒子（费米子）所遵从的一条原理。简称泡利原理。它可表述为

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。电子的

自旋，电子遵从泡利原理。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，

因此泡利原理又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。

最初泡利是在总结原子构造时提出一个原子中没有任何两个电子可以拥有完全

相同的量子态。

一个由个费米子组成的量子系统波函数完全反对称：

和是第个费米子的位置和自旋，是置换算符，其作用是对换两个粒子：

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解释

假如将任何两个粒子对调后波函数的值的符号改变的话，那么这个波函数就是完

全反对称的。这说明两个费米子在同一个系统中永远无法占据同一量子态。由于所有

的量子粒子是不可区分的，假如两个费米子的量子态完全相同的话，那么在将它们对

换后不应该波函数的值不应该改变。这个悖论的唯一解是该波函数的值为零：

比如在上面的例子中假如两个粒子的位置波函数一致的话，那么它们的自旋波函

数必须是反对称的，也就是说它们的自旋必须是相反的。

该原理说明，两个电子或者两个任何其他种类的费米子，都不可能占据完全相同

的量子态。通常也称为泡利不相容原理(因奥地利物理学家泡利（1900～1958）而得

名)。

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应用范围

泡利不相容原理对所有费米子（其自旋数为半数的粒子）有效。费米子遵循费米

-狄拉克统计。

自旋为整数的粒子被称为玻色子。玻子遵守玻色-爱因斯坦统计，泡利不相容原

理对它们无效。玻子可以占据相同的量子态。

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名称由来

这是由奥地利物理学家泡利（1900～1958）而得名。1924年，泡利发表了他的

“不相容原理”：原子中不能有2个电子处于同一量子态上。这一原理使得当时所知的

许多有关原子结构的知识变得有条有理。这就是“泡利原理”，即泡利不相容原理。泡

利本人获得了1945年度的诺贝尔物理学奖。