Принцип заборони Паулі

Принцип заборони Паули

Два електрона в атомі що неспроможні перебувати у одному состоянии.

Австрийский фізик Вольфганг Паулі — одне із кількох європейських фізиків-теоретиків, сформулировавших наприкінці 1920;х — початку тридцятих років основні засади і постулати квантової механіки. Принцип, який його ім'я, одна із основних у цьому підрозділі фізичної науки. Найпростіше уявити, у яких саме полягає принцип Паулі, якщо взяти електрони з автомобілями на багатоярусної критій стоянці. У середньому кожен бокс поміщається лише одне машина, а по тому, й усе бокси на нижньому поверсі стоянки зайняті, автомобілям доводиться у пошуках вільного місця заїжджати наступного року поверх. Також і електрони в атомах — з кожної орбіті навколо ядра їх поміщається максимум, ніж є «парковочных місць», а по тому, й усе місця на орбіті зайняті, наступний електрон шукає собі місце більш високої орбите.

Далее, електрони поводяться, умовно кажучи, так, ніби обертаються навколо своєї осі (тобто, мають власним моментом обертання, що пройшов цього разі прийнято називати спіном і який може приймати лише дві значення: +½ чи -½). Два електрона з протилежним спіном можуть тривати одне місце на орбіті. Це, коли б до одного бокс поміщалися одночасно машина з правим кермом і машина з лівим кермом, а дві машини з розташуванням керма не поміщалися. Ось у ряду періодичної системи Менделєєва бачимо усього дві атома (водень і гелій): на нижньої орбіті відведено лише одне здвоєне місце для електронів з протилежним спіном. Під час наступної орбіті поміщається вже вісім електронів (чотири зі спіном -½, і чотири зі спіном +½), тому під другому ряду таблиці Менделєєва ми вже вісім елементів. І далее.

Внутри старіючих зірок температура настільки висока, що атоми переважно перебувають у іонізованому стані, і електрони вільно переміщаються між ядрами. І тут знову спрацьовує принцип заборони Паулі, але вже видозміненій формі. Тепер він говорить, що у певному просторовому обсязі може водночас перебувати трохи більше двох електронів з протилежним спіном й певними інтервалами гранично допустимих швидкостей. Проте картина різко змінюється після того, як щільність речовини всередині зірки перевищить граничне значення порядку 107 кг/м3 (порівнювати — це у 10 000 разів більше щільності води; сірникову коробок такого речовини важить близько 100 тонн). Під час такої щільності принцип Паулі починає виражатися в стрімке зростання внутрішнього тиску в зірці. Це додатковий тиск вырожденного електронного газу, та її проявом стає те що, що гравітаційний колапс старої зірки зупиняється по тому, як стискається до розмірів, порівнянні з розмірами Землі. Такі зірки називають білими карликами, і це остання стадія еволюції зірок з масою, близька до масі Сонця (див. Межа Чандрасекара).

Выше я описав дію заборони Паулі стосовно электронам, але діє й у відношенні будь-яких елементарних часток отримують за полуцелым спиновым числом (½, 3/2, 5/2 тощо. буд.). Зокрема, спіновий число нейтрона одно, як і в електрона, ½. Це означає, що нейтронам, як і электронам, потрібна певна «життєве простір» навколо себе. Якщо маса білого карлика перевищує 1,4 маси Сонця (див. Межа Чандрасекара), сили гравітаційного тяжіння змушують протони і електрони всередині зірки попарно об'єднуватись у нейтрони. Але тоді нейтрони, подібно электронам у білих карликів, починають виробляти внутрішньо тиск, що називається тиском вырожденного нейтронного газу, й у разі гравітаційний колапс зірки стає в стадії освіти нейтронної зірки, діаметр якої можна з розмірами великого міста. Проте за ще більшої масі зірки (починаючи приблизно від тридцатикратной маси Сонця) сили гравітації сламывают й відвертий спротив вырожденного нейтронного газу, і зірки колапсують далі, перетворюючись на чорні дыры.

Принцип заборони Паулі є яскравий закону природи нових типів, і з з розвитком комп’ютерних технологій такі «неявні» закони будуть неминуче грати все великій ролі. Закони цього принципово різняться від законів класичної фізики, як-от закони руху Ньютона, — де вони прогнозують, що буде у системі. Натомість вони сьогодні визначають, чого системі неспроможна статися. Саме їх біолог і структурний теоретик Харольд Моровиц (Harold Morowitz, р. 1927) назвав «правилами відсікання»: такі правила, зокрема, принцип заборони Паулі зводяться до того що, що з рішенні найскладніших і комплексних проблем (а розрахунок орбіт електронів у непростих атомів до таких, безсумнівно, належить) слід запрограмувати комп’ютер в такий спосіб, щоб він навіть розглядав явно неможливі варіанти вирішення. Тим самим було таке правило відсікає від стовбура можливих рішень завдання явно мертві галузі, залишаючи лише допустимі змогу її вирішення, завдяки чому час комп’ютерних розрахунків скорочується до розумних меж. Отже, правила, подібні принципу заборони Паулі, стають дедалі більше важливими, оскільки ми все більше залежний від комп’ютерів у вирішенні найскладніших і комплексних проблем.

Эффект Паули

Раньше вчені масштабу Ісаака Ньютона чи Майкла Фарадея успішно поєднували у собі навички експериментаторів і теоретиків — самі проводили експерименти по дослідженню різних аспектів фізичного світу й існують самі ж розробляли теорії до пояснень отриманих ними дослідним шляхом результатів. Ті часи пройшли. Приблизно початку двадцятого століття вузька спеціалізація, епідемією пронесшаяся по всіх галузях людської діяльності, поширилася і природознавство, включаючи фізику. Сьогодні бачимо, що переважна більшість учених належить до одної з двох категорій — експериментаторів чи теоретиків. Поєднати у собі ці дві іпостасі нашого часу практично невозможно.

Вольфганг Паулі був виразним фізиком-теоретиком як і властиво багатьом ученим цієї категорії, дуже презирливо ставився до «сантехникам» (з його ж вираженню), марающим руки про експериментальні установки. Снобізм Паулі в відношенні експериментаторів, як і його повна нездатність змусити працювати навіть найпростішу експериментальну установку, увійшли до легенду. Розповідають, що йому з’явитися у фізичної лабораторії, як якесь устаткування відразу випливало з ладу. Кажуть, що жахливий вибух в Лейденському університеті (Нідерланди) стався хвилина на хвилину по прибуття Паулі до цього міста поїздом з Цюриха.

Правда усе це чи ні, але «ефект Паулі» — здатність людини руйнівно впливати на експеримент однією своєю присутністю — міцно ввійшов у фізичний фольклор. Проте, як й у поясненні Бору, у ньому, швидше за все, багато перебільшень, якщо разобраться.

***

Вольфганг ПАУЛІ.

Wolfgang Pauli, 1900−58.

Австрийский, потім швейцарський фізик-теоретик. Народився Відні, у ній професора Віденського університету. Хрещеним батьком Паулі був Ернст Мах (див. Ударні хвилі). Ще школярем освоїв приватну і загальну теорію відносності. Вивчав теоретичну фізику в Мюнхенському університеті у одній з Вернером Гейзенбергом (див. Принцип невизначеності Гейзенберга), диплом захистив в 1922 году.

Паули з’явився однією з піонерів квантової механіки, підкоригувавши нову наукову дисципліну ряд принципових вкладів, самим разючою у тому числі, мабуть, є його принцип заборони, сформульований в 1924 року, — для неї в 1945 року Паулі удостоївся Нобелівської премії із фізики. Його ідея наявності квантових спиновых чисел у елементарних частинок була экспериментальна підтверджено на два роки пізніше. З іншого боку, Паулі вдалося пояснити позірна порушення закону збереження енергії при бета-распаде (див. Радіоактивний розпад) у вигляді припущення про випромінюванні при ньому, крім електрона, невідомої частки, пізніше названої нейтрино.

В роки Другої Першої світової Паулі працював у США, в Прінстонському Інституті перспективних досліджень. Після закінчення війни повернувся до Європи, прийняв швейцарське громадянство і підприємців посів посаду професора експериментальної фізики в федеральному Інституті технології в Цюрихе.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.