Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeretek Tartalomjegyzékhez < Világképem < (Kvark-..., Hadron-..., Anyag-időszak) A Pauli-elv (vagy Pauli-féle kizárási elv) Wolfgang Pauli által 1925-ben megfogalmazott kvantummechanikai elv, mely szerint nem lehet két azonos fermion azonos kvantumállapotban szemben a bozonokkal. Adott hőmérsékleten egy energiaszint átlagos betöltöttségét fermionok esetén a Fermi-Dirac-statisztika határozza meg. A Pauli-elv felelős az atomhéjak stabilitásáért, s így a kémia létezéséért, vagy a degenerált anyag stabilitásáért extrém nagy nyomás esetén (például neutroncsillag). A kizárási elv matematikailag a hullámfüggvény definíciójából következik, azonos részecskék esetén ez szimmetrikus vagy antiszimmetrikus lehet, a részecskék spinjétől függően. Az antiszimmetrikus hullámfüggvényű részecskéket fermionoknak nevezzük. Ilyenek a jól ismert elektron, proton és neutron, de ide tartoznak a neutrínók, kvarkok is, valamint az atomok egy része. Az alapvető részecskék közül az ún. anyagi részecskék, azaz a kvarkok és leptonok a fermionok. A fermionok feles vagy félegész spinűek (azaz 1/2, 3/2, 5/2 stb.), ami azt jelenti, hogy a belső vagy saját impulzusmomentumuk a redukált Planck-állandó félegészszerese. Az egész spinű, szimmetrikus hullámfüggvényű részecskéket bozonoknak hívjuk, rájuk a kizárási elv nem vonatkozik. Akárhányan elfoglalhatják ugyanazt a kvantumállapotot. A szuperfolyékonyság és szupravezetés ezen tulajdonság következménye. Az alapvető részecskék közül a kölcsönhatásokat közvetítő részecskék, valamint a Higgs-bozonok. A kvantumállapot szimmetriájával való kapcsolata A Pauli-elvet Pauli eredetileg tapasztalati elvként fogalmazta meg. Pauli 1924-ben találta fel, hogy megmagyarázza a kísérleti eredményeket a Zeeman-effektusban az atomok spektroszkópiájában, a ferromágnesességet és azt, hogy hogyan szabályozza az atomok elektronszerkezete a periódusos rendszert. Mindezt azelőtt, hogy Werner Heisenberg és Erwin Schrödinger megfogalmazta volna a modern kvantummechanikát. De ez nem jelenti azt, hogy az elv bármilyen értelemben közelítő jellegű vagy megbízhatatlan lenne, ez a fizika egyik legjobban ellenőrzött és elfogadott eredménye. A kizárási elv származtatható abból a feltételből, hogy a részecskék antiszimmetrikus kvantumállapotban vannak. A spin-statisztika tétel szerint az egész spinű azonos részecskék hullámfüggvénye szimmetrikus, a félegész spinűeké antiszimmetrikus. Más spinérték pedig egyébként nem létezik az impulzusmomentum algebrája szerint. A Pauli-elv mélységes szerepet játszik számos fizikai jelenségben. Az egyik legfontosabb a fermionok „merevsége” vagy „keménysége” a bozonokhoz képest – lehetetlen fermionokat egymásba préselni –, így a közönséges anyag merevsége a Pauli-elv közvetlen következménye. Egy másik következmény az atomok bonyolult elektronszerkezete és a mód, ahogy megosztják egymás között elektronjaikat, így a kémiai elemek és kombinációinak változatossága, azaz a kémia. Vegyük a héliumatom példáját, ami két elektronnal rendelkezik. Mindkét elektron elfoglalhatja a legalacsonyabb energiájú (1s) állapotot, feltéve hogy ellenkező irányú a spinjük. Mivel azonban a spinnnek csak két állapota lehetséges, a lítiumatom harmadik elektronja már csak a magasabb energiájú (2s) állapotban lehet. Hasonló okok miatt töltődnek fel a további elemek magasabb energiaállapotai és így alakul ki a periódusos rendszer. A csillagászat a Pauli-elv másik látványos demonstrációját szolgáltatja a fehér törpék és a neutroncsillagok formájában. Mindkét fajta objektumban a szokásos atomi struktúrák szétszakadnak a hatalmas gravitáció miatt, az alkotórészeket csak a Pauli-elv által szolgáltatott „degenerációs nyomás” tartja egymástól távol. Az anyag ezen egzotikus formáját degenerált anyagnak hívjuk. A fehér törpékben az anyagot egymástól az elektronok degenerációs nyomása tartja távol. A neutroncsillagok nagyobb gravitációja miatt az elektronok bemerülnek a protonokba, hogy együtt neutronokat alkossanak, amik nagyobb degenerációs nyomást hoznak létre. A feltételezések szerint a kvarkcsillagok ennél is tovább lépnek, ott a kvarkok a neutronokból kiszabadulva még nagyobb degenerációs nyomást képesek létrehozni. Egy másik fizikai jelenség, amiért a Pauli-elv felelős, a ferromágnesség, ahol a kizárási effektus energiacserét eredményez, ami a szomszédos elektronokat egy irányba rendeződésre készteti (míg klasszikusan ellentétesen állnának be). Az általános relativitáselmélet szerint egy tömegpont korlátlanul növekedhet, legyőzve a degenerációs nyomást, így az anyagot egy fekete lyukba összeomlasztva. Tartalomjegyzékhez < Világképem < (Kvark-időszak, Hadron-időszak) ----------------------------- http://hu.wikipedia.org/wiki/Pauli-elv
|