パウリの排除原理の定義

パウリの排他原理は、量子力学の基本原理の 1 つです。それは、原子や分子などの閉じた量子系では、2つの同一の亜原子粒子が同時に同じ構成を持つことはできず、まったく同じ量子状態にあることはできない. 素粒子は、電子または原子核を構成する粒子のいずれかを指します。

この原理は、1925 年にオーストリアの理論物理学者である Wolfgang Pauli によって、原子発光スペクトルに関連する特定の実験的観測を説明するために仮定されました。特に、異常なゼーマン効果と呼ばれる、強い磁場にさらされた原子の発光スペクトルにおける複数の線のパターン (マルチプレット) の出現を説明することが可能になります。それまでは、現在の量子原子モデルは、主量子数 (n)、方位角 (l)、磁気量子数 (m _l )の 3 つの量子数のみで原子を定義していたため、パウリの観察は、スピンに対応する第4の量子数の存在.

元々は原子内の電子に対して確立されていましたが、この原理はフェルミ粒子と総称されるより広いクラスの亜原子粒子にも適用されます。フェルミオンは、スピンが ½ の奇数倍であり、したがってパウリの排他原理を満たす素粒子です。電子に加えて、陽子と中性子もフェルミ粒子であるため、この原理はそれらにも当てはまり、核磁気共鳴スペクトルを説明するのに役立ちます。

量子化学におけるパウリの排他原理の帰結

パウリの排他原理の代替ステートメント

化学では、パウリの排他原理は、この記事の冒頭で示したものとは少し異なる方法で表現されます。実際、それは通常、その結果の 1 つに基づいて述べられており、次のように述べられています。

どの原子においても、2 つの電子が同じ 4 つの量子数を持つことはできません。

パウリの排他原理をこのように述べる方法は、前のものほど一般的ではありませんが、原子内の電子に特に適用される場合、最初のステートメントと同等です。

一方では、孤立した原子は閉じた量子系です。2 つの電子について話すとき、フェルミオンでもある 2 つの同一の素粒子について話しているので、それらは排除原理を満たします。最後に、量子力学では、量子数が各電子の量子状態を決定します。したがって、同じ4つの量子数を同時に持つことは、まったく同じ量子状態にあることと同等であり、実際、これはパウリの原理が除外または禁止しているものです.

逆平行スピンを持つ 2 つの電子だけが軌道に収まります。

パウリの排他原理のもう 1 つの帰結であり、場合によってはそれを述べる別の方法としても使用されますが、同じ原子軌道には 2 つを超える電子は存在できず、さらに、これらは反対の電子を持たなければならないということです。スピン (+ または – ½) .

_{原子軌道は最初の 3 つの量子数 n、l、および m l}によって定義されるため、このステートメントも前のステートメントと同等です (ただし、一般的ではありません) 。2 つの電子が同じ軌道にある場合、それらはこれら 3 つの量子数を共有します。これらの 2 つの電子は同じスピンを持つことはできず (パウリの排他原理によって禁止されている同じ 4 つの量子数を持つため)、各電子に対して可能なスピン値は 2 つしかないため、は各軌道に 2 つの電子です。

パウリの排他原理の適用

分光法で

すでに述べたように、パウリの排他原理は、強い磁場下での原子発光スペクトルを説明するために使用されます。さらに、原子と分子の両方の吸収スペクトルと発光スペクトル、および核磁気共鳴スペクトルを理解するのにも役立ちます。これらの技術は、化学、医学、その他の分野で多くの用途があります。

化学では

化学におけるこの原理の最も一般的な用途の 1 つは、周期表の原子の電子配置を構築するために使用されることです。パウリの排他原理のおかげで、軌道に収まる電子は 2 つだけであることがわかっています。これは、他の量子数の他の選択規則と組み合わせて、各原子が各エネルギー準位と各準位内の各軌道にある電子の数を決定することを可能にします。

次の表は、各主エネルギー準位に適合する電子の数を決定できるようにすることで、このアプリケーションを示しています。

天文学で

パウリの排他原理は、天文学で白色矮星の形成と、瀕死の星の崩壊から生じる中性子星の形成を説明するために使用されます。最初の (白色矮星) は、それを構成する電子の縮退圧力のおかげで崩壊をサポートしますが、中性子星が形成され、原子核内の中性子の縮退圧力による自身の重力の崩壊に抵抗します。どちらの場合も、この量子圧力は、2 つのフェルミオン (星の種類に応じて電子または中性子) が同じ量子状態を占めるという排他原理によって予測される不可能性によって生成されます。

参考文献

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ブリタニカ百科事典の発行者。(2018 年 1 月 19 日)。パウリの排除原理。百科事典ブリタニカ。https://www.britannica.com/science/Pauli-exclusion-principle

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