泡利与自旋假说
泡利原理和洪特规则的应用
泡利原理和洪特规则的应用一、泡利原理泡利原理（Pauli exclusion principle）是量子力学中反映自旋统计规律的一项基本原理。
它由奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利于1925年提出，并在1930年获得了诺贝尔物理学奖。
泡利原理的内容是：一个特定的系统中，每个自旋半整数的费米子（如电子、质子、中子等）都具有唯一的量子态，即其态函数必须是反对称的。
换句话说，在一个多电子体系中，任意两个电子不可能处于完全相同的状态。
这意味着具有相同自旋的电子不能占据同一个量子态。
具体表达为：对于自旋为1/2的电子，电子的四个量子数（主量子数n、轨道量子数l、磁量子数ml和自旋量子数ms）不可能完全相同。
泡利原理在原子、分子和固体中的电子结构描述中有广泛应用。
例如，在描述原子的电子构型时，根据泡利原理，每个轨道可以容纳的最多电子数是两个，并且电子的自旋量子数必须不同。
这解释了为什么原子层和电子壳层中的电子数量存在一定规律。
此外，泡利原理还解释了为什么会出现化学键的形成，因为化学键的形成可以通过电子的空间分布和自旋量子数的不同来实现。
二、洪特规则洪特规则（Hund's rules）由德国物理学家弗里德里希·奥古斯特·洪特于1927年提出，是泡利原理的延伸和应用。
洪特规则用于描述多电子原子中电子填充能量最低的方式。
洪特规则的具体内容包括以下三条：1.不考虑电子相互作用时，电子首先填充能量最低的轨道。
2.在填充相同能量轨道的电子中，尽可能使自旋方向相同，即尽量使电子的自旋量子数相等。
3.当填充具有不同能量的轨道时，绝大多数情况下电子尽可能分布在不同的轨道上，以最大化电子的整体自旋角动量。
洪特规则在描述原子的电子构型和分子的化学键形成中有广泛的应用。
例如，在填充原子能级时，根据洪特规则，会首先填充能量最低的轨道，再填充高能级的轨道。
这解释了为什么会有不同能级的壳层和电子云。
此外，根据洪特规则，电子在填充部分充满的能级时，会尽量保持自旋方向相同，形成同向自旋，这解释了为什么会出现磁性现象。
什么是泡利不相容原理？
什么是泡利不相容原理？泡利不相容原理是由奥地利物理学家泡利（1900～1958）提出的。
1924年，泡利发表了他的“不相容原理”；简单的说就是：原子中不能有2个电子处于同一量子态上。
啰嗦一点的来说就是：在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子。
换句话说就是：一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。
如氦原子的两个电子，都在第一层（K层），电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。
每一轨道中只能客纳自旋相反的两个电子，每个电子层中可能容纳轨道数是n2个、每层最多容纳电子数是2n2。
这个原理的的影响：使得当时所知的许多有关原子结构的知识变得有条有理。
核外电子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则．能量最低原理就是在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道，也就是尽可能使体系能量最低．洪特规则是在等价轨道(相同电子层、电子亚层上的各个轨道)上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同．后来量子力学证明，电子这样排布可使能量最低，所以洪特规则可以包括在能量最低原理中，作为能量最低原理的一个补充．自旋为半整数的粒子（费米子）所遵从的这一条原理。
它可表述为全同费米子体系中不可能有两个或两个以上的粒子同时处于相同的单粒子态。
电子的自旋，电子遵从泡利原理。
1925年W.E.泡利为说明化学元素周期律提出来的。
原子中电子的状态由主量子数n、角量子数l、磁量子数ml以及自旋磁量子数ms所描述，因此泡利原理又可表述为原子内不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的4个量子数n、l 、ml 、ms 。
根据泡利原理可很好地说明化学元素的周期律。
泡利原理是全同费米子遵从的一条重要原则，在所有含有电子的系统中，在分子的化学价键理论中、在固态金属、半导体和绝缘体的理论中都起着重要作用。
1945年诺贝尔物理学奖──泡利不相容原理
1945年诺贝尔物理学奖──泡利不相容原理1945年诺贝尔物理学奖授予美国新泽西州普林斯顿大学的奥地利物理学家泡利（Wolfgamg Pauli，1900—1958），以表彰他发现了所谓泡利原理的不相容原理。
不相容原理是量子理论中的重要原理，是1925年1月由泡利提出的。
这一原理可以表述为：对于完全确定的量子态来说，每一量子态中不可能存在多于一个的粒子。
泡利后来用量子力学理论处理了h/4π自旋问题，引入了二分量波函数的概念和所谓的泡利自旋矩阵。
通过泡利等人对量子场的研究，人们认识到只有自旋为半整数的粒子（即费米子）才受不相容原理的限制，从而确立了自旋统计关系。
关于不相容原理的发现，泡利在他的诺贝尔奖演说中讲到，不相容原理发现的历史可以追溯到他在慕尼黑的学生时代。
在维也纳读中学时，他就掌握了经典物理学和相对论的知识。
在慕尼黑大学经索末菲引导接触到从经典的思想方法看来有些离奇的原子结构理论。
他和所有习惯于经典思想方法的物理学家一样，当第一次接触到玻尔的量子理论的基本假设时不免受到冲击。
他一方面接受了玻尔的原子理论；一方面了解索末菲企图用光谱定律的解释来克服使用动力学模型所遇到的困难。
泡利对这两种理论都不满意。
反常塞曼效应的解释问题，使物理学家倍感苦恼，泡利也不例外。
据说当时有一位友人看见泡利在哥本哈根的大街上闲逛，就问他为什么不高兴。
泡利回答说：“当一个人正在想到反常塞曼效应时，他怎么高兴得起来啊！”。
按照玻尔的想法，当分析原子的结构时，应该首先从内层开始。
可以设想有一个带正电荷Ze的原子核，在其周围是若干电子，这些电子一个接着一个被原子核俘获，直到它俘获了Z个电子而形成中性原子时为止。
最先被俘获的电子占据能量最低的量子轨道，这就是玻尔所谓的“组建原则”。
泡利不满意的原因在于他认为原子光谱的根源在于价电子的运动，不应该从原子实的结构去找。
泡利仔细研究了碱金属光谱的双重结构，引入了“经典不能描述的双重值”概念，在这基础上概括成一个重要结论，即原子中不能有两个电子具有相同的四个量子数。
物理学史10.2 电子自旋概念的提出
10.2电子自旋概念的提出玻尔理论提出之后，最令人头疼的事情莫过于反常塞曼效应的规律无法解释。
1921年，杜宾根大学的朗德（ndé）认为，根据反常塞曼效应的实验结果看来，描述电子状态的磁量子数m应该不是m＝l，心机，提出了种种假说。
1924年，泡利通过计算发现，满壳层的原子实应该具有零角动量，因此他断定反常塞曼效应的谱线分裂只是由价电子引起，而与原子实无关。
显然价电子的量子论性质具有“二重性”。
他写道：①“在一个原子中，决不能有两个或两个以上的同科电子，对它们来说，在外场中它们的所有量子数n、k1、k2、m（或n、k1、m1、m2）都是相等的。
如果在原子中出现一个电子，它们的这些量子数（在外场中）都具有确定的数值，那么这个态就说是已被占据了。
”这就是著名的不相容原理。
泡利提出电子性质有二重性实际上就是赋予电子以第四个自由度。
这个概念再加上不相容原理，已经能够比较满意地解释元素周期表了。
所以泡利的思想得到了大多数物理学家的赞许。
然而二重性和第四个自由度的物理意义究竟是什么，连泡利自己也说不清楚。
这时有一位来自美国的物理学家克罗尼格（R.L.Kronig），对泡利的思想非常感兴趣。
他从模型的角度考虑，认为可以把电子的第四个自由度看成是电子具有固有角动量，电子围绕自己的轴在作自转。
根据这个模型，他还作了一番计算，得到的结果竟和用相对论推证所得相符。
于是他急切地找泡利讨论，那里想到，克罗尼格的自转模型竟遭到泡利的强烈反对。
泡利对克罗尼格说：“你的想法的确很聪明，但是大自然并不喜欢它。
”泡利不相信电子会有本征角动量。
他早就考虑过绕轴自旋的电子模型，由于电子的表面速度有可能超过光速，违背了相对论，所以必须放弃。
更根本的原因是泡利不希望在量子理论中保留任何经典概念。
克罗尼格见泡利这样强烈的态度，也就不敢把自己的想法写成论文发表。
半年后，荷兰著名物理学家埃伦费斯特的两个学生，一个叫乌伦贝克，一个叫高斯密特，在不知道克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法。
课件1：1.1.3 泡利原理、洪特规则、能量最低原理
(2)指出下列核外轨道表示式的书写分别违背了什么原则？
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提示：①②③⑤违背了洪特规则，当电子排布在同一能级的不 同轨道时，原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，且自旋平行。 ④违背了泡利原理，一个原子轨道最多只容纳 2 个电子，而且这 2 个电子的自旋相反。
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核外电子排布的表示方法
原子(离 子)结构 示意图
第3课时 泡利原理、洪特规则、能量最低原理
学习目标 能根据核外电子的排布规则熟知核外电子排布的表示方法，并能 根据电子排布的轨道表示式、结构示意图等推导出对应的原子或 离子。
2
知识梳理
泡利原理、洪特规则、能量最低原理
1．电子自旋与泡利原理
(1)自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在 属性，电子自旋在空间有 顺时针和 逆时针两种取向，简称自旋相反，
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(2)26 号元素 Fe 的核外电子排布式是 1s22s22p63s23p63d64s2，则 基态 Fe 原子上有 4 个未成对电子，当 Fe 原子失去 2 个 4s 电子和 1 个 3d 电 子 ， 就 得 到 了 Fe3 ＋ ， 因 此 Fe3 ＋ 的 电 子 排 布 式 是 1s22s22p63s23p63d5。
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D [A 项只能表示最外层电子数；B 项只表示核外的电子分层排 布情况；C 项具体到各能层的电子数；而 D 项包含了能层数、能级 数以及轨道内电子的自旋方向。]
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2．(双选)下列给出的基态原子的电子排布式，其中正确的是 ()
A．11Na：1s22s22p7 B．47Ag：1s22s22p63s23p63d104s24p64d95s2 C．20Ca：1s22s22p63s23p64s2 D．35Br：[Ar]3d104s24p5
【知识解析】泡利原理、洪特规则、能量最低原理
泡利原理、洪特规则、能量最低原理1 电子自旋与泡利原理温故核外电子围绕原子核做高速运动，根据电子能量高低及运动区域的不同，将电子在核外空间的运动状态分别用能层、能级及原子轨道来描述。
（1）电子自旋核外电子除绕核高速运动外，还像地球一样绕自己的轴自旋。
电子自旋在空间有两种相反的取向——顺时针方向和逆时针方向，分别用“↑”和“↓”表示。
名师提醒（1）自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在属性。
（2）能层、能级、原子轨道和自旋状态四个方面共同决定电子的运动状态，电子能量与能层、能级有关，电子运动的空间范围与原子轨道有关。
（3）一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子。
（2）泡利原理（又称泡利不相容原理）在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反，这个原理被称为泡利原理。
如He：1s2，1s轨道里的2个电子自旋相反，即一个电子顺时针运动，而另一个电子逆时针运动。
2 电子排布的轨道表示式轨道表示式（又称电子排布图）是表述电子排布的一种图式，如氢和氧的基态原子的轨道表示式：。
名师提醒（1）在轨道表示式中，用方框（也可用圆圈）表示原子轨道，1个方框代表1个原子轨道，通常在方框的下方或上方标记能级符号。
（2）不同能层及能级的原子轨道的方框必须分开表示，同一能层相同能级（能量相同）的原子轨道（简并轨道）的方框相连书写。
（3）箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称电子对，“↑”或“↓”称单电子（或称未成对电子）；箭头同向的单电子称自旋平行，如基态氧原子有2个自旋平行的2p电子。
（4）轨道表示式的排列顺序与电子排布式顺序一致，即按能层顺序排列。
有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。
（5）轨道表示式中能级符号右上方不能标记电子数。
以Si原子为例，说明轨道表示式中各部分的含义：3 洪特规则基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行，这一规则是洪特根据原子光谱得出的经验规则，称为洪特规则。
泡利原理洪特规则
泡利原理洪特规则一、引言泡利原理和洪特规则是量子力学中两个非常重要的原理，它们对于理解原子、分子和凝聚态物质等领域的行为具有深远的影响。
本文将探讨泡利原理和洪特规则的概念和应用，并对其物理背景进行详细的解释。
二、泡利原理2.1 泡利原理的概念泡利原理是由奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利于1925年提出的。
它指出：同一量子态（具有相同自旋和能量的态）的多粒子系统中，任意两个粒子的全部量子态在自旋、空间和其他内禀性质上都不能完全相同。
该原理可以理解为一种排斥原理，它阻止了具有相同自旋和能量的粒子同时处于相同的量子态。
这意味着在一个系统中，每个粒子的量子态都必须是独特的。
2.2 泡利原理的应用泡利原理在原子、电子、核子等微观尺度的物理系统中具有广泛的应用。
以下是一些具体的应用：1.电子排斥原理：由于电子具有半整数的自旋，根据泡利原理，同一原子内的电子的量子态必须不同，且满的量子态的电子数不超过自旋的两倍。
这解释了为什么原子的能级结构是如何形成的。
2.化学键的形成：在化学反应中，原子通过共享或转移电子来形成化学键。
泡利原理限制了原子中的电子在共享或转移过程中的量子态，从而决定了化学键的类型和性质。
3.电子云的结构：泡利原理对于描述电子在原子轨道中的分布和行为非常重要。
它解释了为什么原子轨道是如何填充的，并且帮助我们理解电子云的结构和分布。
三、洪特规则3.1 洪特规则的概念洪特规则是由德国物理学家道格拉斯·洪特于1927年提出的。
它描述了电子在原子中的填充顺序和能级分布。
洪特规则可以总结如下：1.泡利不相容原理：同一量子态（即具有相同自旋和能量的态）的多粒子系统中，任意两个粒子的全部量子态在自旋、空间和其他内禀性质上都不能完全相同。
2.瑞利-朗德定律：按照递增的能量顺序填充电子，直到所有电子都被放置在不同的量子态上。
3.分组原理：电子首先填充最低能量的轨道，然后按照能量递增的顺序填充下一个轨道。
泡利不相容原理和电子自旋的提出
泡利不相容原理和电子自旋的提出背景1896年，P．塞曼（Piter Zeeman，1865—1943）按照洛伦兹的建议研究磁场对光源的影响。
他发现在磁场中发射光谱的每一条谱线都会发生分裂，即塞曼效应。
塞曼注意到，当试样放在垂直于光路的强磁场中时，某些元素的光谱分裂成3条线，当试样放在平行于光路的强磁场中时，光谱线则分裂成两条。
洛伦兹根据他的经典电子论，认为原子内电子振荡产生光，而磁场又影响电子振荡，从而影响发光的频率，造成谱线的分裂。
塞曼效应的发现正好确证了洛伦兹的猜想。
由于“研究磁力对辐射现象的影响取得的优异成就”，洛伦兹和塞曼分享了1902年的诺贝尔物理学奖。
然而不久以后人们发现，光谱线在磁场中不是简单地分裂, 还产生了3条以上的分裂谱线。
这就是所谓的“反常塞曼效应”，是经典电磁理论难以解释的。
1903年，塞曼在他的诺贝尔演讲《磁场中的光辐射》中说：“大自然给了我们大家，其中包括洛伦兹教授一个意外的袭击。
我们发现，谱线三分裂的规律有许多例外。
德国物理学家考纽（Cornu）可能最先发现此现象与原来的理论不符。
他看到有时出现4分裂。
在某些情况下，还可能分裂成5条线、6条线甚至9条线。
在由很多谱线组成的铁光谱中，我们能看到一系列不同的分裂形式。
”“我发现，不同系列的谱线有很大差别，而且在相同的磁场中谱线的分裂与基本假设相矛盾，表现在振荡频率的间隔上。
”玻尔的原子理论建立以后，索末菲和德拜于1916年分别发表文章解释了正常塞曼效应，但是对反常塞曼效应的情况却始终没有能够从理论上给予说明。
1921年，朗德在解释反常塞曼效应方面首先取得突破，他从索末菲的内角量子数出发，推导出谱线分裂公式，但是，对公式中的分裂因子不能以适当的力学模型给以说明。
海森伯在建立矩阵力学前，曾经发表过几篇关于塞曼效应的论文。
他在解释反常塞曼效应时，对原子中的电子和原子实都采取半整数的量子数。
1923年，朗德试图推广他和海森伯的原子实模型来说明多重线。
什么是泡利不相容原理
什么是泡利不相容原理泡利不相容原理是量子力学的基本原理之一，它给出了粒子的自旋量子数在测量过程中的限制条件。
本文将从不同角度解释泡利不相容原理。
泡利不相容原理指出，同一系统中的两个费米子（具有1/2自旋的粒子）不可能处于完全相同的量子态。
这意味着，在给定的量子态下，两个费米子的自旋量子数不能完全相同。
这个原理的重要性在于，它限制了自旋1/2的费米子在相同的量子态下的排布方式，从而影响了物质的性质和行为。
泡利不相容原理在原子、分子和固体物理中具有重要的应用。
在原子和分子中，电子是费米子，根据泡利不相容原理，每个电子的自旋量子数必须不同。
这导致了原子和分子的电子排布方式具有一定的规律，如原子的电子壳层结构和分子的化学键形成。
在固体物理中，电子的泡利不相容原理也起着关键作用。
根据泡利不相容原理，由于电子自旋量子数的限制，每个能级上最多只能容纳两个电子，并且这两个电子的自旋量子数必须相反。
这导致了电子在能带中的排布方式具有一定的规律，如能带填充和导体、绝缘体、半导体的区别等。
泡利不相容原理还与物质的宏观性质密切相关。
根据泡利不相容原理，由于费米子不能处于相同的量子态，物质中的电子无法聚集在同一量子态上，从而避免了物质的坍缩。
这就是为什么物质可以保持稳定的原因之一。
泡利不相容原理还对物质的磁性和超导性等性质产生了影响。
在磁性材料中，由于电子的自旋量子数限制，电子的自旋倾向于在相邻的原子间形成特定的排列方式，从而产生了磁性。
而在超导材料中，电子的自旋量子数限制导致了电子之间的配对，从而实现了电子在材料中的无阻碍传输。
泡利不相容原理是量子力学的重要基本原理之一，它限制了费米子在相同的量子态下的排布方式。
这个原理不仅在原子、分子和固体物理中起着关键作用，还对物质的宏观性质、磁性和超导性等产生了重要影响。
通过对泡利不相容原理的研究，我们可以更好地理解和解释物质的性质和行为。
【高中化学】泡利原理、洪特规则、能量最低原理课件 高二化学人教版(2019)选择性必修2
2.洪特规则
(1)内容：基态原子中，填入简并轨道(能量相同的原子轨道)的电子总是先单 独分占，且自旋__平__行__，称为洪特规则。 (2)特例：在简并轨道上的电子排布处于__全__充__满__、__半__充__满__和全空状态时，
具有较低的能量和较大的稳定性。
全充满：p6、d10、f14 相对稳定的状态全空：p0、d0、f0
3. 在 能 量 相 同 的 d 轨 道 中 电 子 排 布 成
A.能量最低的原理 C.原子轨道能级图
，最直接的依据是( D )
B.泡利不相容原理 D.洪特规则
，而不排布成
二、轨道表示式的书写
某同学在学习了电子排布的轨道表示式后，画出了下列四种基态氧原子最 外层轨道表示式：
1.判断上述四种基态氧原子轨道表示式的正误，并说明理由。 提示：①错误；理由是违背了洪特规则。②错误；理由是违背了洪特规则。 ③正确；理由是符合泡利原理、洪特规则和能量最低原理。④错误；理由是 违背了能量最低原理。
填写下列空白。 (1)元素Mn和O中，基态原子核外未成对电子数较多的是___M__n___； (2)基态Ge原子有____2____个未成对电子； (3)基态Ni原子的3d能级上的未成对电子数为_____2___；
(4)Cu的价层轨道表示式为____________________________________________， 基态Cu原子有____1____个未成对电子。
示式 实例 Al
电子式
含义
化学中常在元素符号周围用“·”或“×”来表示元素原子的 最外层电子，相应的式子叫作电子式
实例
1.下列表示氦原子结构的化学用语中，对电子运动状态描述最详尽的是( D )
A.∶He
泡利不相容原理，你了解多少？
泡利不相容原理，你了解多少？任何理论的诞生，都不是简单容易的，泡利不相容原理也是这样的。
泡利于1918年进入慕尼黑大学就读，阿诺·索末菲是他的博士论文指导教授，他们经常探讨关于原子结构方面的问题，特别是先前里德伯发现的整数数列2,8,18,32…每个整数是对应的电子层最多能够容纳的电子数量，这数列貌似具有特别意义。
1921年，泡利获得博士学位，在他的博士论文里，他应用玻尔-索末非模型来研讨氢分子离子H2+问题，因此他熟知旧量子论的种种局限。
毕业后，泡利应聘在哥廷根大学成为马克斯·玻恩的得意助手。
后来，玻尔邀请泡利到哥本哈根大学的玻尔研究所工作，专注于研究原子谱光谱学的反常塞曼效应。
在这段时期，他时常怏怏不乐，并且漫无目标地徘徊在哥本哈根市区内的大街小巷，因为反常塞曼效应给予他很大的困扰，他无法解释为什么会发生反常塞曼效应，这主要是因为经典模型与旧量子论不足，埃尔温·薛定谔的波动力学与维尔纳·海森堡的矩阵力学还要等几年才会出现。
泡利只能够分析出当外磁场变得非常强劲时的案例，即帕邢-巴克效应（Paschen-Backer effect），由于强外磁场能够破坏自旋角动量与轨道角动量之间的耦合，因此问题变得较为简单。
这研究对于日后发现泡利原理具有关键性作用。
隔年，泡利任职为汉堡大学物理讲师，他开始研究电子层的填满机制，他认为这问题与多重线结构有关。
按照那时由玻尔带头的主流观点，因为原子核具有有限角动量，才会出现双重线结构。
泡利对此很不赞同，1924年，他发表论文指出，因为电子拥有一种量子特性，碱金属才会出现双重线结构（如右图所示，在无外磁场作用下得到的钠D线是典型的双重线结构），这是一种无法用经典力学理论描述的“双值性”。
为此，他提议设置另一个量子数，这量子数的数值只可能是两个数值中的一个。
从光谱线分裂的数据，爱德蒙·斯通纳（Edmund Stoner）最先给出各个原子的正确电子排布。
泡利与自旋假说
电子自旋假说
1926年4月，《自然》发飙了美国物理学 家托马斯的一篇文章，成功的运用相对论处理 了关于自旋尚未解决的一些问题。玻尔分别致 信给海森堡和泡利，通告了这一进展。海森堡 很快承认了托马斯的理论，而泡利则坚持认为 托马斯的计算是错误的。经过和玻尔几个星期 的争论，并澄清了一些技术性的问题后，泡利 终于表示：‚我现在毫无它法，只能无条件投 降了。‛
电子自旋假说
2.泡利‚不相容原理‛
电子的自旋假设，始于碱金属原子光谱研究。在高分辨率 光谱仪下，人们发现了碱金属原子光谱的精细结构。对于碱金 属原子s能级是单层的，而p、d、f能级都是双层的。 1924年，泡利在研究反常塞曼效应时发现，原子的角动量 只能来源于外层电子，否则塞曼效应的分裂宽度就将依赖于原 子序数，而这与事实不符。泡利提出了四个量子数的思想，他 1 还发现，其中一个磁量子数只能取 2 ，他不知道该量子数的物 理意义，把它归于一种特殊的，经典理论无法描述的‚二值 性‛。 结合碱金属和惰性气体原子光谱所积累的大量资料，于 1925年提出了‚不相容原理‛。
电子自旋假说
1927年，泡利把电子自旋概念纳入了矩阵力学体 系。1940年又证明，引入自旋概念是出于量子场论的 需要。这样，自旋成为所有粒子的基本参量。可见， 泡利在这一问题上起了重要而复杂的作用。 1945年，泡利因不相容原理获诺贝尔物理学奖， 次年发表了题为‚不相容原理与量子力学‛的获奖演 说。演说中，泡利总结了了自旋假说的建立过程，提 出‚电子自旋就必然被认为是一种基本的量子力学特 性‛
电子自旋假说
3.泡利与自旋假说的爱恨纠葛
德国物理学家克勒尼希在蒂宾根时，朗德给他看了泡利 的一封信，信中表达了四个量子数和不相容原理的思想，这 激起了他的好奇心。当天下午克勒尼希就据此导出了“相对论 线性公式”，并得到了双重分裂的Z4比值，这一结果完全符合 实验结果，也与朗德半经验的“相对论分裂法则”相一致。 1925年1月8日，克勒尼希会见了泡利，告诉了他的想法。 没想到泡利明确的反对道：“这确实很巧，然而和事实却毫无 联系的。”克勒希尼明白自己的假说在理论上存在困难，但还 是为泡利的反对如此明确而感到惊讶。
泡利不相容
泡利不相容泡利不相容原理也叫泡利原理和不相容原理。
科学实验告诉我们，一个原子中不可能有两个电子的电子层、电子子层和轨道的空间延伸方向和自旋状态完全相同。
这个原理叫做泡利不相容原理。
泡利不相容原理是微观粒子运动的基本定律之一。
它指出，在费米子系统中，没有两个或两个以上的粒子可以处于同一状态。
需要四个量子数才能完全确定一个电子在原子中的状态，所以泡利不相容原理用原子来表示:没有两个或两个以上的电子可以有相同的四个量子数，这成为解释元素周期表将电子排列在原子核外形成周期性的标准之一。
由来在奥地利维也纳出生的沃尔冈夫·泡利(Wolfgang Pauli 1900一1958)，是20世纪卓越的理论物理学家，19岁时就因撰写相对论方面的综述文章而获得了很高的声誉．25岁时，为了对原子光谱中的反常塞曼效应做出解释提出了“泡利不相容原理”。
泡利原理：电子在原子核外运动状态是相当复杂的。
一个电子的运动状态取决于它所处的电子层、电子亚层、轨道的空间伸展方向和自旋状况。
由于不同电子层具有不同的能量，而每个电子层中不同亚层的能量也不同。
为了表示原子中各电子层和亚层电子能量的差异，把原子中不同电子层亚层的电子按能量高低排成顺序，像台阶一样，称能级。
例如，1S能级，2s能级，2p能级等等。
可是对于那些核外电子较多的元素的原子来说．情况比较复杂。
多电子原子的各个电子之间存在着斥力，在研究某个外层电子的运动状态时，必须同时考虑到核对它的吸引力及其它电子对它的排斥力。
由于其他电子的存在。
往往会削弱原子核对外层电子的吸引力，使多电子原子中电子的能级交错排列。
实验也告诉我们，一个原子中不可能有两个电子具有相同的电子层、电子子层和轨道的空间延伸方向和自旋状态。
这个原理叫做泡利不相容原理。
如氢原子的两个电子，都在第一层(K层)，电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。
核外电子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则。
泡利不相容原理
1楼泡利不相容原理之一电子在原子核外运动状态是相当复杂的。
一个电子的运动状态取决于它所处的电子层、电子亚层、轨道的空间伸展方向和自旋状况。
科学实验还告诉我们，在一个原子里不可能存在着电子层、电子亚层、轨道的空间伸展方向和自旋状况完全相同的两个电子。
这个原理叫泡利不相容原理。
泡利不相容原理之二泡利原理是多电子原子核外电子排布应遵守的基本原理，也称为泡利不相容原理。
它是1925年奥地利W．泡利根据光谱实验的结果，总结出的一条原理：在同一个原子中不能容纳运动状态完全相同的电子，即，不能容纳4个量子数完全一样的电子。
例如，氦原子中的2个电子主量子数n、角量子数l、磁量子数 m 都相同(n=1，l=0，m=0)，但自旋量子数ms必须不同，一个是+1/2，另一个是-1/2。
由泡利原理可得到下列两个推论：(1)每个原子轨道中最多容纳两个自旋方向相反的电子。
(2)每个电子层所能容纳的电子总数是其主量子数n的2n2个。
泡利不相容原理Pauli’s exclusion principle自旋为半整数的粒子(费米子)所遵从的一条原理。
简称泡利原理。
它可表述为全同费米子体系中不可能有两个或两个以上的粒子同时处于相同的单粒子态。
电子的自旋，电子遵从泡利原理。
1925年W.E.泡利为说明化学元素周期律提出来的。
原子中电子的状态由主量子数n、角量子数l、磁量子数 ml以及自旋磁量子数ms所描述，因此泡利原理又可表述为原子内不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的4个量子数n、l、ml、ms。
根据泡利原理可很好地说明化学元素的周期律。
泡利原理是全同费米子遵从的一条重要原则，在所有含有电子的系统中，在分子的化学价键理论中、在固态金属、半导体和绝缘体的理论中都起着重要作用。
后来知道泡利原理也适用于其他如质子、中子等费米子。
泡利原理是认识许多自然现象的基础。
1945年诺贝尔物理学奖授予美国新泽西州普林斯顿大学的奥地利物理学家泡利（Wolfgamg Pauli，1900—1958），以表彰他发现了所谓泡利原理的不相容原理。
奥地利科学家泡利生平简介
奥地利科学家泡利生平简介美籍奥地利科学家沃尔夫冈·泡利(WolfgangE.Pauli，1900～1958)，是迎着20世纪一同来到世界的，父亲是维也纳大学的物理化学教授，教父是奥地利的物理学家兼哲学家。
下面是小编为大家整理的奥地利科学家泡利生平简介，希望大家喜欢!泡利生平简介沃尔夫冈·泡利(1900～1958)，美籍著名的奥地利科学家、物理学家。
泡利的成就主要是在量子力学、场论和初级粒子理论方面，特别是泡利不相容原理的建立和β衰变中的中微子假说等，为理论物理学以后的发展打下了重要的基础。
泡利简介要从泡利出生开始：1900年4月泡利出生在奥地利维也纳，父亲是一位医学博士兼维也纳物理学家，中学自修物理学。
1918年中学毕业带着父亲的介绍信直接做著名物理学家索末菲的研究生。
同年发表第一遍关于引力场中能量分量的问题论文。
1919年批判并指出了韦耳引力理论中的错误，得到各界人士的关注。
1921年，泡利发表了一篇氢分子模型的论文并获得博士学位。
同年，他为德国的《数学科学百科全书》写了一片长达237页的关于狭义和广义相对论的词条，该文到今天仍然是该领域的经典文献之一。
1922年，泡利到格丁根大学跟随玻恩助教，期间发表多篇论文。
1923-1928年泡利成为汉堡大学的讲师，在此期间泡利提出了他发现的最重要的原理——泡利不相容原理，为原子物理以后的发展做了铺垫。
二战爆发后，泡利为了躲避法西斯，1935年全家移居美国;1940年，受聘成为普林斯顿高级研究所理论物理学访问教授;1945年，因他之前发现的不相容原理被瑞典皇家科学院授予诺贝尔物理学奖;1946年，泡利重返苏黎世的联邦工业大学。
1958年12月15日，泡利不幸在苏黎世逝世，享年58岁。
泡利简介只是他生平简单概括，其中泡利原理最为引人注目。
他在学问上始终追求严谨的态度，生活上为人刻薄，语言犀利，但从不影响他在业界人士心中的地位。
泡利原理泡利原理是由奥地利科学家泡利提出，又称为泡利不相容原理，这个原理解释了微观粒子运动的基本规律，是物理领域中最重大的发现。
泡利与电子自旋假说
泡利与电子自旋假说泡利（Pauli）是物理学史上极有影响的人物，尤以目光犀利、直言不讳著称．他一度强烈反对引入电子自旋概念，这是他少有的失误．对这段历史进行一番考察是有益的．泡利与电子自旋假说1922年泡利就开始研究反常塞曼效应，1924年底，泡利发现，原子的角动量只能来源于外层电子，否则塞曼效应分叉的宽度就将依赖于原子序数，而这与事实不符．泡利还提出了四个量子数的思想，并致力于四个量子数与壳层电子排列的关系问题的研究．此外，他还发现，其中一个磁量子数只能取＋l／2和－1／2两个值．他不知道该量子数的物理意义，把它归于一种特殊的、经典理论无法描述的“二值性”．根据碱金属和惰性气体的原子光谱学所积累的大量资料，泡利于1925年3月正式提出了不相容原理．德国物理学家克勒尼希（R．Kronig）A哥伦比亚大学读书时，尽管受的是彻底的经典物理学的训练，但他对原子理论有浓厚兴趣，曾下很大功夫研究反常塞曼效应和全部光谱学理论．1925年1月，克勒尼希在蒂宾根时，朗德（A．Lnnde）他看了泡利的一封信，信中表达了四个量子数和不相容原理的思想，这激起了他的好奇心．由于第四个量子数不能归之于原子实，并且“在量子力学产生以前，在人们赖以讨论的唯一基础的模型语言中，它只能被刻画为电子绕其轴旋转．”由此，他“立刻想到，它可以被认为是电子的内禀角动量”．当天下午，克勒尼希就据此导出了“相对论线性公式”，并得到了双重谱线分裂的Z4比值．这一结果完全符合实验数据，也与朗德半经验的“相对论分裂法则”相一致，而这并没有借助于相对论．为了不与索末菲（Sommerfeld）已经作出了完整解释的类氢光谱的精细结构的实验事实相矛盾，克勒尼希把希望寄托于轨道在其平面上的相对论性进动和电子在轨道方向上的内禀磁矩的作用的相互补偿L，即各能级具有不同的轨道角动量而有相同的总角动量．原子数的四次幂比值支持了这一观点．但进一步的研究也表明，由于反常旋磁因子为2，因此双重线分裂的计算结果总是比实验值大一倍．尽管如此，他仍认为电子自旋是一个令人着迷的想法．1925年1月8日，克勒尼希会见了泡利，告诉了，他的想法．没想到泡利明确地反对道：“这确实是很巧妙的，但当然是和实在全然无涉的．”克勒尼希虽然清楚自己的假说在理论上存在困难，但还是为泡利反对得如此明确、坚决而惊讶．朗德在得知泡利的态度后也觉得泡利既然这样说，那么这个概念肯定是错的．此后，克勒尼希又前往哥本哈根等地与海森伯（K．Heisenbefg）、克拉默斯（H．A．Kramers）等人讨论这个假说，但均未得到积极的反响，因此便没有公开发表这一假说．在刊登于1926年十月英国《自然》周刊的文章中，克勒尼希指出了旋转速度超光速、在高速运动情况下玻尔磁子的基本单位难以成为有内部运动的电子的特征以及用电子自旋难以解释塞曼效应等诸多困难，从而得出结论：“新的假说似乎不是把家里的鬼魂从家中赶出去，而只是把它从地下室赶到下一层的地下室去．”在荷兰，菜登（Leyden）大学的两位博士生乌伦贝克（G．E．Uhlenbeck）和古兹密特（S．A．Goudsmit）在其导师埃伦费斯特（Ehrenfest）的支持下也独立地引入了电子自旋的概念．在发表于1925年11月《自然科学》第七卷的文章中，他们指出：“泡利的量子数不再局限于他原来的模型描述．分配给单独电子的四个量子数失去了他们的原始意义．显而易见，具有四个量子数的电子同时也具有四个自由度．”在乌伦贝克和古兹密特提出电子自旋这一假说后，泡利仍持否定态度．1925年12月，众多物理学家云集荣登大学，庆祝洛伦兹国．A．Loren饲获博士学位50周年，期间，电子自旋假说成了他们议论的中心．电子自旋假说存在的主要问题是自旋一轨道耦合和因子2问题．专程前来的玻尔（N．Bohr）途经汉堡时会见了泡利和施特恩（O．Stern），两人极力劝告玻尔不要接受电子自旋假说．到了荣登，玻尔刚见到爱因斯坦（A．Einstein），爱因斯坦就问玻尔，关于旋转电子他相信什么．玻尔询问自旋轴线和轨道运动之间的必然相互耦合的原因，爱因斯坦回答道：这种耦合是相对论的一种直接推论．爱因斯坦的话使玻尔完全相信了这一假说，并成了“磁性电子福音的先知”．他在格丁根和柏林分别会见了海森伯、泡利等人，力劝他们接受自旋概念．海森伯受玻尔乐观态度的影响，谨慎地认为磁性电子的说法有可能正确，而泡利则不然．玻尔在1959年致魏尔登（V．Waerden）的信中回忆说：“他以那种我们全都高度珍视的感情方式对我的‘背叛行为’表示了最强烈的不满，并且为了一种新的‘异端’居然被引人到原子物理学中来而表示了惋惜．”1926年4月，《自然》第117卷发表了美国物理学家托马斯（L．H．Thoma s）的一篇文章，成功地用相对论处理了因子2问题．文章指出：在把核静止而电子运动的坐标系转换为电子静止两核运动的坐标系时，应考虑电子加速而产生的磁场，故自旋轴的进动角速度应作相应的修正，因而其进动率应当是原来计算的一半．托马斯在把此文章寄出之前先让玻尔过目．玻尔分别致信海森伯和泡利，通告这一进展．海森伯很快承认了托马斯的理论，泡利则坚持认为托马斯的计算是错误的．经过和玻尔几个星期的争论，并澄清了一些技术性问题后，泡利终于表示：“现在我毫无别法，只能无条件投降了！1927年，泡利把电子自旋概念纳入了矩阵力学体系．1940年又证明，引人自旋概念是出于量子场论的需要．这样，自旋成了所有粒子的基本参量．可见泡利在这一问题上起了重要而复杂的作用．泡利因提出不相容原理而获得1945年度的诺贝尔物理学奖，次年发表了题为“不相容原理与量子力学”的获奖演说．演说中，泡利回忆道：“尽管在起初，由于这个思想的经典力学的特征，我强烈地怀疑它的正确性，但由于托马斯的双重线分裂值的计算，我最终转向了它．另一方面，与那个谨慎的表述‘经典力学无法描述的二值性’一样，我早期的怀疑在后来的发展中也得到了某种证实，因为玻尔能够在波动力学的基础上表明，电子自旋不能用经典描述的实验（例如，在外电磁场中分子束的偏转）来测量，从而电子自旋就必然被认为是电子的一种基本的量子力学特性．”据乌伦贝克回忆：1950年他“和泡利作过一次长时间谈话，当时他曾经就整个插曲责备了自己：‘我年轻时是多么愚蠢啊！’”这基本上可看出泡利态度的变化情况．泡利拒绝电子自旋假说的原因泡利在1924年曾提出核自旋的思想．对此，埃伦费斯特大惑不解：既然如此，泡利何以反对电子自旋？古兹密特认为：泡利在论文中明确指出，对复合核而言，可以预期存在一个非零的总角动量，而自旋却是单个粒子的特性．此外，泡利没有就氢光谱预言精细结构，因此泡利的思想不能被看作是自旋概念的先导．顺便指出，针对泡利在获奖演说中关于“我提议用核自旋的假设去解释光谱线的超精细结构……影响了古兹密特和乌伦贝克提出电子自旋”的说法，古兹密特表示：“直到1930年我才看到泡利的文章．我不记得是怎样和在哪里看到的，但是鲍林（L．Pauling）和我在我们的书《线光谱结构》中将它列为参考文献．”故泡利的说法“是明显不对的”．泡利认为，当电子以可与光速相比的速度旋转时，其磁矩必然随粒子质量的相对论性增大而增大，且角动量也不会保持恒定．原子核的质量远大于电子的质量，角动量的数量级也为h／2π，因此其旋转的表面速度远小平光速，磁矩也可恒定．而电子不会有非无限小的恒定的角动量．加之因子2问题，泡利便拒绝接受电子自旋概念．但是，问题应当进一步看．一个“神童”、一个作出过杰出贡献的伟大物理学家难道会一遇到具体的技术问题和困难就轻易退却，贸然下结论吗？显然，他对自旋的反感必有深层次的原因，正如他本人所说，“它起初，由于这个思想的经典力学的特征，我强烈地怀疑它的正确性．”在物理学基本图景上泡利有自己的观点．他认为要研究微观现象，就必须与宏观的经典理论一刀两断．二值性困难纯属量子特性，引入经典力学的概念无济于事，不管这概念有多么精巧．1924年12月泡利就在给玻尔的信中说：“现在照我看来，相对论式的双重线公式毫无疑问地表明，不仅是经典理论中的力这一动力学概念，而且还有运动这一运动学概念，都必须经历深刻的修订．”他还专门作了一个注解指出，任何概念都有某种图像这种观点即使“……部分地是一种合情合理的要求，这种要求也还是不能在物理学中被当成一种保持固定的概念体系的论据．一巨概念体系被弄清楚，新的概念体系也是会有图画性的．”他嘲笑那些“需要用明确定义的电子轨道和力学模型来当作拐棍儿”的人是“衰弱的”．泡利急于把经典力学从新物理学中清除出去，而且他起初以为这是一个简单的任务．虽然后来他在频频失利之后感到力不从心，但对经典力学的警惕几乎成了他的下意识．因此他才把电子自旋概念称为“新的异端”’．泡利的这次失误，与科学史上常见的科学家因思想保守或跟不上理论的发展不同．他不是太保守，而是太激进．与之形成对照的是，相对年长的爱因斯坦、玻尔、埃伦费斯特等人虽然清楚经典理论与量子理论的深刻差别，但他们有较多的经验，可能比年轻人更讲求持平折中一些．这在扑朔迷离的非常时期有助于他们接受电子自旋假说．科学的发展既有“革命”，也有“改良”．即使是在科学革命时期也应当在两者之间保持“必要的张力”．何况“革命”也有多种形式，谁能否认旧瓶装新酒也是一种革命呢？泡利是否应当“受到责备”让我们考察一下有关当事人对泡利此事的看法．1926年3月6日，克勒尼希致信克拉默斯：“……具有磁矩的电子突然在理论物理学家中间得宠了．……那么现在的新论据是什么，或者有没有什么新论据呢？这确实是很滑稽的．”“我有点后悔，……在今后，我将更多地信赖自己的判断而更少地信赖别人的判断了．”3月11日又说：“不管怎么说，我是从这场悲喜剧中学到了一点人生智慧的．”4月8日，克勒尼希在给玻尔的信中说：“物理学家中那些道貌岸然的人物永远对自己见解的正确性是那样自信得要命，并巨洋洋自得；如果不是想向他们猛击一掌，我是根本不会提起这个问题的．克勒尼希的怨气可以理解．当然随着时间的流逝，他的心态也渐趋平和．他对泡利仍然是敬佩的．后来他还接受泡利的邀请，作了他的助手．但是，问题依然存在．泡利去世后，出版了韦斯科夫（V．F．Weisskopf）等主编的《二十世纪理论物理学——纪念沃尔夫冈·泡利文集》一书，书中收入了魏尔登的一篇文章《不相容原理与自旋》．魏尔登认为，电子自旋概念包括三个部分：（1）电子的旋转；（2）存在一个在给定方向上的角动量m s＝±1／2；（3）存在一个磁矩2m s．泡利不情愿地接受其第一部分应当说是正确的，因为电子自旋的确不能用经典动力学模型来描述．但从纯逻辑上讲，尽管很难设想没有旋转的角动量，但是泡利仍然可以只接受第二和第三部分而不接受第一部分．由于因子2问题，泡利全盘否定了电子自旋．因子2问题解决之后，泡利不再反对后两部分，并把第一部分也作为暂时性的模型接受下来．这时泡利知道，量子力学已经产生了一种运异于以往的全新的情形．魏尔登引用了泡利为庆祝玻尔70岁生日而写的一篇文章中的～段话，以说明泡利对待“自旋电子图像”的态度：“在一段因‘形象生动’的暂时局限而引起的短暂的精神和人的混乱时期之后，随着抽象的数学符号（如“）取代了具体图像，（人们的观点）就达到了广泛的一致．尤其是，具体的旋转图像被对应于三维空间中的旋转群的数学特征函数所取代了．”因此，魏尔登的结论是：“泡利、海森伯和克勒尼希的怀疑已在很多方面被证明是正当的．洛伦兹也有强烈的怀疑，这在那时是很有根据的．在我看来，泡利和海森伯不能因为没有鼓励克勒尼希发表他的假说而受到责备．对此观点，一些当事人的态度各不相同．克勒尼希在同一书中的文章《转折点》中多次提到魏文，要求读者参阅．乌伦贝克也称魏文“极有价值”．古兹密特则不同，他不指名地批评说，试图从泡利发表的论文和一些新旧通信中来“解释”历史，并了解泡利思想的做法“已被证明既不客观也无用处”．证明的一个例子就是，它给人一种印象：“电子自旋的概念在1925年是物理学最愚蠢的思想之一，因此所有的信任和赞扬都应当给予那些当时反对这一假说的人．最不幸的是，我们没有那些年泡利在物理学方面完整的论述，也没有他的同时代的几个杰出人物的论述．”那么，究竟如何评价泡利此事？应当说，魏尔登和古兹密特的观点都言之有理，持之有故，但似乎又都略失偏颇．一方面，反对电子自旋假说，泡利无论如何难辞其咎．企图为之彻底“平反”，恐难服人．另一方面，古兹密特之说则带一点情绪化的色彩．首先，史料的残缺的确易使研究者误人歧途且难以自察，但是人们还是可以在尽可能搜集到的资料的基础上，努力探求历史的真实．第二，科学研究要求百家争鸣，泡利当然有权发表其一家之言．魏尔登显然不会为这种常识性问题写翻案文章．他的所谓“责备”，其实是指泡利的反对能否“在很多方面被证明是正当的”．科学争论往往是各方均有正误之处，因而呈现复杂的态势．第三，再从克勒尼希方面看．泡利虽然反对克勒尼希的假说，而且，泡利有时会阻止别人发表他认为错误的观点（例如他就曾在信中劝说玻尔不要发表托马斯解决因子2的文章），但是没有记载提到他也阻止过克勒尼希．何况泡利的话就必然是金口玉言，一言九鼎，克勒尼希就必须俯首帖耳，言听计从吗？另外，朗德得知泡利反对后偃旗息鼓，格丁根的物理学家也不感兴趣，于是克勒尼希终于放弃发表电子自旋假说．而且或许是对该假说困难的认识比较充分（这可能也有泡利态度的影响），克勒尼希本人也曾一度反对电子自旋假说，这些不能都算在泡利的账上．克勒尼希“从这场悲喜剧中学到”的“一点人生智慧”，应当是青年人的自信．泡利是物理学的典型权威，玻尔称之为“物理学家的良心”，埃伦费斯特说他是“上帝的鞭子”．物理学史家罗伯森（P．Hobertson）说：“在物理学家中，泡利在判断和发现任何理论中的弱点上，差不多是具有传奇式的能力的．因此除非能得到泡利的赞同，很少有人对他们本身的工作感到完全有把握．泡利的批评惯用诙谐或讽刺方式，而且表达得既尖锐又直率，很少顾及被批评物理学家的声誉．……这在物理学的基础正处于经历着根本性修正时期，起着很重要的作用．”这样的人物，不是大多，而是太少纠p使是偶尔失误，也具有相当的价值．。
量子化学课件--第十一章 自旋和泡利原理
Sˆ z
1 2
,
Sˆz
1 2
由于Sˆ z与Sˆ 2可对易，故也可以把Sˆ z的本征函数取做Sˆ 2
的本征函数：Sˆ 2 3 2 ,
4
Sˆ 2 3 2
4
Sˆz与Sˆx或Sˆy不可对易，故和不是这些算符的本征函数。
ms
1 2
它们是正交的： 1/2
*(ms ) (ms ) 0
ms 1/ 2
为满足上述的正交归一化，可以取：
(ms ) 1
(ms
1 ); 2
(ms ) 0
(ms
1) 2
（ 1） 0;
2
（ 1） 1
2
用克罗内克表示为：
(ms ) ms，1/ 2 ; (ms ) ms，1/ 2
当考虑包括空间和自旋两者的一个电子的完全波函数
(x, y, z)g(ms )
（g(ms)是和函数中的任意一个，取决于ms是1/2还是-1/2）
由于哈密顿算符对自旋函数无作用，有：
Hˆ [ (x, y, z)g(ms )] g(ms )Hˆ (x, y, z) E[ (x, y, z)g(ms )]
即得到如同以前不考虑自旋一样的能量，自旋造成 的唯一区别是使可能的态数加倍。代替状态(x,y,z)， 有两个可能的状态(x,y,z)和(x,y,z)。
(q1,...,q j ,...,qi ,.....,qn ) c (q1,...,qi ,...,q j ,...,qn )
Pˆij (q1,...,qi ,...,q j ,...,qn ) c (q1,...,qi ,...,q j ,...,qn )
上式说明是Pˆij的一个本征函数。由于Pˆij的仅可能的本征值是
泡利不相容原理、洪特规则、构造原理
一、基态与激发态原子光谱1.基态与激发态处于最低能量的原子叫做基态原子(ground state atom)，基态是原子最基本的状态，是稳定的状态；当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子(excited atom)；激发态原子不稳定，电子又会跃迁到能量较低的能级，并释放能量；其转化关系如下：光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一，在日常生活中，我们看到的许多可见光，如灯光、激光、焰火……都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关；2.原子光谱atomic spectrum①原子光谱：不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱；②发射光谱(emission spectrum)是暗色背景的明亮谱线，吸收光谱(absorption spectrum)则是明亮背景的暗色谱线，两者谱线一一对应(因为两个能级之间电子跃迁，吸收的能量和释放的能量相同)；※铯cesium，1860年发现，其光谱图中有特征的蓝光，在拉丁语里，铯的含意是天蓝色；※铷rubidium，1861年发现，其光谱图中有特征的红光，在拉丁语里，铷的含意是深红色；※氦helium，1868年分析太阳光谱发现的，来源于希腊文，原意是“太阳”；③原子光谱的应用不同元素产生不同的原子光谱，在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析(spectrum analysis)，历史上，利用光谱分析也曾发现了许多新元素；二、构造原理与电子排布式1.多电子原子核外电子的排布顺序在多电子原子中，电子在能级上的排布顺序是：电子最先排布在能量低的能级上，然后依次排布在能量较高的能级上；2.构造原理aufbau principle随着原子核电荷数的递增，绝大多数元素原子的核外电子是按照如图所示的能级顺序填充的，填满一个能量低的能级后，再填一个能量高的新能级，这种规律称为构造原理；3.能级交错现象energy level overlap phenomenon由构造原理可知，从第三能层开始各能级不完全遵循能层顺序，产生了能级交错排列，即产生“能级交错”现象；【产生原因：钻穿效应、屏蔽效应】【H原子由于核外只有一个电子，没有屏蔽效应，不存在能级交错，所以能级的能量高低只取决于主量子数；对于3d、4s、4p，显然3d小于4s等于4p】4.电子排布electronic configuration①根据构造原理可表示出一些元素原子的电子排布式，先按能量由低到高的顺序依次写出能级符号，再用数字在能级符号右上角表明各能级上排布的电子数，这就是原子的电子排布式；【在书写电子排布式时，能层低的能级要写在左边，不能按填充顺序写，例如钪Sc的电子排布式为：1s22s22p63s23p63d14s2，而不能按照填充顺序先写4s2后写3d1】②电子排布式的简化写法为了避免电子排布式过于繁琐，可以把内层电子达到稀有气体元素原子结构的部分以相应的稀有气体元素符号外加方括号表示，例如：K的电子排布式可表示为：[Ar]4s1，其中[Ar]叫1三、泡利原理、洪特规则、能量最低原理1.电子自旋与泡利原理spin of the electron & Pauli exclusion principle①电子自旋spin of the electron量子力学告诉我们，电子除了空间运动状态外，还有一种状态叫做自旋；电子自旋可比喻成地球的自转；电子的自旋有顺时针和逆时针两种相反的状态，常用上下箭头“↑”“↓”表示；【电子自旋(spin of the electron)是电子的基本性质之一，属于量子物理学科，电子自旋先由实验上发现，然后才由狄拉克(Dirac)方程从理论上导出的】【自旋量子数(spin quantum number)是描述电子自旋运动的量子数，自旋磁量子数用m s表示，即↑代表正方向自旋电子，↓代表逆方向自旋电子】②泡利原理Pauli exclusion principle1925年，泡利正式提出，在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子(通常称为电子对)，而且它们的自旋状态相反，称为泡利原理(也称泡利不相容原理)；Pauli，1900--1958 Dirac，1902--1984 Hund，1896--19972.电子排布图原子核外电子排布可利用电子排布图来表示，这是用方框(或圆圈)和箭头表明核外电子排布的另一种方法，也叫轨道表示式；每一个方框表示一个轨道，能量相同的轨道连在一起，与电子排布式相比，它具有轨道上自旋方向和成键时电子变化明晰的特点，但是稍微麻烦些，书写时先写元素符号，再根据能量最低原理、泡利原理、洪特规则等书写，例如：3.洪特规则Hund rule基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行，称为洪特规则；洪特规则不仅适用于基态原子，也适用于基态离子；【洪特规则特例】在等价轨道(同一能级)上的电子排布为全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f0)状态时，具有较低的能量和较大的稳定性，可以理解为洪特规则特例；例如：铬(24Cr)：[Ar]3d54s1正确，[Ar]3d44s2错误；铜(29Cu)：[Ar]3d104s1正确，[Ar]3d94s2错误；4.能量最低原理lowest energy principle①基态是能量最低的状态，基态原子的电子排布式能量最低的原子轨道组合；②在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低，这就是能量最低原理lowest energy principle；③多电子原子的核外电子要先占据能量低的能层，在能量低的能层中又优先占据能量低的能级，然后再依次进入能量较高的能层，这样使整个原子处于最低的能量状态，原子轨道能量的高低依据构造原理来判断；5.补充：26Fe：1s2 2s2sp6 3s23p63d6 4s2①电子的运动状态=电子数；(26)②电子的空间运动状态=电子所占的轨道数；(15)③电子的运动范围=能层数；(4)④电子的能量=能级数；(7)。
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电子自旋假说
1926年4月，《自然》发飙了美国物理学 家托马斯的一篇文章，成功的运用相对论处理 了关于自旋尚未解决的一些问题。玻尔分别致 信给海森堡和泡利，通告了这一进展。海森堡 很快承认了托马斯的理论，而泡利则坚持认为 托马斯的计算是错误的。经过和玻尔几个星期 的争论，并澄清了一些技术性的问题后，泡利 终于表示：‚我现在毫无它法，只能无条件投 降了。‛
电子自旋假说
1925年12月，众多物理学家云集莱顿大学， 庆祝洛伦兹获得博士学位50周年，期间，电子自 旋假说成为了他们议论的中心。 专程前来的玻尔会见了泡利和施特恩，两人 极力劝告玻尔不要接受电子自旋的假说。倒了莱 登，刚见到爱因斯坦，爱因斯坦就问玻尔关于旋 转电子他相信什么。玻尔询问自旋轴线和轨道运 动之间的必然相互耦合的原因，爱因斯坦回答道： 这种耦合是相对论的一种直接推论。爱因斯坦的 话使玻尔完全相信了这一假说，并成了‚磁性电 子的福音‛。
电子自旋假说
1927年，泡利把电子自旋概念纳入了矩阵力学体 系。1940年又证明，引入自旋概念是出于量子场论的 需要。这样，自旋成为所有粒子的基本参量。可见， 泡利在这一问题上起了重要而复杂的作用。 1945年，泡利因不相容原理获诺贝尔物理学奖， 次年发表了题为‚不相容原理与量子力学‛的获奖演 说。演说中，泡利总结了了自旋假说的建立过程，提 出‚电子自旋就必然被认为是一种基本的量子力学特 性‛
目录
1.泡利简介 2.电子自旋假说 3.泡利的是非功过
泡利简介
美籍奥地利科学家沃尔夫冈·泡利（ Wolfgang E.Pauli ， 1900～1958），是迎着20世纪一同 来到世界的，父亲是维也纳大 学的物理化学教授，是奥地利的物理学家兼哲学家。 泡利生于奥地利维也纳一位医学博士的家庭里，从童年时代就 受到科学的熏陶，在中学时就自修物理学。1918年中学毕业后，泡 利带着父亲的介绍信，到慕尼黑大学访问著名物理学家索墨菲 ,要 求不上大学而直接做索末菲的研究生，索末菲当时没有拒绝，却难 免不放心，但不久就发现泡利的才华，于是泡利就成为慕尼黑大学 最年轻的研究生。 1918年，18岁的泡利初露锋芒，他发表了第一篇论文，是关于 引力场中能量分量的问题。 1919 年，泡利在两篇论文中指出韦耳 （H.Wegl）引力理论的一个错误,并以批判的角度评论韦耳的理论。 其立论之明确，思考之成熟，令人很难相信这出自一个不满20岁的 青年之手。
荷兰莱顿大学
电子自旋假说
玻尔在格丁根和柏林分别会见了海森堡、泡利等人，力劝他 们接收自旋概念。海森堡受玻尔乐观态度的影响，谨慎的认为磁 性电子的说法有可能正确，而泡利则不然。 后来玻尔在1959年致威尔登的信中回忆说：‚他对我的 ‘背叛行为’以那种我们全都高度珍视的感情方式表示了强烈的 不满，并且为了一种新的‘异端’居然被引入到原子物理学中而 表示了惋惜。‛
电子自旋假说
朗德在得知泡利的态度后，也觉得理论是错误的。此后克勒希 尼又前往哥本哈根等地与海森堡、克拉默斯等人讨论这个假说，均 未得到积极反响，因此便没有公开这一假说。 1925年，荷兰莱登大学的两位博士生乌伦贝克和古兹米特在其 导师的支持下，也独立的引入了电子自旋的概念。他们指出：泡利 的量子数不再局限于他原来的模型描述。分配给单独电子的四个量 子数失去了他们的原始意义。显而易见，具有四个量子数的电子同 时也具有四个自由度。 在乌伦贝克和古兹米特提出电子自旋的这一假说后，泡利仍然 持否定态度。
泡利的是非功过
后世对此事的看法也莫衷一是，但不管怎么样，一方面反对自 旋假说，泡利难就其责，企图为之彻底‚平反‛，恐难服人。同时 另一方面，第一，史料的残缺的确容易使研究者误入歧途，古兹米 特之说则带有情绪化的色彩，但人们还是尽可能的搜寻资料还原真 相。第二，科学研究要求百家争鸣，泡利当然有权发表其一家之言。 泡利始终被作为物理学中的典型权威，玻尔称之为‚物理学家 的良心‛。在那一时期的物理学正经历根本性的修正时期，他起了 重要的作用。这样的人物，不是太多，而是太少。即使偶尔失误， 也具有相当的价值。 总之，科学总是朝着真理的方向前进，从不以个人意志为转移， 同时也因为个性的冲动和反对自旋假说的原因 泡利曾在1924年提出核自旋的思想。对此埃伦费斯特大惑不解：既 然如此，泡利何以如此反对电子自旋？ 现在看来，那时期对于自旋的本质，都没有搞清楚，仍然认为自旋 类似于经典理论中的自转，因而要产生一定的角动量需要以和光速相比 拟的速度自转。 泡利认为，当电子以可与光速相比拟的速度旋转时，其磁矩也必然 随粒子质量的相对论性而增大，却角动量也不会保持恒定。原子核的质 量远大于电子的质量，角动量数量级也相同，因此其旋转的表面速度远 小于光速，磁矩也可恒定，因而电子只会有无限小的角动量
电子自旋假说
2.泡利‚不相容原理‛
电子的自旋假设，始于碱金属原子光谱研究。在高分辨率 光谱仪下，人们发现了碱金属原子光谱的精细结构。对于碱金 属原子s能级是单层的，而p、d、f能级都是双层的。 1924年，泡利在研究反常塞曼效应时发现，原子的角动量 只能来源于外层电子，否则塞曼效应的分裂宽度就将依赖于原 子序数，而这与事实不符。泡利提出了四个量子数的思想，他 1 还发现，其中一个磁量子数只能取 2 ，他不知道该量子数的物 理意义，把它归于一种特殊的，经典理论无法描述的‚二值 性‛。 结合碱金属和惰性气体原子光谱所积累的大量资料，于 1925年提出了‚不相容原理‛。
泡利的是非功过
泡利是否应当‚责备‛？ 让我们看看当事人对此事的看法。1926年克勒希尼致信克拉默 斯：‚具有磁矩的电子突然又在物理学家中间得宠了？那么现在的 新理论依据是什么，或者有没有新依据呢？‛‚我有点后悔，...... 在今后，我将更多的相信自己的判断而更少地信赖别人。‛‚不管 怎么说我还是从这场悲喜剧中学到一点人生智慧的‛后来在给玻尔 的信中又说：‚物理学家中那些道貌岸然的人物总是对自己的见解 自信的要命，并且洋洋得意；如果不是向他们猛击一拳，我是根本 不提这事儿的。‛ 克勒希尼的怨气可以理解。当然随着时间的流逝，他的心态也 趋平和。他对泡利是敬佩的，后来还接受泡利的邀请，做了其助手。
泡利的是非功过
但是问题仍然存在。泡利去世后，威尔登的一篇文章《不相 容原理与自旋》中认为，电子自旋概念包括三个部分：（1）电子 的自转；（2）存在一个给定方向的角量子数 ms 1 / 2；（3）存 在一个磁矩 2ms 。泡利不情愿的接受其第一部分应当说是正确的， 因为电子的自旋的确不能用经典动力学模型描述。但是从逻辑上 想，确实很难设想没有旋转却能产生角动量。而泡利仍然可以接 受第二、三部分而否定电子的自转。并且把第一部分也作为暂时 性的模型接受下来。这时泡利已经认识到，量子力学已经产生了 不同以往的全新情形了。
Wolfgang E.Paulii 1900～1958
泡利简介
Wolfgang E.Paulii 1900～1958
电子自旋假说
1.自旋的概念
1 s 电子自旋量子数： 2
电子自旋角动量：S
3 s( s 1) 2
在量子力学中，自旋是粒子所具有的内禀角动量引起的， 虽然有时会与经典力学中的自转相类比，但实际上本质是迥异 的。自旋为0的粒子，从各个方向的物理性质相同；自旋为1的 粒子旋转360°表现相同的性质；自旋为 2的粒子旋转180°表现 1 为相同的性质；自旋为 2 的粒子旋转两周表现为相同的性质。 关于自旋的运动本质，目前还在研究当中。
电子自旋假说
3.泡利与自旋假说的爱恨纠葛
德国物理学家克勒尼希在蒂宾根时，朗德给他看了泡利 的一封信，信中表达了四个量子数和不相容原理的思想，这 激起了他的好奇心。当天下午克勒尼希就据此导出了“相对论 线性公式”，并得到了双重分裂的Z4比值，这一结果完全符合 实验结果，也与朗德半经验的“相对论分裂法则”相一致。 1925年1月8日，克勒尼希会见了泡利，告诉了他的想法。 没想到泡利明确的反对道：“这确实很巧，然而和事实却毫无 联系的。”克勒希尼明白自己的假说在理论上存在困难，但还 是为泡利的反对如此明确而感到惊讶。