Απαγορευτική αρχή του Πάουλι

Η απαγορευτική αρχή του Πάουλι είναι μια από τις σημαντικότερες αρχές της κβαντικής μηχανικής και της σύγχρονης ατομικής θεωρίας· διατυπώθηκε το 1925 από τον αυστριακό φυσικό Βόλφγκανγκ Πάουλι (Wolfgang Pauli). Σύμφωνα με αυτή, είναι αδύνατο να υπάρξουν στο ίδιο άτομο ή σύμπλεγμα ατόμων πάνω από δύο ηλεκτρόνια στην ίδια ενεργειακή στάθμη. Επιπλέον, αν δύο ηλεκτρόνια βρίσκονται στην ίδια ενεργειακή στάθμη υποχρεωτικά έχουν αντίθετο σπιν. Με την έννοια συμπλεγμα ατόμων εννοείται το σύνολο των ατόμων στο οποίο ανήκουν από κοινού κάποια ηλεκτρόνια, όπως στο μόριο και το μεταλλικό πλέγμα.

Η ανακάλυψη αυτή υπήρξε αρκετά σημαντική καθώς επέτρεψε την εξήγηση φαινομένων που δεν μπορούσαν να εξηγηθούν από την κλασική μηχανική. Επίσης εξηγεί τη δομή των ηλεκτρονικών στιβάδων, το οποίο αποτελεί μία από τις βάσεις για το σχηματισμό του Περιοδικού πίνακα.

Η αρχή αυτή για ένα άτομο ισοδυναμεί με την πρόταση ότι σε κάθε ηλεκτρόνιο αντιστοιχεί ακριβώς μία τετράδα κβαντικών αριθμών n, l, m_l , m_s. Η απαγορευτική αρχή του Πάουλι καθορίζει δηλαδή οτι σε κάθε ατομικό τροχιακό μπορούν να τοποθετηθούν εως 2 ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλα spin. Επίσης καθορίζει τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων που μπορούν να τοποθετηθούν σε μια στιβάδα και σε μια υποστιβάδα. Μαζί με τον κανόνα του Hund και την αρχή της ελάχιστης ενέργειας αποτελεί τη βάση της ηλεκτρονιακής δομής των ατόμων.

Σε ένα πλέγμα πολλών, ίσως δισεκατομμυρίων ατόμων, ίσως κάποια ηλεκτρόνια να ανήκουν σε όλα τα άτομα. Σε αυτήν την περίπτωση τα τροχιακά αλληλοκαλύπτονται διαδοχικά, ώστε να διατρέχουν όλο το σώμα. Πρακτικά το υλικό απαρτίζεται από κατιόντα τα οποία επιπλέουν σε μια θάλασσα ελεύθερων ηλεκτρονίων. Η απαγορευτική αρχή επιβάλλει τη διαφοροποίηση των ενεργειακών σταθμών των ηλεκτρονίων. Έτσι, οι ενεργειακές στάθμες των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι πάρα πολλές και ένα ηλεκτρόνιο με ελάχιστη προσφορά ή πρόσληψη ενέργειας μπορεί να μεταβεί από τη μία στάθμη στην άλλη, ώστε πλέον να γίνεται λόγος για ενεργειακή ζώνη αντί για διακριτές ενεργειακές στάθμες.