انتشار این مقاله


دستاوردهای عظیم (۹۲) : کشف اصل طرد پائولی

بحث اسپین ذرات یکی از اصول مهم فیزیک کوانتومی را شامل می‌شود که به اصل طرد پائولی معروف است و جایزه نوبل فیزیک ۱۹۴۵ را برای پائولی به همراه داشته‌است.

اگر بخواهیم به ساده‌ترین شکل توصیف کنیم، اسپین به چرخش ذرات حول محورشان گفته می‌شوند. هرچند این توضیح بسیار ساده‌انگارانه است و در حقیقت برای ذره بسیار کوچکی مثل الکترون تقریبا غیرممکن است ویژگی مثل چرخش را برای آن قائل شویم. هرچند، به طور کلی قواعد ریاضی مربوط به اسپین مشابه قواعد گشتاور زاویه‌ای اجسام چرخنده در فیزیک کلاسیک می‌باشد، و تنها دو مورد مهم باید در ان‌ها در نظر گرفته‌شود: سرعت چرخش و جهت محوری که جسم در ان می‌چرخد.

وقتی که اسپین برای اولین بار در سال ۱۹۲۲ توسط Otto Stern و Walther Gerlachمطرح شد، متوجه شدند که آزمایش‌های ان‌ها نشان می‌دهد که گشتاور زاویه‌ای درونی برای ذراتی نظیر الکترون کوانتومی است، یعنی اینکه فقط مقادیر گسسته را دارد. اسپین ذرات ترکیبی مجموع اسپین‌ها و گشتاورهای زاویه‌ای اوربیتالی‌ اجزای سازنده آن‌ها می‌باشد. بنابراین اسپین، یک ویژگی مربوط به مکانیک کوانتومی مواد می‌باشد و نمی‌توان با فیزیک کلاسیک آن را توجیه کرد.

۲ زیردسته از ذرات وجود دارد: آن‌هایی که اسپین‌شان عدد صحیح است که بوزون نام دارند که شامل فوتون‌ها، گلون‌ها، بوزون‌های W و Z و گراویتون‌های فرضی می‌باشند. دسته دیگر آن‌هایی هستند که مقادیر اسپین آن‌ها نصف دسته قبلی می‌باشد که به آن‌ها فرمیون گفته می‌شود که شامل الکترون‌ها، نوترینوها، مون‌ها و کوارک‌ها می‌باشند که ذراتی مانند پروتون و نوترون را ایجاد می‌کنند. راه دیگر برای توصیف تفاوت میان فرمیون‌ها و بوزون‌ها این است که بوزون‌ها تابع موجی قرینه دارند درحالیکه در فرمیون‌ها غیرقرینه می‌باشد. اینکه یک ذره اسپین half-integer دارد به این معناست که ذره باید برای اینکه حالت قبلی خود را دوباره نشان دهد، باید دوبار دور خود بچرخد.  

اهمیت این موضوع در تئوری کوانتوم این است که احتمالات موجی بوزون‌ها باید قبل از انکه با هم تداخل داشته باشند، باید پشت و رو یا معکوس شوند، که باعث می‌شود تا ذات گروهی خود را بیشتر نشان دهند که این هم رفتارهای جمعی ان‌ها نظیر لیزرها، ابرمایع‌ها و ابررساناها را بروز می‌دهد. با این حال احتمالات موجی فرمیون‌ها پشت‌ورو نمی‌شود که باعث بروز ذات منفرد آن‌ها می‌شود. بنابریان اسپین ذرات به دقت و با استفاده از قواعد خاصی علاوه بر گشتاور زاویه‌ای مکانیک کوانتومی، کنار هم قرار داده شده‌اند.

بحث ویژگی اسپین ذرات یکی از اصول مهم فیزیک کوانتومی را شامل می‌شود که به اصل طرد پائولی معروف است، که بیان می‌دارد هیچ دو فرمیون یکسانی نمی‌تواند یک حالت کوانتومی را به طور همزمان داشته‌باشد. به بیان دیگر، هیچ دو فرمیونی در سیستم کوانتومی نمی‌تواند هر ۴ عدد کونتومی یکسان را داشته‌باشد. این اصل به طور روشنی می‌تواند وجود ستاره‌های کوتوله سفید چگال و انواع اتم‌ها و پایداری ان‌ها در فضا را توجیه نماید.

جرقه‌ی کشف این اصل به سال ۱۹۲۲ برمی‌گردد، بور در این سال سخنرانی در  Göttingen آلمان داشت که در ارتباط با ساختار ناقص الکترون بود. بور به دنبال یک توضیح عام برای اوربیت‌های الکترونی بود که طی آزمایش‌هایی به طور دقیق محاسبه شده‌بودند، و این مسئله توجه یکی از حضار را به شدت به خود جلب کرد، به طوری که برای حل آن علاقه‌مند شده‌بود: ولفانگ پائولی. به طوریکه به گفته او حیات علمی‌اش با اشنایی با بور به مرحله جدیدی وارد شده‌بود.

پائولی به کپنهاگ پایتخت دانمارک رفت تا با بور کار کند، و در حین کار به یک نتیجه آزمایشی غیر قابل‌توجیه برخورد که او را به شدت به تحقیق در مورد ان علاقه‌مند کرد که آن اثر Zeeman بود. در فیزیک کلاسیک جریان الکتریکی که در یک چرخه حرکت می‌کند، همانند یک اهنربا عمل می‌کند و خواص مغناطیسی از خود نشان می‌دهد. بنابراین انتظار می‌رفت که مطابق فیزیک کلاسیک، الکترون‌هایی که اطراف هسته می‌چرخند، این ویژگی‌ها را بروز بدهند. با این حال، نتایج آزمایش‌ها با پیش‌بینی‌های انجام‌شده مغایر بود. با وجود بهبود پارامترهای دخیل در ازمایش، باز هم اثر Zeeman باعث سردرگمی تئوریسین‌ها می‌شد. پائولی با رها کردن این معما به هامبورگ رفت تا سخنرانی خود را در مورد سیستم تناوبی عناصر ایراد کند. خواص تناوبی عناصر برای اولین بار توسط مندلیف کشف شد که در آن توانست ۶۳ عنصر شناخته‌شده زمان خود را در جدولی براساس خواص ان‌ها طبقه‌بندی نماید. با اینکه ایجاد جدول تناوبی به خودی خود موفقیت بزرگی بود، اما توجیه قانع‌کننده‌ای برای ان وجود نداشت، که این مسئله ذهن پائولی را نیز درگیر کرده‌بود.

در سال ۱۹۲۴، پائولی پس از خواندن مقاله‌ای در مورد اعداد کوانتومی آخرین تکه این معما را حل کرد. او متوجه شد که برای توصیف دقیق موقعیت یک الکترون در اتم نه به ۳ بلکه به ۴ عدد کوانتومی نیاز است. این عدد چهارم (ms)با معیارهای فیزیک کلاسیک قابل‌توجیه نبود. با وجود عدد چهارم پائولی، اصل طرد را پایه گذاشت که می‌گوید در یک اتم چند الکترونه هیچ دو الکترونی نمی‌تواند حالت کوانتومی یا ۴ عدد کوانتومی مشابه داشته‌باشد.

در سال ۱۹۴۵، پائولی جایزه نوبل فیزیک را به پاس کشف اصل طرد یا اصل پائولی دریافت کرد.  

محمد امین اکبرزاده


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *