不相容原理

1922年泡利取得博士学位后，开始研究反常塞曼效应2。根据碱金属和惰性气体的原子光谱所积累的大量经验资料，泡利写了一篇文章《原子内的电子群与光谱的复杂结构》，并于1924年12月12日寄给了玻尔。在这篇文章中，泡利提出了后来闻名于世的“不相容原理”（exclusion principle）。当时泡利认为自己的提法太抽象，所以还拿不定主意。但哥本哈根的反应还不错，玻尔还鼓励他发表这篇文章，于是泡利将这篇文章发表于1925年3月21日出版的《物理杂志》上。在这篇文章里，泡利把不相容原理明确表示为：

在一个原子中，不可能存在两个或更多的等价电子，它们在强外磁场中的所有量子数：n，K1，K2和m1都相同。若在外磁场中，原子中一个电子的这些量子数都有确定的值，那么，由这些量子数所表征的那个（状）态就被“占满”了。

说简单一点，不相容原理可以表述为：在一个原子中，任何两个在核外轨道上运动的电子，不可能有完全相同的4个量子数。物理学家为了对在轨道上运动的电子进行描述，一般用4个“量子数”（quantum number），例如泡利说的n，K1，K2和m1，以及现在使用的n，ℓ，ml，ms。每一个在轨道上运动的电子的量子数都是独一无二、彼此不同的，而且是“排他的”。这样，每一个电子进驻了一个轨道上的位置以后（即占有了确定的4个量子数），其他电子就不能再“挤进来”。这样就可以避免所有的电子都挤进能量最低的轨道上去，而是“对号入座”地各就各位，一层一层地在核外壳层上由里向外地排列整齐。

泡利由于提出了不相容原理，后来获得了1945年的诺贝尔物理学奖。

泡利和夫人到斯德哥尔摩去领诺贝尔奖。

泡利不相容原理提出以后，玻尔预期的目的之一——准确解释门捷列夫元素周期律—就顺利完成。这在当时来说，的确是一个非同小可的胜利，物理学家们都为此欢欣鼓舞。但有一个问题仍然没有得到解决。泡利在不相容原理中指出，描述原子中的电子除已经有的和大家认可的三个量子数以外，还需要第四个量子数。由这四个量子数所确定的定态，只能为一个电子所具有，也就是说，在一个原子中不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。但是，这第四个量子数到底应该怎样从物理意义上加以解释呢？以前的三个量子数都可以在经典物理学中得到解释，而唯独这第四个量子数使人们感到玄妙莫测，泡利为此亦颇感沮丧。他当时只能说，这第四个量子数是“一种经典方法无法描述的、电子的量子理论特性中的二值性”。所谓“二值性”是说第四个量子数只有两个值，其绝对值相等，而符号相反，例如+1/2和—1/2（见上面表中的量子数）。泡利十分强调“经典方法无法描述”这一点，他根本不相信第四个量子数会像前三个量子数那样，有经典力学的解释。他认为第四个量子数反映了一种“非力学的Zwang（应力）”。

但是事情出乎他的意料。

资料链接：四个量子数