بیگ بنگ: هیچ دو الکترونی در یک اتم نمی توانند مجموعه ی اعداد کوانتومی یکسان داشته باشند. ولفگانگ پائولی دریافت که می تواند با رشته چهارگانه ی اعداد کوانتومی که به هر حالت موجود الکترون مرتبط می شود اعجاز کند، مبنای مدل عبارت بود از مجموعه ای قواعد که اعداد کوانتومی را مشخص می کند.

به گزارش بیگ بنگ، دو قاعده ای که بور معرفی کرد به این شرح بود: “مجموعه ی مشابهی از قوانین اعداد کوانتومی برای همه الکترون ها در همه اتم ها وجود دارد و الکترون ها در ابتدا حالت های موجود در پایین ترین سطوح انرژی را اشغال می کنند.” پائولی اصل فراگیر دیگری را به این مجموعه افزود که بعدها اصل طرد یا اصل پائولی نام گرفت و به همان اندازه ی نظریات پیچیده ی متعاقب در وضوح بخشیدن به نظریه اتمی و مولکولی ثمربخش بود. پائولی بیان کرد که مجموعه ی چهار عدد کوانتومی توصیف کننده ی حالت الکترون باید منحصر به همان الکترون باشد، یعنی: هیچ دو الکترونی در یک اتم نمی توانند یک حالت را اشغال کنند که با مجموعه دقیقا مشابهی از مقادیر چهار عدد کوانتومی مشخص می شود.

یکی از کابردهای عمده این اصل در ساختار پوسته الکترونی اتم هاست، هر اوربیتال یا تراز انرژی نمی تواند بیش از دو الکترون را نگه دارد، یک الکترون در جهت ساعتگرد و دیگری در جهت پاد ساعتگرد میچرخد. الکترون ها در پوسته هایی حاوی اوربیتال های گروه بندی می شوند و پوسته ها از طرف هسته اتم به خارج شماره گذاری می شوند(n=1.2.3,…)، این شماره ها را عدد کوانتومی اصلی می نامند. افزایش n حاکی از افزایش انرژی مربوط به آن پوسته و افزایش فاصله آن با هسته اتم است. تعداد الکترون های مجاز هر پوسته عبارت است از 2n2. هر پوسته حاوی زیرپوسته ها و یا زیر ترازهای انرژی است و فقط می تواند n زیر پوسته داشته باشد.

اصل پائولی مهمترین قاعده حاکم بر ساختار اتم ها بشمار می آید. هر جا که الکترون ها گرد هم آیند-در اتم ها،مولکول ها یا جامدات- باید خودشان را طبق اصل پائولی سازماندهی کنند. هیچ دو الکترونی در مجاورت یکدیگر نمی توانند دارای مجموعه دقیقا یکسانی از اعداد کوانتومی بوده و در عین حال از هم متفاوت باشند، این اغلب به معنای پرهیز الکترون ها از یکدیگر است، آنها در پوسته هایی هم مرکز جمع می شوند. اصل طرد پائولی پایه ی نظری جدول تناوبی را فراهم آورد، وی بخاطر وضع کردن این اصل جایزه نوبل فیزیک سال 1945 را دریافت کرد.

در ستاره های بسیار چگال مانند کوتوله های سفید که نیروی گرانش بسیار قدرتمند می باشد، ستاره در حال انقباض کوچکتر می شود و اتم ها مجبورند آنقدر به هم نزدیک شوند که مدارهای الکترون هایشان نابود شده و پروتون ها و نوترون ها در دریایی از الکترون ها غوطه ور می شوند. به این گاز یک گاز واگن گویند و اصل طرد پائولی یک محدودیت بر روی این انقباض ستاره اعمال می کند و باعث تعادل می شود. ولفگانگ پائولی فیزیکدان اعجوبه ای بود که دستاوردهای او مانند همین اصل طرد و چند دستاورد عمده دیگر در فیزیک هسته ای و فیزیک ذرات بنیادی به طور قطع در بین شاهکارهای فیزیک مدرن جای دارند. اگر ما در جهانی بدون اصل طرد پائولی زندگی می کردیم آنگاه تمام الکترون های یک اتم به پایین ترین تراز انرژی پرش میکرد و در این صورت شیمی اتم ها و مولکول ها و همچنین زیست شیمی را نیز از میان می بردند.

نویسنده: میلاد اسکندر دوست/ سایت علمی بیگ بنگ

منابع:
فیزیک دانان بزرگ/نوشته ویلیام اچ.کراپر
قوانین، نظریه های علمی و چیزهای دیگر/نوشته سوندرا وارما

اطلاعات بیشتر: Pauli exclusion principle