تويت
يعود هذا المبدأ للعالم «فولفغانغ باولي»، الحائز على جائزة نوبل فى الفيزياء عام 1945م.
وقد قدم العديد من الإنجازات في مجال فيزياء الكم، ومن أهم ما قدمه هو مبدأ باولي للاستبعاد، ذلك عام 1925، بعد أن استغرق في إعداده حوالي 15 عام تقريبًا.
ينص هذا المبدأ على “أنه لا يمكن لاثنين من الفيرميونات، أن يحتلا نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت، وهي أي حالة ممكنة ومحتملة يمكن أن يكون فيها النظام الكمي.
فالفيرميونات تنقسم إلى مجموعتين الليبتونات كالإلكترونات، ومجموعة الكوركات التي تكون كل من البروتونات والنيترونات.
فالفيرميونات هي التي تخضع لهذا المبدأ لامتلاكها 1/2 عدد صحيح مغزلي، على عكس البوزونات التي لا تخضع لهذا المبدأ كفوتونات الضوء، لأن عددها المغزلي يساوي صفر.
ولكن قبل أن نغوص في أعماق موضوعنا عن مبدأ الاستبعاد، دعني أوضح لك ماهي أعداد الكم الأربعة.
هي أربعة أعداد توضح لنا حالة الإليكترون أثناء دورانه حول نواة الذرة، فعدد الكم الرئيسي ُيرمز له بالرمز (n).
ويوضح لنا هذا العدد طاقة المدار الذي يدور فيه الإليكترون حول النواة، فهناك مدار يستوعب اليكترونين فقط، وهناك آخر يستوعب أربعة اليكترونات.
أما عدد الكم المغزلي، فيرمز له بالرمز (s)، ويوضح لنا أن كل جُسيم دون ذري، مثل الإلكترون يحمل شحنة ما، يدور حول محوره، فقد يدور هذا الجُسيم حول محوره في اتجاه عقارب الساعة أو عكسها.
وهنا يأتي دور عدد الكم المغزلي، ليحدد لنا في أي اتجاه يتحرك هذا الجُسيم، فإذا كان الجُسيم يدور حول محوره في اتجاه عقارب الساعة فنضيف قبل قيمته إشارة ( + ).
وإن كان يدور عكس عقارب الساعة نُضيف إشارة ( – ).
بينما عدد الكم المداري، يُرمز له بالرمز (l)، وهو العدد الذي يوضح شكل مدار الإليكترون، حول نواة الذرة، فإما أن يتخذ الشكل الدائري، أو شكل القطع الناقص، و أخيرا عدد الكم المغناطيسي الذي يُرمز له بالرمز (m)، وهو العدد الذي يحدد عدد المدارات التي يمكن أن يتخذه الإليكترون حول نواة الذرة.
فيُخبرنا هذا المبدأ أنه لا يمكن لإلكترونين في ذرة واحدة أن يمتلكا نفس الأعداد الكمية الأربعة؛ فمثلًا إن كان n، وl، وm متشابهين بين إلكترونين أو أكثر.
فيجب أن يكون العدد الكمي الرابع مختلف أي أن يحمل قيمة مختلفة، وهذا يعني أن كل منهم يدور فى اتجاه معاكس للآخر.
كما نرى ذرة الهيليوم تحتوي على زوج من الالكترونات، يحمل كل منهما عدد كمي مختلف عن الآخر من الأعداد الكمية الأربعة، أي أن s يحمل قيمة مختلفة في الالكترونين، والالكترونان يدور كل منهما في اتجاه معاكس للآخر.
فإن حمل أحدهما عدد مغزلي = 1/2+ , يجب أن يحمل الآخر عدد مغزلي = 1/2- .
ولقد ساعد هذا المبدأ على تفسير العديد من الظواهر الفيزيائية، من أهمها توضيح الشكل البنائي للذرة، وكيفية مشاركتها للإلكترونات، وتفسير تعددية العناصر الكيميائية فى الجدول الدوري ومكوناتها.
وبالتالي استخدم ذلك علماء الفضاء ليعرفوا ما الذي يجري داخل الأجسام الفضائية وخاصة النجوم النيتروجينية والأقزام البيضاء.
كما أنها توضح لنا لماذا الذرة أكثر استقرارا في الفلزات وأشباه الفلزات، ولماذا تميل الذرة إلى امتلاك عدد زوجي من الإلكترونات، وتباعا لمبدأ باولي للاستبعاد، ففي حالة وجود اثنين من الجُسيمات المتطابقة تحت تأثير القوى المغناطيسية الشديدة، في محاولة لاكتساب نفس الأعداد الكمية.
فإنهما سينفران القوى نحو الخارج، وهذا يُسمى « تنافر باولي »، وهذا ما يحدث فى نوع من الأقزام البيضاء تُسمىdegenerate white dwarf .
لذلك يعتبر مبدأ باولي للاستبعاد، واحد من أهم مبادئ فيزياء الكم، لأن الجُسيمات التي تتكون منها المادة العادية، هي الفيرميونات المتمثلة في الالكترونات والبروتونات والنيوترونات.
وقد قدم العديد من الإنجازات في مجال فيزياء الكم، ومن أهم ما قدمه هو مبدأ باولي للاستبعاد، ذلك عام 1925، بعد أن استغرق في إعداده حوالي 15 عام تقريبًا.
ينص هذا المبدأ على “أنه لا يمكن لاثنين من الفيرميونات، أن يحتلا نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت، وهي أي حالة ممكنة ومحتملة يمكن أن يكون فيها النظام الكمي.
فالفيرميونات تنقسم إلى مجموعتين الليبتونات كالإلكترونات، ومجموعة الكوركات التي تكون كل من البروتونات والنيترونات.
فالفيرميونات هي التي تخضع لهذا المبدأ لامتلاكها 1/2 عدد صحيح مغزلي، على عكس البوزونات التي لا تخضع لهذا المبدأ كفوتونات الضوء، لأن عددها المغزلي يساوي صفر.
ولكن قبل أن نغوص في أعماق موضوعنا عن مبدأ الاستبعاد، دعني أوضح لك ماهي أعداد الكم الأربعة.
هي أربعة أعداد توضح لنا حالة الإليكترون أثناء دورانه حول نواة الذرة، فعدد الكم الرئيسي ُيرمز له بالرمز (n).
ويوضح لنا هذا العدد طاقة المدار الذي يدور فيه الإليكترون حول النواة، فهناك مدار يستوعب اليكترونين فقط، وهناك آخر يستوعب أربعة اليكترونات.
أما عدد الكم المغزلي، فيرمز له بالرمز (s)، ويوضح لنا أن كل جُسيم دون ذري، مثل الإلكترون يحمل شحنة ما، يدور حول محوره، فقد يدور هذا الجُسيم حول محوره في اتجاه عقارب الساعة أو عكسها.
وهنا يأتي دور عدد الكم المغزلي، ليحدد لنا في أي اتجاه يتحرك هذا الجُسيم، فإذا كان الجُسيم يدور حول محوره في اتجاه عقارب الساعة فنضيف قبل قيمته إشارة ( + ).
وإن كان يدور عكس عقارب الساعة نُضيف إشارة ( – ).
بينما عدد الكم المداري، يُرمز له بالرمز (l)، وهو العدد الذي يوضح شكل مدار الإليكترون، حول نواة الذرة، فإما أن يتخذ الشكل الدائري، أو شكل القطع الناقص، و أخيرا عدد الكم المغناطيسي الذي يُرمز له بالرمز (m)، وهو العدد الذي يحدد عدد المدارات التي يمكن أن يتخذه الإليكترون حول نواة الذرة.
فيُخبرنا هذا المبدأ أنه لا يمكن لإلكترونين في ذرة واحدة أن يمتلكا نفس الأعداد الكمية الأربعة؛ فمثلًا إن كان n، وl، وm متشابهين بين إلكترونين أو أكثر.
فيجب أن يكون العدد الكمي الرابع مختلف أي أن يحمل قيمة مختلفة، وهذا يعني أن كل منهم يدور فى اتجاه معاكس للآخر.
كما نرى ذرة الهيليوم تحتوي على زوج من الالكترونات، يحمل كل منهما عدد كمي مختلف عن الآخر من الأعداد الكمية الأربعة، أي أن s يحمل قيمة مختلفة في الالكترونين، والالكترونان يدور كل منهما في اتجاه معاكس للآخر.
فإن حمل أحدهما عدد مغزلي = 1/2+ , يجب أن يحمل الآخر عدد مغزلي = 1/2- .
ولقد ساعد هذا المبدأ على تفسير العديد من الظواهر الفيزيائية، من أهمها توضيح الشكل البنائي للذرة، وكيفية مشاركتها للإلكترونات، وتفسير تعددية العناصر الكيميائية فى الجدول الدوري ومكوناتها.
وبالتالي استخدم ذلك علماء الفضاء ليعرفوا ما الذي يجري داخل الأجسام الفضائية وخاصة النجوم النيتروجينية والأقزام البيضاء.
كما أنها توضح لنا لماذا الذرة أكثر استقرارا في الفلزات وأشباه الفلزات، ولماذا تميل الذرة إلى امتلاك عدد زوجي من الإلكترونات، وتباعا لمبدأ باولي للاستبعاد، ففي حالة وجود اثنين من الجُسيمات المتطابقة تحت تأثير القوى المغناطيسية الشديدة، في محاولة لاكتساب نفس الأعداد الكمية.
فإنهما سينفران القوى نحو الخارج، وهذا يُسمى « تنافر باولي »، وهذا ما يحدث فى نوع من الأقزام البيضاء تُسمىdegenerate white dwarf .
لذلك يعتبر مبدأ باولي للاستبعاد، واحد من أهم مبادئ فيزياء الكم، لأن الجُسيمات التي تتكون منها المادة العادية، هي الفيرميونات المتمثلة في الالكترونات والبروتونات والنيوترونات.