AtomsEdit
Princip vyloučení Pauliho pomáhá vysvětlit širokou škálu fyzikálních jevů. Jedním z obzvláště důležitých důsledků tohoto principu je propracovaná elektronová struktura atomů a způsob, jakým atomy sdílejí elektrony, což vysvětluje rozmanitost chemických prvků a jejich chemických kombinací. Elektricky neutrální atom obsahuje vázané elektrony, jejichž počet se rovná počtu protonů v jádře. Elektrony, protože jsou fermiony, nemohou obsadit stejný kvantový stav jako jiné elektrony, takže elektrony se musí „skládat“ do atomu, tj. Mají různá otočení, zatímco jsou na stejné elektronové oběžné dráze, jak je popsáno níže.
Příklad je atom neutrálního helia, který má dva vázané elektrony, přičemž oba mohou zabírat stavy s nejnižší energií (1 s) získáváním opačné rotace; protože spin je součástí kvantového stavu elektronu, oba elektrony jsou v různých kvantových stavech a neporušují Pauliho princip. Rotace však může nabrat pouze dvě různé hodnoty (vlastní čísla). V atomu lithia se třemi vázanými elektrony nemůže třetí elektron pobývat ve stavu 1 s a musí místo toho obsadit jeden ze stavů 2s vyšší energie. Podobně musí postupně větší prvky mít skořápky postupně vyšší energie. Chemické vlastnosti prvku do značné míry závisí na počtu elektronů v nejvzdálenějším plášti; atomy s různým počtem obsazených elektronových skořápek, ale se stejným počtem elektronů v nejvzdálenější skořápce mají podobné vlastnosti, což vede k periodické tabulce prvků.: 214–218
Testování Pauliho vylučovacího principu pro atom He provedl Gordon Drake velmi přesné výpočty pro hypotetické stavy atomu He, které jej narušují, které se nazývají paronické stavy. Později K. Deilamian a kol. použil atomový paprskový spektrometr k hledání paronického stavu 1s2s 1S0 vypočteného Drakem. Hledání bylo neúspěšné a ukázalo se, že statistická váha tohoto paronického stavu má horní hranici 5×10−6. (Princip vyloučení implikuje váhu nula.)
Vlastnosti v pevné fázi Upravit
Ve vodičích a polovodičích existuje velmi velké množství molekulárních orbitalů, které účinně tvoří spojitou pásovou strukturu energie úrovně. Ve silných vodičích (kovech) jsou elektrony tak zdegenerované, že ani nemohou příliš přispět k tepelné kapacitě kovu .:133–147 Mnoho mechanických, elektrických, magnetických, optických a chemických vlastností pevných látek je přímým důsledkem Pauliho vyloučení.
Stabilita hmoty Upravit
Stabilitu každého elektronového stavu v atomu popisuje kvantová teorie atomu, která ukazuje, že blízký přístup elektronu k jádru nutně zvyšuje elektron „Kinetická energie, aplikace Heisenbergova principu nejistoty. Stabilita velkých systémů s mnoha elektrony a mnoha nukleony je však jinou otázkou a vyžaduje Pauliho princip vyloučení.
Ukázalo se, že Pauliho princip vyloučení je zodpovědný za to, že obyčejná hromadná hmota je stabilní a zabírá objem. Tento návrh poprvé vyslovil v roce 1931 Paul Ehrenfest, který poukázal na to, že elektrony každého atomu nemohou všechny spadnout do l orbitální energie se západní energií a musí zabírat postupně větší granáty. Atomy proto zabírají objem a nelze je stlačit příliš těsně k sobě.
Přísnější důkaz poskytli v roce 1967 Freeman Dyson a Andrew Lenard (de), kteří považovali rovnováhu mezi atraktivní (elektron-jaderná) ) a odpudivé (elektron-elektronové a jaderné-jaderné) síly a ukázaly, že běžná hmota by se bez Pauliho principu zhroutila a obsadila mnohem menší objem.
Důsledkem Pauliho principu je, že elektrony stejné spiny jsou udržovány odděleně prostřednictvím odpudivé výměnné interakce, což je účinek na krátkou vzdálenost, působící současně s elektrostatickou nebo Coulombovou silou na velkou vzdálenost. Tento efekt je částečně zodpovědný za každodenní pozorování v makroskopickém světě, že dva pevné objekty nemohou být na stejném místě současně.
AstrophysicsEdit
Dyson a Lenard neuvažovali o extrémní magnetické nebo gravitační síly, které se vyskytují v některých astronomických objektech. V roce 1995 Elliott Lieb a spolupracovníci ukázali, že Pauliho princip stále vede ke stabilitě v intenzivních magnetických polích, jako jsou neutronové hvězdy, i když s mnohem vyšší hustotou než v běžné hmotě. Důsledkem obecné relativity je, že v dostatečně intenzivních gravitačních polích se hmota zhroutí a vytvoří černou díru.
Astronomie poskytuje velkolepou demonstraci účinku Pauliho principu v podobě bílého trpaslíka a neutronové hvězdy. V obou tělech je atomová struktura narušena extrémním tlakem, ale hvězdy jsou udržovány v hydrostatické rovnováze pomocí degeneračního tlaku, známého také jako Fermiho tlak.Tato exotická forma hmoty se nazývá zvrhlá hmota. Obrovská gravitační síla hmoty hvězdy je normálně udržována v rovnováze tepelným tlakem způsobeným teplem produkovaným termonukleární fúzí v jádru hvězdy. U bílých trpaslíků, kteří nepodléhají jaderné fúzi, je protivná síla vůči gravitaci poskytována tlakem degenerace elektronů. V neutronových hvězdách, vystavených ještě silnějším gravitačním silám, se elektrony spojily s protony a vytvořily neutrony. Neutrony jsou schopné produkovat ještě vyšší degenerativní tlak, neutronový degenerativní tlak, i když v kratším rozsahu. To může stabilizovat neutronové hvězdy před dalším kolapsem, ale s menší velikostí a vyšší hustotou než bílý trpaslík. Neutronové hvězdy jsou nejvíce „tuhé“ objekty, které jsou známé; jejich Youngův modul (nebo přesněji objemový modul) je o 20 řádů větší než diamantový. I tuto enormní tuhost však lze překonat gravitačním polem hmoty neutronové hvězdy překračujícím mez Tolman – Oppenheimer – Volkoff, což vede ke vzniku černé díry.: 286–287