трусики женские украина

На головну

Принцип заборони Паулі - Математика

Два електрони в атомі не можуть знаходитися в одному стані.

Австрійський фізик Вольфганг Паулі - один з трохи європейських фізиків-теоретиків, що сформулювали в кінці 1920-х - початку 1930-х років основні принципи і постулати квантової механіки. Принцип, що носить його ім'я, є одним з основоположних в цьому розділі фізичної науки. Простіше усього уявити собі, в чому саме укладається принцип Паулі, якщо порівняти електрони з автомобілями на багатоярусній критій стоянці. У кожний бокс вміщується тільки одна машина, а після того, як все боксы на нижньому поверсі стоянки зайняті, автомобілям доводиться в пошуках вільного місця заїжджати на наступний поверх. Так само і електрони в атомах - на кожній орбіті навколо ядра їх вміщується не більше, ніж там є «парковочных місць», а після того, як всі місця на орбіті зайняті, наступний електрон шукає собі місце на більш високій орбіті.

Далі, електрони поводяться, умовно говорячи, так, неначе вони обертаються навколо своєї осі (тобто, володіють власним моментом обертання, який в цьому випадку прийнято називати спіном і який може приймати лише два значення: +1/2 або -1/2). Два електрони з протилежним спіном можуть поміщатися одну на орбіті. Це, як якби в один бокс вміщувалися одночасно машина з правим рулем і машина з лівим рулем, а дві машини з однаковим розташуванням руля не вміщувалися. Ось чому в першому ряду періодичної системи Менделеєва ми бачимо усього два атоми (водень і гелій): на нижній орбіті відведено усього одне здвоєне місце для електронів з протилежним спіном. На наступній орбіті вміщується вже вісім електронів (чотири зі спіном -1/2, і чотири зі спіном +1/2), тому у другому ряду таблиці Менделеєва ми бачимо вже вісім елементів. І так далі.

Всередині старіючих зірок температура настільки висока, що атоми в основному знаходяться в іонізованому стані, і електрони вільно переміщаються між ядрами. І тут знов спрацьовує принцип заборони Паулі, але вже у видозміненій формі. Тепер він свідчить, що в певному просторовому об'ємі може одночасно знаходитися не більш двох електронів з протилежним спіном і певними інтервалами гранично допустимих швидкостей. Однак картина різко змінюється після того, як густина речовини всередині зірки перевищить порогове значення порядку 107 кг/м3 (для порівняння - це в 10 000 раз вище за густину води; сірниковий коробок такої речовини важить біля 100 тонн). При такій густині принцип Паулі починає виражатися в стрімкому зростанні внутрішнього тиску в зірці. Цей додатковий тиск вырожденного електронного газу, і його виявом стає той факт, що гравітаційний колапс старої зірки зупиняється після того, як вона стискується до розмірів, порівнянних з розмірами Землі. Такі зірки називають білими карликами, і це остання стадія еволюції зірок з масою, близькою до маси Сонця (див. Межа Чандрасекара).

Вище я описав дію заборони Паулі застосовно до електронів, але він діє і відносно будь-яких елементарних частинок з полуцелым спіновим числом (1/2, 3/2, 5/2 і т. д.). Зокрема, спінове число нейтрона рівне, як і у електрона, 1/2. Це означає, що нейтронам, як і електронам, потрібно певний «життєвий простір» навколо себе. Якщо маса білого карлика перевищує 1,4 маси Сонця (див. Межа Чандрасекара), сили гравітаційного тяжіння примушують протони і електрони всередині зірки попарно об'єднуватися в нейтрони. Але тоді нейтрони, подібно електронам в білих карликах, починають чинити внутрішньо тиск, який називається тиском вырожденного нейтронного газу, і в цьому випадку гравітаційний колапс зірки зупиняється на стадії утворення нейтронної зірки, діаметр якої зіставимо з розмірами великого міста. Однак при ще більшій масі зірки (починаючи приблизно з тридцатикратной маси Сонця) сили гравітації зламують і опір вырожденного нейтронного газу, і зірки коллапсируют далі, перетворюючись в чорні діри.

Принцип заборони Паулі являє собою яскравий приклад закону природи нового типу, і по мірі розвитку комп'ютерних технологій такі «неявні» закони будуть неминуче грати все більшу роль. Закони цього типу принципово відрізняються від законів класичної фізики, таких як закони руху Ньютона, - вони не передбачають, що станеться в системі. Замість цього вони визначають, чого в системі не може статися. Саме їх біолог і структурний теоретик Харольд Моровіц (Harold Morowitz, р. 1927) назвав «правилами відсікання»: такі правила, зокрема, принцип заборони Паулі зводяться до того, що при розв'язанні самих складних і комплексних проблем (а розрахунок орбіт електронів в складних атомів до таких, безсумнівно, відноситься) потрібно запрограмувати комп'ютер таким чином, щоб він навіть не розглядав явно неможливі варіанти рішення. Тим самим таке правило відсікає від стовбура можливих рішень задачі явно мертві гілки, залишаючи лише допустимі можливості для її рішення, завдяки чому час комп'ютерних розрахунків скорочується до розумних меж. Таким чином, правила, подібні принципу заборони Паулі, стають все більш важливими, оскільки ми все більше залежимо від комп'ютерів в розв'язанні самих складних і комплексних проблем.

Ефект Паулі

Раніше вчені масштабу Ісаака Ньютона або Майкла Фарадея успішно поєднували в собі навики експериментаторів і теоретиків - самі проводили експерименти по дослідженню різних аспектів фізичного світу і самі ж розробляли теорії для пояснення отриманих ними досвідченим шляхом результатів. Ті часи пройшли. Приблизно з початку ХХ сторіччя вузька спеціалізація, епідемією що пронеслася по всіх галузях людської діяльності, розповсюдилася і на природознавство, включаючи фізику. Сьогодні ми бачимо, що переважна більшість вчених відноситься до однієї з двох категорій - експериментаторів або теоретиків. Сумістити в собі дві ці іпостасі в наш час практично неможливо.

Вольфганг Паулі був яскраво вираженим фізиком-теоретиком і, як властиво багато чим вченим цієї категорії, вельми презирливо відносився до «сантехнік» (по його ж вираженню), що бруднять руки об експериментальні установки. Снобізм Паулі відносно експериментаторів, одинаково як і його повна нездатність примусити працювати навіть саму просту експериментальну установку, увійшли в легенду. Розказують, що варто йому було з'явитися в фізичній лабораторії, як яке-небудь обладнання тут же виходило з ладу. Говорять, що жахливий вибух в Лейденськом університеті (Нідерланди) стався хвилина в хвилину після прибуття Паулі в це місто поїздом з Цюріха.

Правда все це чи ні, але «ефект Паулі» - здатність людини руйнівно впливати на експеримент однією своєю присутністю - міцно увійшов в фізичний фольклор. Однак, як і в поясненні Бора, в ньому, швидше усього, багато перебільшень, якщо розібратися.

***

Вольфганг ПАУЛИ

Wolfgang Pauli, 1900-58

Австрійський, потім швейцарський фізик-теоретик. Народився в Віні, в сім'ї професора Венського університету. Хресним батьком Паулі був Ернст Мах (див. Ударні хвилі). Ще школярем освоїв приватну і загальну теорію відносності. Вивчав теоретичну фізику в Мюнхенськом університеті в одній групі з Вернером Гейзенбергом (див. Принцип невизначеності Гейзенберга), диплом захистив в 1922 році.

Паулі з'явився одним з піонерів квантової механіки, внеся в нову наукову дисципліну ряд принципових внесків, самим разючим з яких, ймовірно, є його принцип заборони, сформульований в 1924 році, - за нього в 1945 році Паулі був удостоєний Нобелівській премії по фізиці. Його ідея наявності квантових спінових чисел у елементарних частинок була експериментальна підтверджена двома роками пізніше. Крім того, Паулі вдалося пояснити уявне порушення закону збереження енергії при беті-розпаді (див. Радіоактивний розпад) за допомогою припущення про випромінювання при ньому, крім електрона, невідомої частинки, пізніше названої нейтрино.

У роки другої світової війни Паулі працював в США, в Прінстонськом Інституті перспективних досліджень. По закінченні війни повернувся в Європу, прийняв швейцарське громадянство і зайняв посаду професора експериментальної фізики в федеральному Інституті технології в Цюріхе.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайта http://elementy.ru/

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка