Правило Запрета Паули. Его физическое обоснование.
Правило Запрета Вольфганга Паули было им постулированно, как и многие другие постулаты, на которых держится квантовая физика.
Что такое "Постулат"?
Это та же аксиома, то есть некое допущение, принимаемое без доказательств!
Это ВОВСЕ НЕ ЗНАЧИТ, что она НЕ НУЖДАЕТСЯ в оном. Просто мы НЕ МОЖЕМ по недоумию доказать это. Поэтому называть аксиому - истинной, принимаемой без доказательства, нелепость! Какая же это истина, если НЕТ НИКАКИХ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ её "ИСТИННОСТИ"???
Как звучит это "правило Запрета" (иногда для квантовых переходов -- Отбора) Паули в отношении атомных электронов?
Говорить читателям, что у электрона в атоме может быть только один уникальный набор четырёх квантовых чисел -- это навешивать читателям лапшу на уши. Говорить, что квантовые числа получаются автоматически при нахождении собственных значений стационарного уравнения Шредингера -- это уже целые спагетти на уши.
Поэтому выскажу это правило в более доступной пониманию любым человеком форме.
Два электрона в атоме не могут находиться в полностью идентичных состояниях, то есть быть на одной орбите, иметь одинаково направленный спин и ещё два параметра, характеризующих из физический статус в атоме (Номер орбиты, механический спин, магнитное квантовое число и орбитальный момент).
Иными словами, состояние каждого из всех электронов в атоме должно хотя бы чем-то отличаться от остальных. Это правило получило экспериментальные подтверждения и вроде бы не должно считаться постулатом-аксиомой. Но его тогда можно назвать "эмпирическим" правилом. Как многие законы нашего мира. Мы знаем, что что-то обстоит определённым образом, хотя НЕ ЗНАЕМ, ПОЧЕМУ??!!
И вот, только что пришла мыслишка подвести какую-то физическую базу под это правило. Мыслишка, следует сказать, достаточно тривиальная, хотя нигде в физической литературе её не встречал.
Опять допущение, не более.
Что будет, если у нас есть два шарика разного размера (один большой, другой маленький) на которые мы подали одинаковый по величине и знаку электрический заряд?
Если они находятся достаточно далеко друг от друга, когда их геометрические размеры малы по сравнению с расстоянием между ними, - они будут отталкиваться друг от друга по закону Кулона (более или менее).
Но если их сблизить так, что размеры большого шарика станут сопоставимыми с расстоянием между их центрами, произойдёт непонятное: ОНИ ПРИТЯНУТСЯ!
Почему?
Потому что заряд, хоть и одинаковый и распределённый равномерно по их поверхности, имеет РАЗНУЮ ПЛОТНОСТЬ -- на большом шарике плотность заряда намного меньше, чем на маленьком. И поэтому заряды, сконцентрированные очень плотно на маленьком, создадут на поверхности большого поле, отталкивающее редкие заряды на противоположную сторону и, за счёт всё той же электростатической индукции, притянут имеющиеся на большом шарике отрицательные заряды. Разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые отталкиваются.
Как маленькие бумажные обрывки притягиваются к наэлектризованной палочке.
Как-то, забавы ради, поднёс заряженную пластмассовую палочку к стрйке воды из кухонного крана и струйка, конечно же, отклонилась в сторону палочки. "Притянулась" как те же кусочки бумажки.
В другой раз поднёс эту же, потёртую о ткань зимнего домашнего халата, палочку к фитилю капельницы и капли стали падать чаще и довольно сильно вытягивались перед отрывом от фитиля.
Называется эта электризация трением трибоэлектричеством, хотя трение здесь играет весьма незначительную роль. Просто, из-за прижатия одного вещества к другому, при условии разного давления электронного газа (пусть даже связанных в атомах и молекулах электронов), электроны могут переходить из одного тела на другое. Двигая один предмет по отношению к другому (трение!) мы просто РАЗДЕЛЯЕМ эти перераспределившиеся заряды и так происходит взаимная электризацция - одного тела "минус", другого "плюс".
Теперь вернёмся к электронам на их орбитах в атоме. Это БОЛЬШИЕ отрицательные шарики! И они вращаются по замкнутым траекториям вокруг ОЧЕНЬ МАЛЕНЬКОГО (в десять тысяч раз меньшего размеров атома) ядра. Но они-то большие и с низкой плотностью отрицательного заряда, а ядро - маленькое и с огромной плотностью положительного заряда.
Электроны НЕ твёрдые недеформируемые шарики с отрицательным зарядом, а как раз ДЕФОРМИРУЕМЫЕ То есть способные изменять СВОЮ ФОРМУ.
(В начале прошлого века была серьёзная дискуссия между физиками, поддерживавшими взгляд физика Абрахама, считавшего электрон жёстким, неизменным по форме шариком, и Лорентцом и Эйнштейном, утверждавшими деформируемость электрона.)
Мощное притяжение ядра превращает шарики в вытянутые в сторону ядра "сосульки" или удлинённые капли. Но эти сосульки ещё и вертятся вокруг своей оси - спин! Понятно, что могут они вертеться только вокруг длинной оси сосульки, всегда повёрнутой в сторону ядра Значит, если они находятся на одной орбите, они могут быть только в двух состояниях: Или иметь направление вращения вокруг длинной оси "сосульки" в одну или противоположную сторону.
Вот и правило Паули: Два электрона на одной орбите должны иметь разнонаправленные спины.
В общем, атом по этой модели выглядит как ядро, вокруг которого вертятся НЕ шарики - электроны, а некие вертящиеся в разные стороны "сосульки" - длинные капли. Причём, чем дальше от ядра, тем ближе к своей "естественной" шарообразной форме, а чем ближе - тем более сильно вытянутые главной осью "сосульки" к ядру. Атом, состоящий из множества вертящихся длинных и коротких "сосулек" или, если хотите, вытянувшихся капель. "Звезда из сосулек", направленных не от ядра, а к ядру. Как сталактиты в пещерах.
И тут сразу приходит новая мысль, что такие противоположно вертящиеся сосульки из-за вращения их зарядов превращаются в длинные магнитики, повёрнутые друг к другу разноимёнными полюсами, которые могут притянуться друг к другу и образовать, при определённых условиях, ПАРЫ! Куперовские пары, обуславливающие сверпроводимость!
Так, шарики превратились в "сосульки", а те - в Куперовские пары сверпроводимости!
И всё - из достаточно заурядной идейки о деформируемости электронов в центральном поле атомного ядра.