폴리 배타원리

폴리 익스클루시온(Pauli exclusion) 원리입니다. principle, 폴리의 원리,부적용의 원리라고도 하며 미시입자원리입니다. 행동의 기본 법칙 중 하나입니다. 페르미코로 구성된 시스템에는 두 개 또는 두 개 이상의 입자가 완전히 동일한 상태로 있으면 안 된다고 지적했습니다. 원자에서 한 전자의 상태를 완전히 결정하기 위해서는 네 개의 양자수가 필요하기 때문에, 두 개 이상의 전자가 완전히 동일한 네 개의 양자수를 가질 수 없거나, 궤도 양자수 m, l, n이 정한 한 개의 원자 궤도에 최대 두 개의 전자를 수용할 수 있으며, 이 두 전자의 스핀 방향이 서로 반대여야 한다는 원리로 표현됩니다. 이는 전자가 핵 바깥에 배설되어 주기율표를 해석하는 준칙의 하나가 됩니다.

역사

초기
20세기 초기, 화학실험을 통해 발견한 원자나 분자에 대해서 만약 전자 수가 홀수가 아니라 짝수라면, 이 원자나 분자는 더욱 화학적으로 안정성(chemical stability)을 가질 것입니다. 1914년 요하네스 리더버는 주양자 수가 4인 전자층은 최대 32개밖에 수용할 수 없다고 조언했지만 그 이유는 잘 모릅니다.

1916년, 길버트 루이스 논문 '원자와 분자'(The atom and the Molecule) 에 나와있습니다. 화학적 행위에 대한 여섯 가지 가정 중 세 번째 가정에서는 "원자는 각 전자층에 짝수의 전자를 유지하는 경향이 있고, 특히 8개의 전자가 입방체의 8개의 꼭짓점에 대칭적으로 배열되는 것을 유지하는 경향이 있다"고 밝히고 있습니다. 하지만 이 모델이 어떤 스펙트럼을 만들지는 예측하지 않았고, 어떤 모델의 예측도 실험 결과에 부합해야 했습니다.

화학자 오웬 랑뮈엘이 1919년 제안했습니다. 층은 그 주양자 수에 따라 같은 부피의 여러 개의 "세포"로 나뉘며, 각 세포는 모두 원형에 고정됩니다. 서브의 어떤 영역은 최내부 전자층의 세포가 1개의 전자만을 수용할 수 있는 것을 제외하고는 모든 세포가 2개의 전자만을 수용할 수 있습니다. 비교내부의 전자층은 먼저 채워야 비교외부의 전자층을 채울 수 있습니다.

폴 모형
1913년, 닐스 보어는 수소 원자의 구조에 대한 파장을 제시했습니다. 이 모형, 수소 원자의 선계를 성공적으로 해석하고, 그는 이 이 이론을 다른 종류의 원자에 적용하려고 시도했습니다. 분자, 그러나 아주 제한적인 결과를 얻습니다.9년의 오랜 연구 끝에 1922년에야, 보어는 주기율표 안의 각 원소가 어떻게 배열되는지에 대한 논술을 완성하고, 이 원리를 각 원자에서 전자를 배치하는 방법인 각 신전자들이 가장 낮은 에너지 빈자리를 차지하게 됩니다. 그러나 폴은 전자층마다 한정적이고 규칙적인 수의 전자만 수용할 수 있고, 전자마다 동일한 양자수를 설정할 수 없는 이유를 설명하지 않았습니다.

나트륨 D선은 스핀-궤도 작용에 의한 이중선이며, 파장분입니다. 별로는 589.6nm, 589.0nm입니다. 약한 외부 자기장을 가해서 생기는 반대입니다. 창세만 효과는 이 이중선으로 하여금 더 많은 분열을 일으키게 할 것입니다.

* 589.6nm의 스펙트럼은 2P1/2 방향 2S1/ 입니다.2상태의 약진이 낳은 계보입니다.
* 589.0nm의 스펙트럼은 2P3/2 방향 2S1/ 입니다.2상태의 약진이 낳은 계보입니다.

 

약한 외부 자기장 작용으로 인해 2S1/2 태에너지 레벨이 두 개로 갈라집니다. 2P1/2 상태도 2개의 부능으로 갈라집니다. 그러나 2개의 상태의 랑드르 g로 인해인자가 다르기 때문에 4개의 다른 스펙트럼을 형성합니다. 외부 자기장의 작용으로 인해 2P3/2상태에서 4자 에너지로 분열하지만 2P3/2의 +3/2상태에서 2S1/2의 -1/2상태로, 2P3/2의 -3/2상태에서 2S1/2의 +1/2상태로 이동할 수 없기 때문에 총 6개의 다른 스펙트럼을 형성합니다. 

발전
폴리는 1918년 뮌헨 대학에 입학했습니다. 소말피는 그의 박사 논문 지도 교수로, 그들은 항상 원자 구조 방면에 관한 질문을 합니다. 제목, 특히 이전에 리더버가 발견한 정수열은 각 정수는 전자층에 대응하는 최대 수용 가능한 전자의 수이며, 이 수열은 특별한 의미가 있는 것 같습니다. 1921년 폴리 박사학위를 받은 그는 박사논문에서 수소분자이온 H2+ 문제를 해석하기 위해 보어-소말비 모델을 적용했습니다. 졸업 후, 폴리는 괴팅겐 대학에 지원하여 막스 본의 조력자가 되어 원자물리학에 천문학적 미세요론을 응용하는 문제에 종사했습니다. 1922년 볼리는 코펜하겐대학의 볼연구소로 폴리를 초청했습니다. 여기서 폴리는 원자 스펙트럼학 분야의 비정상적인 사이먼 효과 실험 결과, 즉 약한 외자기장에 있는 알칼리 금속이 정상적인 삼중선 스펙트럼이 아닌 이중선 스펙트럼을 보여준다는 설명을 시도했습니다. 그는 단지 만족스러운 해답을 찾을 수 없었습니다. 연구분석을 강외자기장 상태, 즉 Paschen-Backer effect로 확산시킬 수 있습니다. 강외자기장은 스핀과 원자궤도 사이의 결합을 제거하므로 문제를 단순화할 수 있습니다. 이는 향후 부적합 원리를 발견하는 데 도움이 됩니다.

격년으로, 포리가 함부르크대학 물리강사로 임용되자, 그는 형식에 대해 연구하기 시작했습니다. 닫힌 껍데기가 되는 물리적 메커니즘은, 이 문제가 다중선 구조와 관련이 있다고 생각하기 때문에, 그는 더욱 전문적입니다. 알칼리 금속의 이중선 구조를 연구하는 데 주안점을 두었습니다. 그때 보어가 앞장서서 주창했던 주류 관점대로라면 원자핵의 한정된 각동량 때문에 이중선 구조가 생겨났을 겁니다. 폴리는 1924년 알칼리 금속의 이중선 구조는 전자가 가진 양자 특성 때문이며 고전역학 이론으로는 설명할 수 없는 '이중치성'이라는 논문을 발표했습니다. 이를 위해 두 개의 수치 중 하나만 양자수로 선택할 수 있는 새로운 양자수 설정을 제안했습니다. 나중에 사무엘 가우스미트는 조지 울렌벡과 이 성질이 전자의 스핀임을 확인했습니다.

전자 배열
에드먼드 스토너에서 시작합니다. 1924년 논문에서 폴리는 전자배열을 설명하는 중요한 단서를 찾았습니다. 전자층을 여러 개의 전자 아층으로 나누고, 각 양자 수에 따라 전자 아층당 최대 2개의 전자를 수용할 수 있다고 제안했습니다. 폴리는 닫힌 껍질 안에서 전자 아층마다 2개의 전자를 가지고 있음을 예리하게 감지합니다. 전자의 각 양자수는 자전각 양자수(1/2)와 공동으로 총각 양자수를, 전자의 자기 양자수는 자전 양자수(+1/2 또는 -1/2)와 공동으로 총자전자 양자수를 나타냅니다. 1925년, 폴리 발표 논문은 공식적으로 폴리 불용의 원리를 제시했습니다. 닫힌 껍질 속에 있는 모든 전자는 독특한 전자 상태를 가지고 있는데, 이 전자 상태는 네 개의 양자수로 정의됩니다.

1940년, 폴리 이론은 입자의 스핀과 통계적 성질을 유도합니다.상호간의 관계는, 따라서, 불쌍의 원리가 상대론적 양자역학의 당연한 결과임을 증명합니다.
폴 엘렌페스트는 1931년 볼리 때문에 서로 닮지 않았다고 말했습니다. 용원리, 원자 내부의 속박 전자가 모두 최저 에너지의 원자 궤도에 떨어지지는 않습니다. 점점 더 높은 에너지의 원자궤도를 순서대로 차지해야 합니다. 따라서 원자는 일정한 부피를 가지게 되고 물질도 그만큼 커지게 됩니다. 1967년, 프리먼 다이슨과 앤드루 레이너(Andrew Lenard)는 매력도(전자와 핵자)와 거부력(전자와 전자, 핵자와 핵자) 사이의 균형을 계산해 중요한 결과를 도출했습니다. 만약 원리의 원리가 성립하지 않는다면 일반 물질이 붕괴되고 아주 작은 부피를 차지하게 됩니다. 

1964년 쿼크의 존재가 거론된 지 얼마 지나지 않아 오스카입니다. 오스카 그린버그(Oscar Greenberg)는 색하중의 개념을 도입했습니다. 3개의 쿼크가 어떻게 중성자를 함께 구성할 수 있는지 다른 점에서는 완전히 동일한 상태이지만, 여전히 불이익의 원리를 만족시킬 수 있는지 설명합니다. 이 개념은 나중에 유용성이 입증되었고 쿼크 모델(quark model)의 일부가 되었습니다. 1970년대 양자색역학이 발달하면서 입자물리학에서 표준모델의 중요한 성분을 구성했습니다. 

원리의 성립
이미 1921년 전에, 포리는 양자론의 발전에 깊이 빨려 들어갔습니다. 대학원에 다닐 때부터 원자 스펙트럼의 비정상적인 사이먼 효과에 깊은 관심을 가졌습니다. 사이먼 효과란 강한 자기장의 작용으로 원자, 분자, 결정의 에너지 레벨이 변하고 발사된 스펙트럼 선이 분열하는 현상을 말합니다.
사이먼 효과는 두 가지로 구분됩니다. 하나는 전자에 존재하는 스핀 자기 모멘트입니다. 0시의 경우를 정상 사이먼 효과라고 합니다. 다른 하나는 전자의 스핀 자기 모멘트는 1/2입니다. 시의 상황을 비정상적인 사이먼 효과라고 하는데, 비정상적인 사이먼 효과야말로 원자 스펙트럼이 갈라지는 일반적인 현상이라는 실상과 상반되는 명칭은 인간의 인지 과정의 역사적 한계를 보여줍니다. 1924년 말 폴리는 비정상적인 사이먼 효과에 대한 정확한 이해를 위해 대량의 원자력 수준 데이터를 바탕으로 알칼리 금속 스펙트럼의 이중 구조를 면밀히 연구해 '고전적으로 묘사할 수 없는 이중치' 개념을 끌어들여 '원자 내 전자군과 스펙트럼의 복잡한 구조'라는 논문을 썼습니다.

1925년 이전에, 전자는 일반적으로 3개의 양자수만 사용한다고 기술했습니다. 이익의 '이중치'는 사실상 전자에게 제4의 양자수를 요구하는 셈입니다. 폴리 씨는 당시 이 논문에서 물리사상의 표현이 너무 추상적이어서 결정을 못 내리고 이 글을 보어에게 보냈고, 보어는 이를 보고 1925년 초 '물리저널'에 던지라고 독려했습니다. 바로 이 글이 담합불용의 원리를 제시해 멘델레예프(D.1. Mendeleev)의 화학 원소를 주기적으로 해석할 수 있는 이론적 근거를 제공함과 동시에 그가 향후 노벨상을 수상할 수 있는 초석을 마련한 것입니다.