Gennaio 1925: Wolfgang Pauli annuncia il principio di esclusione
L’anno 1925 è stato un anno importante per la fisica quantistica, a cominciare da L’annuncio di gennaio di Wolfgang Pauli del principio di esclusione. Questo noto principio, che afferma che non possono essere presenti due particelle fermioniche identiche nello stesso stato quantistico, ha fornito per la prima volta una base teorica per la struttura della tavola periodica degli elementi.
Wolfgang Pauli nacque a Vienna nel 1900, lo stesso anno in cui La stessa meccanica quantistica è nata con l’annuncio di Planck dell’idea dei quanti di energia. Il padre di Pauli era un medico e professore di chimica all’Università di Vienna, e il suo padrino era Ernest Mach. Da giovane prodigio, quando si annoiava durante le lezioni, Pauli leggeva i giornali di Einstein sulla relatività. All’età di 20 anni Pauli, allora studente di Arnold Sommerfeld all’Università di Monaco, aveva pubblicato articoli sulla relatività e scritto un articolo di enciclopedia sulla relatività che impressionò molto altri fisici, incluso lo stesso Albert Einstein. Avendo appreso la meccanica classica e la relatività, Pauli rimase sconcertato dalla meccanica quantistica quando venne introdotto da Sommerfeld, e all’inizio trovò l’argomento piuttosto confuso.
Forse a causa della sua genialità, i professori e colleghi di Pauli tollerarono alcuni dei suoi più fastidiosi abitudini, come quella di dormire fino a tardi e di presentarsi raramente alle lezioni prima di mezzogiorno. Era anche estremamente critico e famoso per aver deriso il lavoro poco coerente dei suoi colleghi come “nemmeno sbagliato”. La sua tendenza a criticare spesso spingeva gli altri a chiarire le loro idee. Pauli aveva anche una tale straordinaria propensione a causare incidenti che gli scienziati iniziarono a credere che anche solo averlo vicino al proprio laboratorio significasse il destino per l’esperimento.
Dopo aver ricevuto il dottorato nel 1921 e trascorrendo un po ‘di tempo a Gottinga e poi a Copenaghen, Pauli prese un posto presso l’Università di Amburgo nel 1923. Vi tenne la sua prima conferenza sulla tavola periodica degli elementi, che trovò insoddisfacente perché la struttura del guscio atomico non era compresa. Nel 1913 Bohr aveva proposto che gli elettroni potessero occupare solo certi orbitali quantizzati, ma non sembrava esserci alcun motivo per cui tutti gli elettroni in un atomo non si fossero semplicemente ammassati nell’unico stato di energia più bassa. Non c’era una spiegazione convincente della struttura di la tavola periodica. Pauli aveva anche recentemente lavorato per cercare di spiegare l’anomalo effetto Zeeman, (una conseguenza dello spin dell’elettrone) ed era convinto che i due problemi fossero in qualche modo ow correlati.
Alla fine del 1924, Pauli fece un grande balzo suggerendo l’idea di aggiungere un quarto numero quantico ai tre che furono poi usati per descrivere lo stato quantistico di un elettrone. I primi tre numeri quantici avevano senso fisicamente, poiché si riferivano al movimento dell’elettrone attorno al nucleo. Pauli ha definito la sua nuova proprietà quantistica dell’elettrone “una doppia valenza non descrivibile classicamente”. Subito dopo aver avanzato questa proposta, Pauli si rese conto che poteva portare alla soluzione del problema degli orbitali chiusi.
Poi, nel gennaio 1925, annunciò il principio di esclusione, affermando che due elettroni in un atomo non possono occupare uno stato con gli stessi valori per i quattro numeri quantici. Ogni elettrone doveva trovarsi nel proprio stato unico. Altre possibilità sono escluse.
Il quarto numero quantico proposto da Pauli lasciò perplessi i fisici dell’epoca, perché nessuno poteva spiegarne il significato fisico. Pauli stesso Era turbato dall’idea. Pauli era anche infastidito dal fatto che non poteva dare alcuna spiegazione logica per il principio di esclusione o derivarlo da altre leggi della meccanica quantistica, e rimase insoddisfatto di questo problema. Tuttavia, il principio ha funzionato – spiegava la struttura della tavola periodica ed è essenziale per spiegare altre proprietà della materia.
Più tardi, nel 1925, Samuel Goudsmit e George Uhlenbeck, ispirati dal lavoro di Pauli, interpretarono il fou rth numero quantico come spin dell’elettrone. Pauli originariamente applicava il principio di esclusione per spiegare gli elettroni negli atomi, ma in seguito fu esteso a qualsiasi sistema di fermioni, che hanno spin semi intero, ma non ai bosoni, che hanno spin intero.
Nei due anni successivi all’annuncio di Pauli di il suo principio di esclusione, la nuova meccanica quantistica decollò, con la formulazione di Heisenberg della meccanica delle matrici e la meccanica ondulatoria di Schrödinger, che si basava sull’idea di de Broglie che la materia può avere proprietà ondulatorie.
Nel 1928 Pauli si trasferì a Zurigo. Trascorse del tempo durante la seconda guerra mondiale negli Stati Uniti e tornò a Zurigo dopo la guerra. Nel 1931, Pauli propose l’esistenza di una nuova particella, il neutrino, come soluzione all’apparente mancanza di conservazione dell’energia nel decadimento beta.Dopo i suoi numerosi risultati di ricerca, ha trascorso gran parte dei suoi ultimi anni a pensare alla storia e alla filosofia della scienza.
Pauli ha sempre insistito per avere una spiegazione chiara e coerente di un fenomeno, e si è sempre sforzato di trovare sia una comprensione intuitiva di un esperimento che uno schema matematico rigoroso. Max Born una volta ha commentato che: “Sapevo che era un genio, paragonabile solo a Einstein stesso. Ma era un tipo completamente diverso di uomo, che ai miei occhi, non ha raggiunto la grandezza di Einstein”. Nel 1945 Pauli fu insignito del Premio Nobel per la scoperta del principio di esclusione e morì nel 1958.
