基本介紹
- 中文名：菲爾茲·泡利理論
- 外文名：Pauli theory
- 著名理論：不相容原理、中微子假說
- 領域：物理學
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著名理論
泡利不相容原理
1925年奧地利數學、物理學家泡利（W.Pauli）研究氦原子光譜時總結出的基本原理。可表述為：在同一原子中，不可能有兩個或兩個以上的電子處於完全相同的量子狀態；或者說，一個原子中的任何兩個電子不可能有完全相同的一組量子數n、l、ml和ms。此後，又將此規律作為所有原子必須遵守的普遍原理。後來發現，這個原理不僅適用於原子中的電子，對一切自旋量子數為半整數的粒子（稱為費米子如質子、中子等）均適用。因此該原理又可表述為：由全同費米子（全同粒子是指質量、電荷，自旋等固有性質完全相同的微觀粒子）組成的系統中，不可能有兩個或兩個以上的粒子處於完全相同的狀態。不相容原理是建立在量子力學基礎上的一個經驗規律，無法用經典理論解釋。但是它十分嚴格，至今還沒有發現一個例外。運用泡利不相容原理和能量最小原理，可以說明原子中電子的殼層結構和元素周期律。
中微子假說
β衰變現象被發現以後，物理學家們對它進行了認真的研究，發現衰變後的總能量比衰變前少，而且衰變前動量以及某些量子力學家中的守恆量也不守恆。為了解決這些矛盾，著名美籍奧地利物理學家泡利於1931年提出了在β衰變中原子核在發射電子的同時，還放出了一個既不帶電量、可能也不具有靜止質量的粒子，這個粒子帶走了丟失不見的能量。1933年，費密把這種粒子命名為中微子。中微子假說的提出，使大量實驗現象得到滿意解釋。但是，由於中微子不帶電荷，也沒有質量或質量很小，因此驗證它就成了困難。在長達四分之一世紀的時間裡，它被看做是 “幽靈粒子”。
1941年，中國物理學家王淦昌建議通過氫原子核俘獲k殼層電子釋放中微子時所產生的反衝探測中微子。在這類過程中，所產生的原子核的反衝能量和動量將僅同發射的中微子有關。他的構想《探測中微子的建議》 發表於1942年1月出版的美國《物理評論》。接著，美國物理學家阿倫就此進行了74Be的k俘獲實驗，證實了王淦昌的預言。1942年，日本物理學家板田昌一從理論上分析預言存在兩種中微子。美國物理學家科恩及萊因斯在高通量反應堆中進行實驗，首先檢測到核反應堆中產生的自旋與運動方向相同的反中微子的稀有俘獲，從而證實了中微子的存在。1961—1962年，美國哥倫比亞大學的萊德曼等人用同步加速器加速的高能質子打擊鈹靶，用產生高能中微子束進行實驗，證實了兩種中微子的存在。中微子的發現為弱相互作用的研究奠定基礎。
相關學者
泡利
20世紀傑出的理論物理學家，現代科學的開拓者之一。1900年4月25日生於奧地利首都維也納。他父親是維也納大學的化學教授，自幼受到良好的親職教育。中學畢業後，以優異成績考入德國慕尼黑大學物理系，1921年以 《論氫分子的模型》 論文獲博士學位。同年為 《數學科學百科全書》寫了一篇相對論綜述文章，文章獲得愛因斯坦等著名科學家的好評。
大學畢業後，他在哥廷根大學跟物理學家玻恩、後去丹麥跟物理學家波爾進行科學研究。1923年回到慕尼黑，後在漢堡大學任講師，從事量子力學的研究。為了解釋光譜線的精細結構，他選用只能取兩個值的新量子數來描述電子，後來發現了電子自旋，證實了新量子數的存在。
1925年泡利發現了兩個或兩個以上費米子不能同時處於相同的狀態，稱為泡利不相容原理，這是他為了解釋化學元素周期性獨立提出的量子力學的主要原理。泡利積極參與了量子力學的創立工作，在波動力學建立之前，就利用矩陣形式下的量子力學方法，確定了原子的能級。
1928年，泡利開始在蘇黎世聯邦工業大學任教。他在物理學上有不少研究成就，他預言了中微子的存在。為了解釋β衰變中放出電子能量為什麼有一個連續譜，他提出假設，認為原子核在β衰變中不僅放出了電子，而且還放出了質量甚小穿透力甚大的中性粒子，他當時把它叫做中子，1932年以後，費米把它叫做中微子。泡利這一假說解決了β衰變中角動量、能量不守恆的困難。1933年，費米根據這種假說提出了他的 β衰變理論。隨著粒子物理學的進展，中微子假說在弱相互作用中的重要作用日益重要。泡利還在量子場論和固體物理等方面作出了重要的貢獻。1945年，泡利因發現不相容原理而獲諾貝爾物理學獎。
1958年12月5日泡利在瑞士蘇黎世逝世。泡利著有很多綜述性的論著，如《相對論》、《波動力學的普遍原理》、《基本粒子的相對論理論》等等。
玻爾
丹麥物理學家，量子力學奠基人之一。生於哥本哈根。1911年哥本哈根大學畢業，獲得物理學博士學位。丹麥原子能委員會主席，1939—1962年任丹麥皇家科學院院長。1922年榮獲諾貝爾物理學獎。他在普朗克量子假說和盧瑟福原子行星模型的基礎上，於1913年提出了氫原子結構和氫光譜的初步理論。 1918年提出 “對應原理”。1921年在玻爾的倡導和努力下，創立了哥本哈根大學理論物理研究所（1965年改名為玻爾研究所），玻爾任所長。1927年玻爾又提出了互補原理。這個原理成為量子物理學哥本哈根學派詮釋的兩個支柱之一。自 1930年起，玻爾的研究方向逐漸轉向核物理，主要研究原子核結構、原子核嬗變等問題，也有重要的貢獻。第二次世界大戰期間玻爾遷居美國，參加了美國核子彈的 “曼哈頓工程”，戰後致力於和平利用原子能事業，獲得1957年第一次頒發的“原子能和平獎”，玻爾認為科學的發展在於合作。玻爾研究所是當時世界“物理學界的聖地”，“各國科學家雲集的場所”。曾有人作過統計，在20年代先後到玻爾研究所工作的學者來自17個不同的國度，其中有10人先後獲諾貝爾獎。有人稱玻爾是“科學國際合作之父”。玻爾於1937年曾來中國訪問。對中國古代科學思想極為讚賞。他發現他的所謂互補原理的思想已蘊含於《太極圖》的 “族徽”（俗稱“陰陽魚”）之中。
馬赫
奧地利物理學家、心理學家、科學哲學家。其父是具有自由思想的家庭教師，後兼營農莊。馬赫於1860年在維也納大學獲物理學博士學位。曾在維也納格拉茨、布拉格等大學任物理學教授、數學教授、科學哲學教授、哲學教授和校長。1901—1913年期間當選為奧地利貴族院議員。馬赫是一個富有創造力的物理實驗家。他創造了消色差雙物鏡、設計了演示都卜勒效應的典型儀器。改進了赫爾姆霍茨在聲學和耳朵結構方面的實驗，進行視覺、聽覺的生理和心理物理學研究，發現了 “馬赫帶”。發現了超音波。發展以聲速為基準量度運動速率的精確方法。用馬赫數量度飛機飛行速率，確定亞音速和超音速，為研究超音速飛行作出了重要貢獻。馬赫研究了力學史、熱學史、光學史以及能量守恆學說發展史，其 《發展中的力學》 等著作是研究科學史的重要文獻。馬赫提倡 “思維經濟” 原則，主張選擇 “最簡單、最經濟、最方便的方法” 去取得科學成果。馬赫對牛頓的絕對時空概念進行過批判，對物理學的發展、尤其對現代物理學中的相對論和量子力學的創立具有積極的影響。但馬赫的科學觀有片面性，甚至錯誤。他對原子物理學持敵對態度，反對分子運動理論，否認關於物質結構的學說。在哲學上是一位經驗批判主義者。把物理學中的概念只作為 “作業假說”，只有符號的意義。馬赫是格式塔心理學的先軀，首先提出了心理的格式塔性質，闡明的經驗的整體不只是等於知覺部分的總和。馬赫的主要著作有《感覺的分析》、《能量守恆定律的歷史和根源》、《光學和聲學的研究》、《發展中的力學》、《熱力學原理》、《認識和謬誤》、《物理學和光學原理》 等。
