СЛОВАРЬ ЮНОГО ФИЗИКА

 

ПАУЛИ ПРИНЦИП    

 

 

 

  В одном и том же квантовом состоянии  может находиться не более одной частицы с полуцелым спином.

Существует требование перестановочной симметрии тождественных объектов: никакие физические явления не должны изменяться при перестановке двух идеально одинаковых частиц, например двух электронов или двух нейтронов .

 

Два туриста, боясь перепутать одинаковые палки, выкрасили их в разные цвета; затем поняли, что можно было покрасить лишь одну палку. Если же подумать еще немного, станет ясно, что в покраске нет необходимости — два идеально одинаковых предмета спутать нельзя. Если они одинаковы, нет способа установить отличие, это непроверяемое, а значит, ненаучное утверждение.

 

В квантовой механике состояние системы описывают волновой функцией. Физические величины выражаются через квадрат этой функции. Поэтому есть две возможности, не нарушающие перестановочной симметрии: первая — при перестановке частиц волновая функция не изменяется; и вторая — она изменяет знак при такой перестановке. То же самое получается из требования, чтобы волновая функция не изменялась при двукратной перестановке.

 

В работе, оказавшей большое влияние на всю последующую физику, швейцарский ученый В. Паули показал, что первая возможность осуществляется для частиц с целым спином, а вторая — для частиц с полуцелым спином. Таким образом, волновая функция изменяет знак при перестановке, скажем, двух электронов (спин электрона равен 1/2) и не изменяет при перестановке двух пи-мезонов (спин пи-мезона равен нулю). Теперь нетрудно понять принцип запрета Паули: две частицы с полуцелым спином не могут находиться в одинаковом состоянии.

 

Предположим, что две частицы с полуцелым спином находятся в одинаковом состоянии, тогда их перестановка не может изменить волновую функцию. Между тем, по теореме Паули, волновая функция должна была бы изменить знак. Следовательно, такая волновая функция равна нулю. Но волновая функция определяет вероятность нахождения частицы в данном состоянии; если она равна нулю, значит, такое состояние невозможно — две частицы с полуцелым спином не могут находиться в одинаковом состоянии.

 

Не менее важные заключения следуют из применения принципа Паули к свободным электронам в металле. Рассмотрим вместо металла, в котором на свободные электроны действует поле периодически расположенных атомов, более простой случай — пусть свободные электроны движутся в потенциальном ящике с высокими стенками. Согласно квантовой механике, возможные состояния определяются из условия, что на длине ящика должно укладываться целое число полуволн. Если в ящик насыпать электроны и искать состояния с наинизшей энергией, то по мере увеличения числа электронов будут заполняться все более высокие состояния — на каждом уровне будет находиться по два электрона с противоположными спинами. Поэтому в наинизшем состоянии всей системы электронов имеются частицы всех импульсов, от самых малых, порядка h/l, до самых больших, соответствующих границе заполнения.

 

В классической физике предполагалось, что при абсолютном нуле температуры все частицы покоятся. Согласно принципу Паули, свободные электроны металла даже при абсолютном нуле имеют скорости того же порядка, что и скорости связанных в атоме электронов.

 

 

 

 

 

Смотрите также:

 

Принцип тождественности – фундаментальный принцип...

Принцип тождественности и вытекающие из него требования симметрии волновых функций для системы тождественных частиц приводят к важнейшему квантовому эффекту, не имеющему аналога в классической теории, – существованию обменного взаимодействия.

 

Вероятностные свойства микрочастиц. Немецкий физик М. Борн.

Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля)...

 

Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип...

Принцип дополнительности. Созданный группой физиков в 1925—1927 гг
Вторая задача разрешается с помощью принципа дополнительности: волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют друг друга, а взаимно дополняют друг друга.

 

Волновые свойства. Принцип Гюйгенса – Френеля состоит...

Так возникли первые волновые представления о природе света. Основную ценность начальной волновой теории света представляет принцип, первоначально сформулированный Гюйгенсом, а затем развитый Френелем.