泡利不相容原理上課講義

泡利不相容原理與建設(shè)性批評(pīpíng)大師201410300109王虹第一頁，共13頁。個人簡介美籍奧地利科學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇?900～1958）生于奧地利維也納一位醫(yī)學(xué)博士的家庭里，從童年時代就受到科學(xué)的熏陶，在中學(xué)時就自修物理學(xué)。1918年中學(xué)畢業(yè)后，泡利帶著父親的介紹信，到慕尼黑大學(xué)訪問著名物理學(xué)家索末菲要求不上大學(xué)而直接做索末菲的研究生，索末菲當(dāng)時沒有拒絕(jùjué)，卻難免不放心，但不久就發(fā)現(xiàn)泡利的才華，于是泡利就成為慕尼黑大學(xué)最年輕的研究生。第二頁，共13頁。成就(chéngjiù)泡利矩陣1927年他引入了2×2泡利矩陣作為自旋操作符號的基礎(chǔ)，由此解決了非相對論自旋的理論。β衰變1930年，泡利考慮了β衰變中能量不守恒的問題。12月4日，在一封給莉澤·邁特納的信中，泡利向邁特納等人提出了一個當(dāng)時(dàngshí)尚未觀測到過的、電中性的、質(zhì)量不大于質(zhì)子質(zhì)量1%的假想粒子來解釋β衰變的連續(xù)光譜。1934年，恩里科·費(fèi)米將這個粒子加入他的衰變理論并稱之為中微子。首次證實中微子存在性的是1956年FrederickReines和克萊德考恩的實驗。第三頁，共13頁。泡利不相容原理泡利不相容原理（Pauli’sexclusionprinciple又稱泡利原理、不相容原理）：在原子的同一軌道中不能容納運(yùn)動狀態(tài)完全相同的電子。一個原子中不可能有電子層、電子亞層、電子云伸展方向和自旋方向完全相同的兩個電子。如氦原子的兩個電子，都在第一層（K層），電子云形狀是球形對稱(duìchèn)、只有一種完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。每一軌道中只能容納自旋相反的兩個電子，每個電子層中可能容納軌道數(shù)是n個，因此每層最多容納電子數(shù)是2n個。

第四頁，共13頁。電子(diànzǐ)之間彼此不可區(qū)分，因此對于交換任意兩個粒子前后概率密度函數(shù)必須相同。那么只有兩種情況：交換對稱和交換反對稱。對于一個具有n電子(diànzǐ)的體系，其完全波函數(shù)為若這個波函數(shù)的平方能經(jīng)得起坐標(biāo)q1和q2的對換，即這意味著有波函數(shù)具有對稱性（對應(yīng)“+”）和反對稱性（對應(yīng)“-”）。費(fèi)米子的波函數(shù)具有反對稱性，玻色子（自旋為整數(shù)的粒子）具有對稱性。第五頁，共13頁。對于電子，質(zhì)子，中子等自旋量子數(shù)為半整數(shù)的費(fèi)米子，其波函數(shù)是反對稱函數(shù)。如果（即：允許兩個電子處于(chǔyú)一個軌道），那么行列式就為0，所以任意兩個電子不能處于(chǔyú)一個狀態(tài)。泡利的不相容原理可以這樣表述：一個原子中，任何兩個軌道電子的4個量子數(shù)不能完全相同。例如，氦原子中的2個電子主量子數(shù)n、角量子數(shù)l、磁量子數(shù)m都相同(n=1，l=0，m=0)，但自旋量子數(shù)ms必須不同，一個是+1/2，另一個是-1/2。第六頁，共13頁。1945年，泡利因他在1925年即25歲時發(fā)現(xiàn)的“不相容原理”，獲諾貝爾物理學(xué)獎。直到泡利提出不相容理論20年后的1945年，這個理論的正確性和它產(chǎn)生的廣泛深遠(yuǎn)的影響才得以確認(rèn)。不相容原理被稱為量子力學(xué)的主要支柱之一，是自然界的基本定律，它使得當(dāng)時所知的許多有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的知識變得條理化。人們可以利用泡利引入的第四個、表示(biǎoshì)電子自旋的量子數(shù)，把各種元素的電子按殼層和支殼層排列起來，并根據(jù)元素性質(zhì)主要取決于最外層的電子數(shù)（價電子數(shù)）這一理論，對門捷列夫元素周期律給以科學(xué)的解釋。第七頁，共13頁。批評(pīpíng)大師泡利是一位以批評尖刻、不留情面著稱(zhùchēng)的物理學(xué)家，荷蘭物理學(xué)家艾倫菲斯特曾給他取過一個外號，叫做“上帝的鞭子”。在泡利的心中，對人的敬重可分為四種：從不批評=極度敬重偶爾批評=比較敬重偶爾表揚(yáng)=有點敬重狠狠批評=正常朋友第八頁，共13頁。泡利在二十歲時，有一次前去聆聽愛因斯坦的演講，坐在最后一排座位，他向愛因斯坦提出了一些問題，其火力之猛，連愛因斯坦都招架不住(zhāojiàbùzhù)。據(jù)說此后愛因斯坦演講時，眼光都要特別掃過最后一排，查驗有無熟悉的身影出現(xiàn)。另外還傳聞，愛因斯坦在一次國際會議上做報告，結(jié)束后泡利站起來說：“我覺得愛因斯坦并不完全是愚蠢的。”第九頁，共13頁。一次，在聽了意大利物理學(xué)家塞格雷（后來發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子）的報告之后，泡利說：“我從來沒有聽過像你這么糟糕的報告?！比窭滓谎晕窗l(fā)。泡利想了一想，回身對同行的瑞士物理化學(xué)家布瑞斯徹說：“如果你來做報告，情況會更加糟糕。當(dāng)然(dāngrán)，你上次在蘇黎世的開幕式報告除外?！钡谑?，共13頁。軼聞(yìwén)趣事泡利被玻爾稱為“物理學(xué)的良知”，因為他的敏銳、謹(jǐn)慎和挑剔，使他具有一眼就能發(fā)現(xiàn)錯誤的能力。物理學(xué)界笑談存在一種(yīzhǒnɡ)“泡利效應(yīng)”──泡利出現(xiàn)在哪里，那里的人不管是在做理論推導(dǎo)還是實驗操作都會出岔子。據(jù)說有一次實驗物理學(xué)家弗蘭克位于哥廷根大學(xué)的實驗室里出現(xiàn)了一次事故。據(jù)查，泡利有不在現(xiàn)場的充分證據(jù)。于是弗蘭克寫信給泡利，很欣慰地告訴他說你總算無辜了一回。真的無辜嗎？泡利對這種無罪推定似乎并不領(lǐng)情，他回信很誠實地“自首”說自己雖不在第一現(xiàn)場，但事發(fā)當(dāng)時自己乘坐的從蘇黎世到哥本哈根的火車卻恰好在哥廷根的站臺上停留了一會兒！第十一頁，共13頁。他一生喜歡評論別人的東西，經(jīng)常是一針見血，不過很可惜，他一生反對錯了最重要的兩件事情，一個電子自旋，一個宇稱不守恒?？赡芤粋€人過于敏銳了，對于(duìyú)一些違反常規(guī)的想法有一種本能的抵制。泡利在學(xué)