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(píng)(pīpíng)大師201410300109王虹第一頁(yè)，共13頁(yè)。個(gè)人簡(jiǎn)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(shí)代就受到科學(xué)的熏陶，在中學(xué)時(shí)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(wèn)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(shí)沒(méi)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(yè)，共13頁(yè)。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(hào)的基礎(chǔ)，由此解決了非相對(duì)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(wèn)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(gè)當(dāng)時(shí)(dàngshí)尚未觀測(cè)到過(guò)的、電中性的、質(zhì)量不大于質(zhì)子質(zhì)量1%的假想粒子來(lái)解釋?duì)滤プ兊倪B續(xù)光譜。1934年，恩里科·費(fèi)米將這個(gè)粒子加入他的衰變理論并稱之為中微子。首次證實(shí)中微子存在性的是1956年FrederickReines和克萊德考恩的實(shí)驗(yàn)。第三頁(yè)，共13頁(yè)。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(dòng)狀態(tài)完全相同的電子。一個(gè)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(gè)電子。如氦原子的兩個(gè)電子，都在第一層（K層），電子云形狀是球形對(duì)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(gè)電子，每個(gè)電子層中可能容納軌道數(shù)是n個(gè)，因此每層最多容納電子數(shù)是2n個(gè)。

第四頁(yè)，共13頁(yè)。電子(diànzǐ)之間彼此不可區(qū)分，因此對(duì)于交換任意兩個(gè)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(duì)稱和交換反對(duì)稱。對(duì)于一個(gè)具有n電子(diànzǐ)的體系，其完全波函數(shù)為若這個(gè)波函數(shù)的平方能經(jīng)得起坐標(biāo)q1和q2的對(duì)換，即這意味著有波函數(shù)具有對(duì)稱性（對(duì)應(yīng)“+”）和反對(duì)稱性（對(duì)應(yīng)“-”）。費(fèi)米子的波函數(shù)具有反對(duì)稱性，玻色子（自旋為整數(shù)的粒子）具有對(duì)稱性。第五頁(yè)，共13頁(yè)。對(duì)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(duì)稱函數(shù)。如果（即：允許兩個(gè)電子處于(chǔyú)一個(gè)軌道），那么行列式就為0，所以任意兩個(gè)電子不能處于(chǔyú)一個(gè)狀態(tài)。泡利的不相容原理可以這樣表述：一個(gè)原子中，任何兩個(gè)軌道電子的4個(gè)量子數(shù)不能完全相同。例如，氦原子中的2個(gè)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(gè)是+1/2，另一個(gè)是-1/2。第六頁(yè)，共13頁(yè)。1945年，泡利因他在1925年即25歲時(shí)發(fā)現(xiàn)的“不相容原理”，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。直到泡利提出不相容理論20年后的1945年，這個(gè)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(shí)所知的許多有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)變得條理化。人們可以利用泡利引入的第四個(gè)、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(lái)，并根據(jù)元素性質(zhì)主要取決于最外層的電子數(shù)（價(jià)電子數(shù)）這一理論，對(duì)門(mén)捷列夫元素周期律給以科學(xué)的解釋。第七頁(yè)，共13頁(yè)。批評(píng)(pīpíng)大師泡利是一位以批評(píng)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(guò)一個(gè)外號(hào)，叫做“上帝的鞭子”。在泡利的心中，對(duì)人的敬重可分為四種：從不批評(píng)=極度敬重偶爾批評(píng)=比較敬重偶爾表?yè)P(yáng)=有點(diǎn)敬重狠狠批評(píng)=正常朋友第八頁(yè)，共13頁(yè)。泡利在二十歲時(shí)，有一次前去聆聽(tīng)愛(ài)因斯坦的演講，坐在最后一排座位，他向愛(ài)因斯坦提出了一些問(wèn)題，其火力之猛，連愛(ài)因斯坦都招架不住(zhāojiàbùzhù)。據(jù)說(shuō)此后愛(ài)因斯坦演講時(shí)，眼光都要特別掃過(guò)最后一排，查驗(yàn)有無(wú)熟悉的身影出現(xiàn)。另外還傳聞，愛(ài)因斯坦在一次國(guó)際會(huì)議上做報(bào)告，結(jié)束后泡利站起來(lái)說(shuō)：“我覺(jué)得愛(ài)因斯坦并不完全是愚蠢的。”第九頁(yè)，共13頁(yè)。一次，在聽(tīng)了意大利物理學(xué)家塞格雷（后來(lái)發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子）的報(bào)告之后，泡利說(shuō)：“我從來(lái)沒(méi)有聽(tīng)過(guò)像你這么糟糕的報(bào)告。”塞格雷一言未發(fā)。泡利想了一想，回身對(duì)同行的瑞士物理化學(xué)家布瑞斯徹說(shuō)：“如果你來(lái)做報(bào)告，情況會(huì)更加糟糕。當(dāng)然(dāngrán)，你上次在蘇黎世的開(kāi)幕式報(bào)告除外?！钡谑?yè)，共13頁(yè)。軼聞(yìwén)趣事泡利被玻爾稱為“物理學(xué)的良知”，因?yàn)樗拿翡J、謹(jǐn)慎和挑剔，使他具有一眼就能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)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(shí)驗(yàn)操作都會(huì)出岔子。據(jù)說(shuō)有一次實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家弗蘭克位于哥廷根大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)了一次事故。據(jù)查，泡利有不在現(xiàn)場(chǎng)的充分證據(jù)。于是弗蘭克寫(xiě)信給泡利，很欣慰地告訴他說(shuō)你總算無(wú)辜了一回。真的無(wú)辜嗎？泡利對(duì)這種無(wú)罪推定似乎并不領(lǐng)情，他回信很誠(chéng)實(shí)地“自首”說(shuō)自己雖不在第一現(xiàn)場(chǎng)，但事發(fā)當(dāng)時(shí)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(tái)上停留了一會(huì)兒！第十一頁(yè)，共13頁(yè)。他一生喜歡評(píng)論別人的東西，經(jīng)常是一針見(jiàn)血，不過(guò)很可惜，他一生反對(duì)錯(cuò)了最重要的兩件事情，一個(gè)電子自旋，一個(gè)宇稱不守恒?？赡芤粋€(gè)人過(guò)于敏銳了，對(duì)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)