学習目標
- パウリ排除原理が原子の電子殻構造を部分的に説明する方法を説明します。
キーポイント
- 2つの同一のフェルミ粒子（半整数スピンを持つ粒子）が同時に同じ量子状態を占めることはできません。
- 1つの原子内の2つの電子が同じになることはできません。 4つの量子数。
- 整数スピンを持つ粒子は対称量子状態を占め、半整数スピンを持つ粒子は非対称状態を占めます。
用語
- フェルミオン完全に非対称な量子状態を持つ粒子。それらは半整数のスピンを持ち、多くの素粒子を含んでいます。
- 電子負の電荷を持ち、原子核を周回している亜原子粒子。導体内の電子の流れが電気を構成します。
- boson完全に対称な量子状態を持つ粒子。それらは整数スピンを持ち、多くの素粒子を含み、いくつか（ゲージボソン）は基本的な力を運ぶことが知られています。
1925年にオーストリアの物理学者ヴォルフガングパウリによって策定されたパウリの排他原理は次のように述べています。同じ種類の2つのフェルミ粒子が同時に同じ量子状態を占めることはできません。より技術的には、2つの同一のフェルミ粒子の全波動関数は粒子の交換に関して反対称であると述べています。たとえば、1つの原子内の2つの電子が同じ4つの量子数を持つことはできません。 n、ℓ、およびmℓが同じである場合、電子が反対のスピンを持つように、msは異なっている必要があります。
パウリの排他原理は、すべてのフェルミ粒子（半整数スピンを持つ粒子）の動作を支配します。ボソン（整数スピンを持つ粒子）はその影響を受けません。フェルミ粒子には、クォーク（陽子と中性子の構成粒子）、電子、ニュートリノなどの素粒子が含まれます。さらに、陽子と中性子（3つのクォークから構成される亜原子粒子）といくつかの原子はフェルミ粒子であるため、パウリの排他原理の対象にもなります。原子は全体的に異なるスピンを持つことができ、それによってフェルミ粒子かボソンかが決まります。たとえば、ヘリウム3はスピン1/2であるため、スピン0のヘリウム4とは対照的に、フェルミ粒子であり、ボソンになります。このように、パウリの排他原理は、大規模な安定性から、NMR分光法での可視性を含む原子の化学的挙動まで、日常の物質の多くの特性を支えています。
半整数スピンは、フェルミ粒子の固有の角運動量値を意味します。 \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi}（プランク定数の減少）に半整数（1 / 2、3 / 2、5 / 2など）を掛けたものです。量子力学の理論では、フェルミ粒子は反対称状態によって記述されます。対照的に、整数スピン（ボソン）を持つ粒子は対称的な波動関数を持っています。フェルミ粒子とは異なり、ボソンは同じ量子状態を共有する可能性があります。ボソンには、光子、クーパー対（超伝導を担当）、およびWボソンとZボソンが含まれます。フェルミ粒子は、従うフェルミ-ディラック統計分布から名前を取り、ボソンは、ボース-アインシュタイン分布から名前を取ります。
排除原理と物理現象
パウリの排他原理さまざまな物理現象を説明します。この原理の特に重要な結果の1つは、原子の精巧な電子殻構造と、原子が電子を共有する方法です。さまざまな化学元素とそれらの化学の組み合わせについて説明します。電気的に中性の原子には、原子核内の陽子と同じ数の結合電子が含まれています。フェルミオンである電子は同じ量子状態を占めることができないため、電子は原子内で「スタック」する必要があります。同じ場所にある間は異なるスピンを持ちます。
例として、2つの結合電子を持つ中性のヘリウム原子があります。反対のスピンを獲得することによる最低エネルギー（1s）状態スピンは電子の量子状態の一部であるため、2つの電子は異なる量子状態にあり、パウリ排除原理に違反しません。ただし、2つの異なるスピンしかありません。したがって、この特性により、3つの結合電子を持つリチウム原子は3番目の電子を残せないことが義務付けられます。 eは1s状態です。代わりに、高エネルギーの2s状態の1つを占める必要があります。同様に、連続して大きくなる要素には、連続して高いエネルギーのシェルが必要です。要素の化学的性質は最外殻の電子数に大きく依存するため、殻の数は異なるが最外殻の電子数が同じである原子も同様に動作します。 このため、要素は期間ではなくグループによって定義されます。