Принцип исключения Паули
Один из величайших химиков всех времен, родившийся в Сибири Дмитрий Менделеев, который был самым младшим в семье, где было, по разным данным, от четырнадцати до семнадцати детей, в конце 1860-х годов изобрел теперь уже знакомую всем периодическую таблицу элементов. В ней он сумел сгруппировать все элементы со сходными химическими свойствами по семействам. Однако принцип формирования этих семейств оставался загадкой более полувека, пока австрийский вундеркинд Вольфганг Паули не предложил свой знаменитый «принцип исключения».
Паули объяснил, что элементы обладают различными химическими свойствами в зависимости от того, как именно их электроны располагаются на различных квантовых орбитах, или оболочках. Каждый электрон описывается квантовыми числами, присвоенными его волновой функции. Это определяет значения его проквантованной энергии, момента импульса и спина. Паули заметил, что ни одна пара электронов в одном атоме не может обладать одинаковыми квантовыми числами. Как только конкретное квантовое состояние оказывается «занятым», остальным электронам приходится искать себе другое место.
Принцип исключения также объясняет, почему электроны не падают на ядро, а следовательно, и как материя существует в своей форме.
Таким образом подчеркнутая Бором проблема получила объяснение. Очевидно, что, если бы все электроны атома падали на низший энергетический уровень, все элементы обладали бы одинаковыми химическими свойствами. Свойства элемента определяются не общим числом электронов в атомах, а тем, как расположены их внешние электроны. Электроны последовательно заполняют «оболочки», причем каждая из оболочек содержит конкретное количество электронов, которое обуславливают определенные законы, использующие квантовые числа. Как только оболочка заполняется, следующему электрону приходится перемещаться на следующий энергетический уровень. Внешние (валентные) электроны сообщают нам, как атомы связываются друг с другом и формируют, казалось бы, бесконечное число химических веществ, встречающихся в природе, а также объясняют многие физические свойства этих атомов – например, почему определенные материалы лучше других проводят тепло и электричество.
Частицы, такие как электроны, протоны и нейтроны, которые все вместе называют фермионами, подчиняются принципу исключения Паули. Другой класс частиц, бозоны, не подчиняются ему. Фотоны, к примеру, не стесняются занимать одно и то же квантовое состояние и даже предпочитают поступать именно так. Здесь часто приводится такая аналогия: фермионы сравниваются со слушателями концерта классической музыки, которые сидят на своих местах, идущих друг за другом рядами, а бозоны сравниваются со зрителями рок-концерта, которые все как один хотят пробиться как можно ближе к сцене.
Однако глубоко в ядре атома действует сила другого типа. В 1935 году японский физик Хидэки Юкава предложил объяснение этой ядерной силы, которое в итоге принесло ему Нобелевскую премию. Для этого он оттолкнулся от идеи, которая впоследствии стала одним из основных ингредиентов в сфере физики частиц, а именно от идеи об обменной частице. Чтобы объяснить, что это такое, мне придется прибегнуть к двум уже знакомым концепциям: принципу неопределенности Гейзенберга и уравнению Эйнштейна Е=mc2.
