AtomsEdit
Pauli-uteslutningsprincipen hjälper till att förklara en mängd olika fysiska fenomen. En särskilt viktig konsekvens av principen är den detaljerade elektronskalstrukturen hos atomer och hur atomer delar elektroner, vilket förklarar mångfalden av kemiska element och deras kemiska kombinationer. En elektriskt neutral atom innehåller bundna elektroner lika stora som protonerna i kärnan. Elektroner, eftersom de är fermioner, kan inte uppta samma kvanttillstånd som andra elektroner, så elektroner måste ”stapla” i en atom, dvs ha olika snurr medan de är i samma elektronbana som beskrivs nedan.
Ett exempel är den neutrala heliumatomen, som har två bundna elektroner, som båda kan uppta de lägsta energitillstånden (1s) genom att få motsatt snurrning; eftersom spinn är en del av elektronens kvanttillstånd, är de två elektronerna i olika kvanttillstånd och bryter inte med Pauli-principen. Emellertid kan centrifugeringen endast ta två olika värden (egenvärden). I en litiumatom, med tre bundna elektroner, kan den tredje elektronen inte befinna sig i ett 1s-tillstånd och måste istället uppta ett av de högre energin 2s-tillstånden. På samma sätt måste successivt större element ha skal av successivt högre energi. De grundläggande kemiska egenskaperna beror till stor del på antalet elektroner i det yttersta skalet; atomer med olika antal ockuperade elektronskal men samma antal elektroner i det yttersta skalet har liknande egenskaper, vilket ger upphov till elementens periodiska period .:214–218
För att testa Pauli-uteslutningsprincipen för He-atomen utförde Gordon Drake mycket exakta beräkningar för hypotetiska tillstånd av He-atomen som bryter mot den, som kallas paroniska tillstånd. Senare har K. Deilamian et al. använde en atomstrålspektrometer för att söka efter det paroniska tillståndet 1s2s 1S0 beräknat av Drake. Sökningen misslyckades och visade att den statistiska vikten för detta paroniska tillstånd har en övre gräns på 5×10-6. (Uteslutningsprincipen innebär en vikt på noll.)
Halvledaregenskaper Redigera
I ledare och halvledare finns det ett mycket stort antal molekylära orbitaler som effektivt bildar en kontinuerlig bandstruktur av energi nivåer. I starka ledare (metaller) är elektroner så degenererade att de inte ens kan bidra mycket till en metalls termiska kapacitet .:133–147 Många mekaniska, elektriska, magnetiska, optiska och kemiska egenskaper hos fasta ämnen är den direkta konsekvensen av Pauli-uteslutning. / p>
Stabilitet hos materiaRedigera
Stabiliteten för varje elektrontillstånd i en atom beskrivs av kvantteorin för atomen, som visar att en elektron närhet till kärnan nödvändigtvis ökar elektronen ”Kinetisk energi, en tillämpning av Heisenbergs osäkerhetsprincip. Stabilitet hos stora system med många elektroner och många nukleoner är dock en annan fråga och kräver Pauli-uteslutningsprincipen.
Det har visat sig att Pauli-uteslutningsprincipen är ansvarig för att vanligt bulkmaterial är stabilt och upptar volym. Detta förslag kom först 1931 av Paul Ehrenfest, som påpekade att elektronerna i varje atom inte alla kan falla in i l owest-energi omlopp och måste uppta successivt större skal. Atomer upptar därför en volym och kan inte pressas för nära varandra.
Ett mer noggrant bevis tillhandahölls 1967 av Freeman Dyson och Andrew Lenard (de), som ansåg balansen mellan attraktiv (elektron-kärnkraft) ) och motbjudande (elektron-elektron och kärnkärn-kärnkrafter) och visade att vanligt materia skulle kollapsa och uppta en mycket mindre volym utan Pauli-principen.
Konsekvensen av Pauli-principen här är att elektroner av samma centrifugering hålls isär genom en repulsiv växelväxelverkan, som är en kortdistanseffekt, som verkar samtidigt med den långa elektrostatiska eller Coulombic-kraften. Denna effekt är delvis ansvarig för den dagliga observationen i den makroskopiska världen att två fasta objekt inte kan vara på samma plats samtidigt.
AstrophysicsEdit
Dyson och Lenard ansåg inte extrema magnetiska eller gravitationella krafter som förekommer i vissa astronomiska föremål. 1995 visade Elliott Lieb och medarbetare att Pauli-principen fortfarande leder till stabilitet i intensiva magnetfält som i neutronstjärnor, även om de har en mycket högre densitet än i vanligt material. Det är en konsekvens av allmän relativitet att materia kollapsar i tillräckligt intensiva gravitationsfält för att bilda ett svart hål.
Astronomi ger en spektakulär demonstration av effekten av Pauli-principen, i form av vit dvärg och neutronstjärnor. I båda kropparna störs atomstrukturen av extremt tryck, men stjärnorna hålls i hydrostatisk jämvikt av degenereringstryck, även känt som Fermi-tryck.Denna exotiska form av materia är känd som degenererad materia. Den enorma tyngdkraften hos en stjärnas massa hålls normalt i jämvikt av termiskt tryck som orsakas av värme som produceras i termonukleär fusion i stjärnans kärna. I vita dvärgar, som inte genomgår kärnfusion, tillhandahålls en motsatt kraft mot tyngdkraften genom elektrondegenereringstryck. I neutronstjärnor, föremål för ännu starkare gravitationskrafter, har elektroner smält samman med protoner för att bilda neutroner. Neutroner kan producera ett ännu högre degenereringstryck, neutrondegenereringstryck, om än över ett kortare intervall. Detta kan stabilisera neutronstjärnor från ytterligare kollaps, men i mindre storlek och högre densitet än en vit dvärg. Neutronstjärnor är de mest ”styva” föremål som är kända; deras Young-modul (eller mer exakt, bulk-modul) är 20 storleksordningar större än diamantens. Men även denna enorma styvhet kan övervinnas genom gravitationsfältet för en neutronstjärnmassa som överskrider Tolman – Oppenheimer – Volkoff-gränsen, vilket leder till bildandet av ett svart hål .:286–287