1923 年、ヴォルフガング パウリは、フェルミ粒子 (電子、陽子、中性子などの半整数のスピン粒子) が同じ量子状態の同じ場所には存在しないという原理を提案しました。
この原理は、1930 年にディラックによって発明された相対論的量子力学の定理になりました。半整数スピン粒子はフェルミ粒子であり、フェルミ・ディラック統計に従います。したがって、パウリの排他原理となります。
量子力学におけるステートメント
粒子の量子状態は「量子数」によって定義されます。排他原理により、フェルミ粒子系に属するフェルミ粒子がその系内の別のフェルミ粒子と同じ量子数を持つことが禁止されます。
たとえば、原子では、電子は文字n 、 l 、 m l 、およびm sに対応する番号によって特徴付けられます。電子が組み合わせ(1、0、0、1/2) を示す場合、それは必ず 1 つだけです。 。
したがって、これにより層ごとの電子の数が制限されます。n = 1 ( l = 0、したがって m l = 0) によって特徴付けられる最初の層では、状態m s =±1/2 に対応する可能性は 2 つだけです。したがって、この層は 2 つの電子しか受け入れることができません。
同様に、 n = 2 で特徴付けられる2 番目の層では、 l は0 または 1 です。
- l = 0、 ml = 0の場合。
- l = 1、 ml = -1、0、または 1 の場合。
したがって、4 つの可能性があり、それぞれについてm s =±1/2 であるため、2 番目の層は 8 つの電子を受け入れることができます。等々。 n 番目の層は 2n 2構成を受け入れます。
天体物理学での使用
天体物理学では、中性子星の崩壊には、中性子が同じ運動をする必要があり、したがって同じエネルギーが必要ですが、排他原理によって制限されます。これが、これらの非常に大きな死んだ星の凝集を部分的に説明し、そうでなければ崩壊するはずです。重力の影響下で。
しかし、星が大きすぎると排除原理が成り立たなくなり、星はブラックホールとなります。
相対論的声明
量子物理学の相対論的バージョンは、負のエネルギー準位の存在を予測します。排他原理は、すべての粒子がこれらの準位で消滅しない理由を説明するのに役立ちます。実際、すべての粒子は可能な限り最低のエネルギー状態に向かう傾向があるため、そこに急行するはずです。ディラックと同じように、すべてのエネルギー状態が占有されていると考えると、それらの状態に他の同一のフェルミオンが存在することはできません。
排除原理から逃れる粒子
フェルミ粒子のみがこの原理の対象となります。整数スピンを持つ 区別できない粒子は、 ボーズ・アインシュタイン統計量を満たしますが、パウリの排除原則を満たしません。それどころか、「群れ」行動さえ観察されるでしょう。
最後に、フェルミ粒子でもボソンでもないエニオンを導入できる状況 (特に 2 次元) があります。
一方、量子超対称性は、すべてのボソンをその超対称フェルミ粒子に関連付けます。したがって、スピン 2 ボソンである重力子は、スピン 3/2グラビティノに関連付けられるはずです。 2006 年の時点では、この超対称性の実験の痕跡はありません。
