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  • 1 # 傅渥成

    19世紀末20世紀初的時候,隨著物理學家們的視野開始進入到微觀世界,科學家們開始考慮電子的排布問題。當時,有許多科學家都在研究相關的問題,並且都有給出一些有啟發性的結論。我們在中學時在化學課上就學過電子排布的問題,原子核外電子分層排列,而且各層的電子數是 2,8,18,32 ……,這列數字的各項可以用 2n² 來表示,有意思的就是這裡前面的係數2,科學家們發現,如果原子所束縛的電子數是偶數,而不是奇數的時候,這個原子的性質會更加穩定。這個發現其實就已經有了泡利不相容原理的一點影子。

    泡利從博士的時候開始就一直在思考和研究電子排布的方式細節。1924年,他發表了一篇論文指出,電子的排布中有一種無法用經典理論描述的「雙值性」,由於這種量子效應,鹼金屬的譜線會出現雙重線結構,電子的排布才會出現係數2。隨著泡利對整個問題的瞭解越來越深入,1925年的時候,泡利正式提出了泡利不相容原理:

    原子裡面絕對不能有兩個或多個的電子處於同樣狀態,這狀態是由電子的四個量子數所設定。如果原子裡有一個電子對於這四個量子數擁有明確的數值,則這四個量子數所設定的狀態已被佔有。

    後來,隨著電子自旋被發現和相對論量子力學的發展,科學家們對泡利不相容原理背後的東西瞭解得越來越多了,到1940年的時候,泡利進一步將不相容原理推廣到了自旋統計定理。我們現在所說的費米子的反交換性和玻色子的交換性就是從這裡開始,自此,完整的泡利不相容原理被提出來了。

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