Принцип Паули: один из важнейших принципов в понимании природы вещества

1 фев Владимир Гильен Комментариев: 4

Порой кажется странным, почему атомы и молекулы ведут себя определенным образом. Например, почему мы не можем проходить сквозь стены, но инфракрасное излучение через них проходит. Все может объяснить один принцип — принцип исключения Паули.

8 955
Выбор редакции

Принцип исключения Паули утверждает, что два электрона (или два любых других фермиона) не могут иметь одинаковое квантово-механическое состояние в одном атоме или одной молекуле. Другими словами, ни одна пара электронов в атоме не может иметь одинаковые электронные квантовые числа.

 

Этот принцип был предложен австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году для описания поведения электронов. В 1940-м он расширил принцип до всех фермионов в своей теореме о связи спина со статистикой. Бозоны — частицы с целым числом спинов — не следуют принципу исключения. Таким образом, идентичные бозоны могут занимать одно и то же квантовое состояние (как, например, фотоны в лазерах). Принцип исключения Паули применим только к частицам с полуцелым спином.

 

О спине проще всего думать как о вращении частицы вокруг собственной оси. Конечно, это сильное упрощение — и в реальности невозможно сказать наверняка, вращается ли на самом деле нечто столь малого размера вроде электрона. В общем говоря, спин подчиняется тем же математическим законам момента импульса, что и все вращающиеся объекты в классической физике. Здесь есть два важных момента, о которых стоит помнить: скорость вращения и направление оси, вокруг которой частица вращается (верхний или нижний спин).

 

Вольфганг Паули во время лекции / © W. Dieckvoss

Вольфганг Паули во время лекции / © W. Dieckvoss

 

Когда в 1922 году Отто Штерн и Уолтер Герлах открыли спин, их эксперименты показали, что присущий момент импульса, или спин, частицы вроде электрона квантовался, то есть мог принимать только определенные дискретные значения. Спин композитных частиц, таких как протоны, нейтроны и атомные ядра, — просто сумма спинов и орбитального момента импульса частиц, из которых они состоят, а значит, они подчиняются тем же условиям квантования. Таким образом, спин — это абсолютно квантово-механическое свойство частицы и оно не может быть объяснено классической физикой.

 

Позже выяснилось, что есть две подкатегории частиц: частицы с целым спином, известные сегодня как бозоны — среди которых фотоны, глюоны, W- и Z-бозоны, — а также гипотетические гравитоны и частицы с полуцелым спином: фермионы, включающие в себя электроны, нейтрино, мюоны и кварки, из которых состоят композитные частицы типа протонов и нейтронов. Различие между бозонами и фермионами можно описать тем, что у первых есть симметричные волновые функции, а у фермионов волновые функции асимметричны. Концепция частицы с полуцелым спином — очередной пример парадоксальной природы субатомных частиц: грубо говоря, фермиону нужно обернуться вокруг своей оси дважды, прежде чем он примет прежнее положение.

 

Важность этого различия для квантовой теории состоит в том, что волны вероятности бозонов «переворачиваются» — или инвертируются, — прежде чем успевают интерферировать друг с другом, что, по сути, и ведет к их «стадному» характеру и коллективному поведению в лазерах, сверхтекучих жидкостях и сверхпроводниках. Фермионы, однако, не переворачивают свои волны вероятности, что, помимо прочего, приводит к «асоциальному» характеру. Так и получается, что в квантовой механике складывать спины частиц нужно очень аккуратно и при помощи специальных правил вдобавок к моменту импульса.

 

Атом углерода. На первом энергетическом уровне (оболочке первого уровня) расположено два электрона. На втором — уже четыре / © AWS

Атом углерода. На первом энергетическом уровне (оболочке первого уровня) расположено два электрона. На втором — уже четыре / © AWS

 

Все вышеописанное и подводит нас к одному из важнейших принципов в квантовой механике — принципу исключения Паули. Как было сказано выше, он гласит, что два идентичных фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние одновременно (хотя два электрона, например, могут приобрести противоположные спины, чтобы дифференцировать свои квантовые состояния). Этот принцип можно описать так: никакие два фермиона в квантовой системе не могут обладать одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел в любой момент времени. Принцип исключения Паули эффективно объясняет продолжительное существование очень высокоплотных белых карликов, а также существование разных типов атомов во Вселенной, крупномасштабную стабильность вещества и ее основную массу.

 

Чтобы понять важность этого принципа, необходимо знать, что, согласно боровской модели атома, электроны в атоме (существующие в том же количестве, что и протоны в ядре конкретного атома, чтобы общий заряд равнялся нулю) могут занимать только конкретные дискретные орбитальные позиции вокруг ядра, что также называют оболочкой атома. Чем ближе электроны к ядру, тем сильнее электрическая сила притягивает электрон внутрь и тем больше энергии понадобится, чтобы «вырвать» его из лап ядра. На самых близких к ядру орбиталях могут поместиться всего два электрона — один с верхним спином, а один — с нижним, чтобы иметь разные квантовые состояния. Оболочка энергетическим уровнем выше может вместить уже восемь, на уровень выше — 18, на следующем уровне — 32.

 

Принцип исключения Паули диктует, как электроны могут расположиться внутри атома по его орбиталям. Тот факт, что два электрона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние, не дает им «нагромождаться» друг на друга, тем самым объясняя, почему материя занимает исключительно свое место и не позволяет другим материальным объектам проходить через себя, но в то же время позволяет проходить через себя свету и излучению.

 

Два атома формируют ковалентную связь. У каждого из атомов есть всего один электрон на самой дальней орбитали. Для получения более низкого энергетического состояния атомы объединяют свои электроны и образуют общую орбиталь, содержащую два электрона / © The Physics Mill 

Два атома формируют ковалентную связь. У каждого из атомов есть всего один электрон на самой дальней орбитали. Для получения более низкого энергетического состояния атомы объединяют свои электроны и образуют общую орбиталь, содержащую два электрона / © The Physics Mill 

 

Этот принцип также объясняет существование разных атомов в периодической таблице и разнообразие мира, окружающего нас. Например, когда атом получает новый электрон, он всегда попадает на самый низкий из доступных энергетических уровней (наиболее отдаленную от ядра орбиталь). Два атома с «закрытыми» оболочками не могут осуществить химическую связь друг с другом из-за того, что электроны одного атома не находят доступных квантовых состояний, которые они могли бы занять в другом атоме. Итак, порядок электронов, а именно — электронов на самой отдаленной орбитали, также влияет на химические свойства элемента и способность атомов ко взаимодействию с другими атомами, а значит, и на то, как взаимодействуют молекулы при формировании газов, жидкостей или твердых тел, и на то, как они объединяются в живых организмах.

 

Принцип исключения Паули — один и самых важных принципов в квантовой физике, по большей части из-за того, что все три типа частиц, из которых состоит вся обычная материя (электроны, протоны и нейтроны), подчиняются ему. Однако интересно, что этот принцип не поддерживается никакими физическими силами, известными науке. Когда электрон входит в ион, он каким-то образом уже «знает» квантовые числа электронов, находящихся там, то есть знает, какие атомные орбитали он может занять, а какие — нет.

С точки зрения науки

Naked Science Facebook VK Twitter
8 955
Комментарии
Принцип исключения Паули, как и теоремы Белла, подтверждают очевидное, что в физике нет равенств. Но поскольку в науке очевидное и неопровержимое не является доказательством, то принцип исключения Паули, как и теоремы Белла, как и результаты любого другого опыта лишь фиксируют парадокс, не понимание ученым результатов опыта, но наука демонстрируя своё непонимание, невежество, всякий раз возводит непонимание, глупость в разряд открытий!!!!! Типо, вы тут подождите маленько, мы тут вычислим скрытые параметры, отловим демонов. Скрытый отлов демонов, фиксируя парадоксы, типо мы идем по их следам, но дайте ещё 10- 20-30 млрд. евро на Супер, а потом на Супер - супер - пупер коллайдер, и как только, так сразу, не пройдет и ста лет.
В предыдущем комментарии вовсе не для эпатажа я утверждал, что в науке неопровержимое и очевидное в опыте не является доказательством, что всякий раз сталкиваясь с парадоксом, то есть противоречием, которое обнуляет так называемые знания физика. ''Новое открытие'' в науке, не дает нового знания, а всего лишь утверждает ничтожность предыдущего закона, ничтожность научной методологии в познании, очевидный факт невозможности привести к общему знаменателю ''старое'' и новое ''знание'' доказывает ничтожность главной научной скрепы - принципа накопления знаний или принципа развития.
В статье указано, что 1922 г. два неадекватных физика открыли spin у типо электрона, почему неадекватных?!, да потому, любое материальное тело двигаясь по окружности будет обладать спином. Всякий раз когда автомобиль в ходит в поворот, центробежная сила разворачивает его поперек движения, человек бегущий по кругу должен постоянно разворачивать свой корпус. Любая кривая состоит из прямых отрезков. Математическая галлюцинация движения тела по окружности, то есть когда вы чертите окружность, физик уверен, что тело может двигаться по линии окружности, и надо добраться до строения так называемых атомов, что бы убедится, что физик идиот, и опровержение своего идиотизма оформить, как научное открытие.
Ньютон, как Паули, как и любой учитель физики доказывают, что при вращении тела существует центростремительное ускорение, более того приводят математическое доказательство!!!, хотя любой опыт доказывает, что существует только центробежное ускорение, и тело при обрыве связи улетает от центра всегда, а сила связи препятствует движению тела, а не создает движения. Но математическая галлюцинация сильнее физической реальности опыта. При движении тел вокруг Земли, гравитация препятствует движению тел, выступает, как тормозящая сила, уменьшая скорость движения тела.
Тело двигаясь по окружности всегда будет совершать колебательные движения, создавая воздействие на материальную связь (если она есть) относительно средней линии окружности, однако очевидная сложность такого движения не описывается математическими заклинаниями (формулами) дифференциальный и интегральных уравнений. Принцип Паули ничего не объясняет и объяснить не может, поскольку математика не изучает причины явлений.
Обратите внимание, какая математическая пурга на доске за спиной Паули, на фотографии, вначале моей деятельности в физике, я не мог понять, за счет чего держится вся математическая мистификация в физике, когда ни одно математическое правило в физике не работает, когда учитель физики, не может решить самую простую задачу, например, если вы попытаетесь вынести или внести общий множитель за скобки, то полностью поменяете условия задачи!!!, при сложении и вычитании величин, сложные единицы измерения не приводятся к общему знаменателю!!! , при сложении можем получить не большее, а меньшее, а при разности, величину другого рода в самых простых случаях.
Чтобы подойти к пониманию проблем в данной статье, а они очень глубоки, кратко придется повторить этапы математической мистификации в физике.
Первый закон Ньютона - главная галлюцинация в физике - производные - закон сохранения импульса, первый закон термодинамики, закон сохранения, формулы определения энергии Эйнштейна и Планка, любой из перечисленных законов лишь легкая модификация первого закона. Почему?
Первый закон Ньютона - продуцирует беспричинность движения (компенсация сил) и беспричинность появления силы, и как обобщение обоснование замкнутых систем (инерциальных систем отсчета, частица), ибо только замкнутые системы в физике, отвечают законам математики, символу однозначности числа - детерминизму!!! Мистика с котами, демонами, скрытыми параметрами и квантовой запутанностью были запущены Ньютоном.
Второй закон Ньютона - продуцирует попытку разложить сложное явление - скорость, силу(принцип суперпозиции) энергию и т.д. на простые составляющие (ещё одна научная скрепа), что даже по законам математики (геометрии) было абсурдом. Но, бред и абсурд, не смущает физиков, ведь очарование и прелесть Замкнутых Систем, избавляет ученых от ответственности, за противоречия, за обоснования взаимосвязей между замкнутыми состояниями, под каждое состояние сочиняются новые условия взятые с потолка. Например, планетарная модель атома, все то же - скорость электрона и центростремительное ускорение, а как же третий закон Ньютона, ведь у силы должна быть пара? Как скорость, может сочетаться с одномоментным действием силы?!!
Н.Бор, Паули, Ньютон или школьный учитель объясняет появление центростремительного ускорения, мол при взаимодействии (шаров) сила воздействия на искомое тело (шар) направлена в одну сторону, а тело летит в другую - зашибись, уровень понимания физики нобелевским лауреатом, а что не так??? В момент воздействия на тело силы, появляется пара сил, противоположная из которых и будет определять скорость искомой массы. Сила всегда совпадает со скоростью и определяет скорость. Есть возражения???


В четвертом комментарии попробую, очень кратко, но доходчиво доказать невозможность существования квантов.
Закон сохранения энергии в физике, типо механике, разумеется - фейк, поскольку тело брошенное с высоты, очевидно!!!, движется с ускорением, а не со скоростью, и энергия тела будет непрерывно возрастать. Движение воды может быть только ускоренным (с нарастанием энергии), и если на пути движения водички поставить лопасти турбины, то энергия, ускорение воды уменьшится, и турбина тоже начнет вращаться с ускорением, чтобы увеличить или уменьшить ускорение (энергию) турбины, нужно поменять высоту падения воды.
Внимание!!! В это опыте регулируется подача энергии, но не создается новой, поскольку энергия вращения турбины уже есть!!!
Теперь перейдем к вращению электрона, аналогия очевидна, вспоминаем постулаты Н.Бора для атома, поглощает атом излучение или излучает сам, не создается энергии вращения электрона, энергия у электрона уже есть, непрерывно воздействует на электрон ускоряя его, хотя потенциал его меняется, скачок энергии в атоме в положении орбит электрона, преподносится Паули, Бором и сотоварищами, как сама энергия, а не изменение энергии!!! В этом беда физики, от невежества физиков.
Погорячился сравнивая интеллект ученых с интеллектом лягушки, интеллект ученых оказался ещё ниже, ученые не видят даже летящего комара, а только квантованного.
Нобелевский лауреат М.Планк, так и не понял результатов своего физ. опыта, игра физиков в замкнутые состояния, приводит всегда к первому закону Ньютона, к беспричинности движения, кванту - беспричинности энергии, ради галлюцинации математического расчета.
Знание физики в 21 веке, застряло навсегда на уровне 17 века.


















Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку