AtomsEdit
Paulin poissulkemisperiaate auttaa selittämään monenlaisia fyysisiä ilmiöitä. Yksi erityisen tärkeä seuraus periaatteesta on atomien monimutkainen elektronikuorirakenne ja tapa, jolla atomit jakavat elektroneja, selittäen kemiallisten alkuaineiden ja niiden kemiallisten yhdistelmien erilaisuuden. Sähköisesti neutraali atomi sisältää sitoutuneita elektroneja, joiden lukumäärä on yhtä suuri kuin ytimen protonit. Elektronit, jotka ovat fermioneja, eivät voi käyttää samaa kvanttitilaa kuin muut elektronit, joten elektronien on ”pinottava” atomiin, ts. Niillä on eri pyörii samalla elektroniradalla, kuten alla kuvataan.
Esimerkki on neutraali heliumiatomi, jolla on kaksi sitoutunutta elektronia, jotka molemmat voivat miehittää pienimmän energian (1s) tilat hankkimalla vastakkaisen spinin; koska spin on osa elektronin kvanttitilaa, nämä kaksi elektronia ovat eri kvanttitiloissa eivätkä riko Paulin periaatetta. Spin voi kuitenkin ottaa vain kaksi erilaista arvoa (ominaisarvot). Litiumatomissa, jossa on kolme sitoutunutta elektronia, kolmas elektroni ei voi olla 1s-tilassa, ja sen on sijaittava yksi korkeamman energian 2s-tiloista. Vastaavasti peräkkäin suuremmilla alkuaineilla on oltava peräkkäin korkeamman energian kuoret. Elementin kemialliset ominaisuudet riippuvat suurelta osin elektronien lukumäärästä uloimmassa kuoressa; atomeilla, joilla on erilainen määrä varattuja elektronikuoria, mutta sama määrä elektroneja uloimmassa kuoressa, on samanlaiset ominaisuudet, mikä antaa alkuaineiden jaksollisen taulukon.: 214–218
Paulin poissulkemisperiaatteen testaamiseksi He-atomille Gordon Drake suoritti hyvin tarkat laskelmat sitä rikkoville hypoteettisille He-atomien tiloille, joita kutsutaan paronisiksi tiloiksi. Myöhemmin K. Deilamian et ai. käytti atomisäteispektrometriä Draken laskeman paronisen tilan 1s2s 1S0 etsimiseen. Haku ei onnistunut ja osoitti, että tämän paronisen tilan tilastollisella painolla on yläraja 5×10-6. (Poissulkemisperiaate tarkoittaa nollapainoa.)
Kiinteän tilan ominaisuudetMuokkaa
Johtimissa ja puolijohteissa on hyvin suuri määrä molekyylirataita, jotka muodostavat tehokkaasti jatkuvan energiakaistarakenteen tasoilla. Vahvoissa johtimissa (metallit) elektronit ovat niin rappeutuneita, etteivät ne edes osaa edes vaikuttaa metallin lämpökapasiteettiin.: 133–147 Monet kiinteiden aineiden mekaaniset, sähköiset, magneettiset, optiset ja kemialliset ominaisuudet ovat suoria seurauksia Paulin poissulkemiselta. / p>
Materiaalin vakausMuokkaa
Kunkin atomin elektronitilan vakautta kuvaa atomin kvanttiteoria, joka osoittaa, että elektronin läheinen lähestyminen ytimeen lisää välttämättä elektronia ”Kineettinen energia, Heisenbergin epävarmuusperiaatteen soveltaminen. Suurten järjestelmien, joissa on paljon elektroneja ja monia nukleoneja, vakaus on kuitenkin erilainen kysymys ja vaatii Paulin poissulkemisperiaatetta.
On osoitettu, että Paulin poissulkemisperiaate on vastuussa siitä, että tavallinen irtotavarana oleva aine on vakaa ja vie tilavuuden.Tämän ehdotuksen teki ensimmäisen kerran vuonna 1931 Paul Ehrenfest, joka huomautti, että kaikkien atomien elektronit eivät voi pudota energia-kiertorata ja sen on täytettävä peräkkäin suuremmat kuoret. Siksi atomit vievät määrän, eikä niitä voida puristaa liian tiiviisti toisiinsa.
Tarkemman todistuksen antoivat vuonna 1967 Freeman Dyson ja Andrew Lenard (de), jotka pitivät tasapainoa houkuttelevana (elektroni-ydinvoima). ) ja vastenmieliset (elektroni-elektroni ja ydin-ydin) voimat ja osoitti, että tavallinen aine romahtaisi ja vie paljon pienemmän tilavuuden ilman Paulin periaatetta.
Paulin periaatteen seurauksena tässä on, että sama spin pidetään erillään hylkivällä vaihtovaikutuksella, joka on lyhyen kantaman vaikutus, joka toimii samanaikaisesti pitkän kantaman sähköstaattisen tai Coulombic-voiman kanssa. Tämä vaikutus on osittain vastuussa makroskooppisen maailman jokapäiväisestä havainnosta, jonka mukaan kaksi kiinteää esinettä ei voi olla samassa paikassa samaan aikaan.
AstrophysicsEdit
Dyson ja Lenard eivät pitäneet äärimmäiset magneettiset tai painovoimat, joita esiintyy joissakin tähtitieteellisissä kohteissa. Vuonna 1995 Elliott Lieb ja työtoverit osoittivat, että Paulin periaate johtaa edelleen vakauteen voimakkaissa magneettikentissä, kuten neutronitähdissä, vaikkakin paljon suuremmalla tiheydellä kuin tavallisessa aineessa. Se on seurausta yleisestä suhteellisuudesta, että riittävän voimakkaissa painovoimakentissä aine romahtaa muodostaen mustan aukon.
Tähtitiede osoittaa näyttävästi Pauli-periaatteen vaikutuksen valkoisen kääpiön ja neutronitähdet. Molemmissa kappaleissa atomirakenne rikkoutuu äärimmäisen paineen vaikutuksesta, mutta tähtiä pidetään hydrostaattisessa tasapainossa rappeutumispaineen, joka tunnetaan myös nimellä Fermi-paine.Tätä aineen eksoottista muotoa kutsutaan rappeutuneeksi aineeksi. Tähtimassan valtava painovoima pidetään normaalisti tasapainossa tähtiytimen lämpöydinfuusiossa tuotetun lämmön aiheuttaman lämpöpaineen kanssa. Valkoisissa kääpiöissä, joissa ei tapahdu ydinfuusiota, elektronin rappeutumispaine tuottaa painovoimaa vastakkaisen voiman. Neutronitähdissä, joissa on vielä voimakkaampia painovoimia, elektronit ovat sulautuneet protoneihin muodostaen neutroneja. Neutronit pystyvät tuottamaan vieläkin korkeamman rappeutumispaineen, neutron degeneraatiopaineen, tosin lyhyemmällä alueella. Tämä voi vakauttaa neutronitähdet romahtamisesta, mutta pienemmässä koossa ja tiheämmässä kuin valkoinen kääpiö. Neutronitähdet ovat tunnetuimpia ”jäykimpiä” esineitä; niiden nuori moduuli (tai tarkemmin sanottuna irtomoduuli) on 20 suuruusluokkaa suurempi kuin timantti. Jopa tämä valtava jäykkyys voidaan kuitenkin voittaa neutronitähtimassan gravitaatiokentällä, joka ylittää Tolman – Oppenheimer – Volkoff-rajan, mikä johtaa mustan aukon muodostumiseen.: 286–287