泡利不相容原理上课讲义

泡利不相容原理与建设性批评(pīpíng)大师201410300109王虹第一页，共13页。个人简介美籍奥地利科学家沃尔夫冈·泡利（1900～1958）生于奥地利维也纳一位医学博士的家庭里，从童年时代就受到科学的熏陶，在中学时就自修物理学。1918年中学毕业后，泡利带着父亲的介绍信，到慕尼黑大学访问著名物理学家索末菲要求不上大学而直接做索末菲的研究生，索末菲当时没有拒绝(jùjué)，却难免不放心，但不久就发现泡利的才华，于是泡利就成为慕尼黑大学最年轻的研究生。第二页，共13页。成就(chéngjiù)泡利矩阵1927年他引入了2×2泡利矩阵作为自旋操作符号的基础，由此解决了非相对论自旋的理论。β衰变1930年，泡利考虑了β衰变中能量不守恒的问题。12月4日，在一封给莉泽·迈特纳的信中，泡利向迈特纳等人提出了一个当时(dàngshí)尚未观测到过的、电中性的、质量不大于质子质量1%的假想粒子来解释β衰变的连续光谱。1934年，恩里科·费米将这个粒子加入他的衰变理论并称之为中微子。首次证实中微子存在性的是1956年FrederickReines和克莱德考恩的实验。第三页，共13页。泡利不相容原理泡利不相容原理（Pauli’sexclusionprinciple又称泡利原理、不相容原理）：在原子的同一轨道中不能容纳运动状态完全相同的电子。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(duìchèn)、只有一种完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。每一轨道中只能容纳自旋相反的两个电子，每个电子层中可能容纳轨道数是n个，因此每层最多容纳电子数是2n个。

第四页，共13页。电子(diànzǐ)之间彼此不可区分，因此对于交换任意两个粒子前后概率密度函数必须相同。那么只有两种情况：交换对称和交换反对称。对于一个具有n电子(diànzǐ)的体系，其完全波函数为若这个波函数的平方能经得起坐标q1和q2的对换，即这意味着有波函数具有对称性（对应“+”）和反对称性（对应“-”）。费米子的波函数具有反对称性，玻色子（自旋为整数的粒子）具有对称性。第五页，共13页。对于电子，质子，中子等自旋量子数为半整数的费米子，其波函数是反对称函数。如果（即：允许两个电子处于(chǔyú)一个轨道），那么行列式就为0，所以任意两个电子不能处于(chǔyú)一个状态。泡利的不相容原理可以这样表述：一个原子中，任何两个轨道电子的4个量子数不能完全相同。例如，氦原子中的2个电子主量子数n、角量子数l、磁量子数m都相同(n=1，l=0，m=0)，但自旋量子数ms必须不同，一个是+1/2，另一个是-1/2。第六页，共13页。1945年，泡利因他在1925年即25岁时发现的“不相容原理”，获诺贝尔物理学奖。直到泡利提出不相容理论20年后的1945年，这个理论的正确性和它产生的广泛深远的影响才得以确认。不相容原理被称为量子力学的主要支柱之一，是自然界的基本定律，它使得当时所知的许多有关原子结构的知识变得条理化。人们可以利用泡利引入的第四个、表示(biǎoshì)电子自旋的量子数，把各种元素的电子按壳层和支壳层排列起来，并根据元素性质主要取决于最外层的电子数（价电子数）这一理论，对门捷列夫元素周期律给以科学的解释。第七页，共13页。批评(pīpíng)大师泡利是一位以批评尖刻、不留情面著称(zhùchēng)的物理学家，荷兰物理学家艾伦菲斯特曾给他取过一个外号，叫做“上帝的鞭子”。在泡利的心中，对人的敬重可分为四种：从不批评=极度敬重偶尔批评=比较敬重偶尔表扬=有点敬重狠狠批评=正常朋友第八页，共13页。泡利在二十岁时，有一次前去聆听爱因斯坦的演讲，坐在最后一排座位，他向爱因斯坦提出了一些问题，其火力之猛，连爱因斯坦都招架不住(zhāojiàbùzhù)。据说此后爱因斯坦演讲时，眼光都要特别扫过最后一排，查验有无熟悉的身影出现。另外还传闻，爱因斯坦在一次国际会议上做报告，结束后泡利站起来说：“我觉得爱因斯坦并不完全是愚蠢的。”第九页，共13页。一次，在听了意大利物理学家塞格雷（后来发现反质子）的报告之后，泡利说：“我从来没有听过像你这么糟糕的报告。”塞格雷一言未发。泡利想了一想，回身对同行的瑞士物理化学家布瑞斯彻说：“如果你来做报告，情况会更加糟糕。当然(dāngrán)，你上次在苏黎世的开幕式报告除外。”第十页，共13页。轶闻(yìwén)趣事泡利被玻尔称为“物理学的良知”，因为他的敏锐、谨慎和挑剔，使他具有一眼就能发现错误的能力。物理学界笑谈存在一种(yīzhǒnɡ)“泡利效应”──泡利出现在哪里，那里的人不管是在做理论推导还是实验操作都会出岔子。据说有一次实验物理学家弗兰克位于哥廷根大学的实验室里出现了一次事故。据查，泡利有不在现场的充分证据。于是弗兰克写信给泡利，很欣慰地告诉他说你总算无辜了一回。真的无辜吗？泡利对这种无罪推定似乎并不领情，他回信很诚实地“自首”说自己虽不在第一现场，但事发当时自己乘坐的从苏黎世到哥本哈根的火车却恰好在哥廷根的站台上停留了一会儿！第十一页，共13页。他一生喜欢评论别人的东西，经常是一针见血，不过很可惜，他一生反对错了最重要的两件事情，一个电子自旋，一个宇称不守恒。可能一个人过于敏锐了，对于(duìyú)一些违反常规的想法有一种本能的抵制。泡利在学