泡利不相容原理解讀

 泡利為了解釋原子周圍的電子在能級上的分布最先提出了電子的不相容原理，即兩個電子不能占據(jù)同一個狀態(tài)。后來這個原理被推廣到所有的費米子，即自旋為半整數(shù)的粒子如電子、質(zhì)子、中子、夸克等等。所以泡利不相容原理現(xiàn)在可以表述為，同一個狀態(tài)上兩個相同的費米子不相容。

n=0,1,2,3,....$n=0,1,2,3,....$; l=0,1,2,...n−1$l=0,1,2,...n-1$; m=−l,−l+1,...,l$m=-l,-l+1,...,l$; ms=+1/2,−1/2$m_s=+1/2,-1/2$。它們的每一個組合(n,l,m,ms)$(n,l,m,m_s)$ 就給出一個量子態(tài)。其中ms=+1/2,−1/2$m_s=+1/2,-1/2$對應(yīng)上下兩種自旋方向。每個量子態(tài)的能量還可以不同，形成很多分立的能級。通常來講，僅僅m$m$和ms$m_s$不同的狀態(tài)的能量是一樣的，稱為簡并能級。也就是說，能級一般只與n$n$和l$l$有關(guān)，可以表示為 Enl$E_{nl}$。一個能級Enl$E_{nl}$ 包含不同的m$m$ 和 ms$m_s$，因而包含2(2l+1)$2(2l+1)$個量子態(tài)。泡利不相容原理告訴我們，這每一個量子態(tài)最多容納一個電子。因而能級Enl$E_{nl}$也就最多只能容納2(2l+1)$2(2l+1)$個電子。比如，l=0,1,2,3$l=0,1,2,3$的能級最多能夠容納的電子數(shù)分別為2,6,10,14個。

原子物理把l=0,1,2,3$l=0,1,2,3$對應(yīng)的狀態(tài)稱為軌道，分別用符號s,p,d,f$s,p,d,f$表示。不過這個軌道的含義卻不是宏觀物體的運行軌道。把軌道的符號跟主量子數(shù)n$n$結(jié)合起來就可以表示一個能級Enl$E_{nl}$，比如1s,3p$1s,3p$等等。原子外圍電子的能級一般有如下順序：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,...$1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,...$。注意 3d$3d$能級通常比4s高。電子就這樣從低到高占據(jù)這些能級。這就給出了原子的電子結(jié)構(gòu)。電子在這些能級上躍遷就能光發(fā)射或吸收。

可見，泡利不相容原理對認識原子的電子結(jié)構(gòu)起到了關(guān)鍵性作用。

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