januari 1925: Wolfgang Pauli kondigt het uitsluitingsprincipe aan

Het jaar 1925 was een belangrijk jaar voor de kwantumfysica, te beginnen met Wolfgang Pauli’s aankondiging van het uitsluitingsprincipe in januari. Dit bekende principe, dat stelt dat geen twee identieke fermiondeeltjes zich in dezelfde kwantumtoestand kunnen bevinden, leverde voor het eerst een theoretische basis voor de opbouw van het periodiek systeem der elementen.

Wolfgang Pauli werd geboren in Wenen in 1900, hetzelfde jaar dat de kwantummechanica zelf werd geboren met Plancks aankondiging van het idee van de energiekwanta. Pauli’s vader was een arts en hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Wenen, en zijn peetvader was Ernest Mach. Als een jong wonderkind las Pauli, als hij zich tijdens de les verveelde, Einsteins relativiteitstheorie. Op 20-jarige leeftijd had Pauli, toen een student van Arnold Sommerfeld aan de Universiteit van München, artikelen over relativiteit gepubliceerd en een encyclopedieartikel over relativiteit geschreven dat grote indruk maakte op andere natuurkundigen, waaronder Albert Einstein zelf. Na de klassieke mechanica en de relativiteitstheorie te hebben geleerd, was Pauli van streek door de kwantummechanica toen hij er door Sommerfeld aan werd geïntroduceerd, en aanvankelijk vond hij het onderwerp nogal verward.
Mogelijk vanwege zijn genialiteit tolereerden Pauli’s professoren en collega’s enkele van zijn meer vervelende gewoonten, zoals zijn gewoonte om extreem laat te slapen en zelden voor de middag op te komen voor lezingen. Hij was ook buitengewoon kritisch en beroemd omdat hij het minder dan coherente werk van zijn collega’s bespotte als ‘niet eens fout’. Zijn neiging om kritiek te leveren, spoorde anderen vaak aan om hun ideeën te verduidelijken. Pauli had ook zo’n verbazingwekkende neiging om ongelukken te veroorzaken dat wetenschappers begonnen te geloven dat zelfs het feit dat hij dicht bij iemands laboratorium kwam, een ondergang betekende voor het experiment.
Na het behalen van zijn doctoraat in 1921 en enige tijd in Göttingen en vervolgens in Kopenhagen, nam Pauli in 1923 een positie aan de Universiteit van Hamburg in. Hij gaf daar zijn eerste lezing over het periodiek systeem der elementen, wat hij onbevredigend vond omdat de atomaire schilstructuur niet begrepen werd. In 1913 had Bohr voorgesteld dat elektronen alleen bepaalde gekwantiseerde orbitalen konden bezetten, maar er leek geen reden te zijn waarom alle elektronen in een atoom zich niet gewoon in de ene laagste energietoestand verdrongen. Er was geen overtuigende verklaring voor de structuur van het periodiek systeem. Pauli had onlangs ook geprobeerd om het afwijkende Zeeman-effect (een gevolg van elektronenspin) te verklaren en was ervan overtuigd dat de twee problemen een of andere ow gerelateerd.

Eind 1924 maakte Pauli een grote sprong door het idee voor te stellen om een vierde kwantumgetal toe te voegen aan de drie die vervolgens werden gebruikt om de kwantumtoestand van een elektron te beschrijven. De eerste drie kwantumgetallen waren fysiek logisch, omdat ze verband hielden met de beweging van het elektron rond de kern. Pauli noemde zijn nieuwe kwantumeigenschap van het elektron een “tweewaardigheid die niet klassiek kan worden beschreven”. Kort nadat hij dit voorstel had gedaan, realiseerde Pauli zich dat dit zou kunnen leiden tot de oplossing van het probleem van de gesloten orbitalen.
Toen kondigde hij in januari 1925 het uitsluitingsprincipe aan en stelde dat geen twee elektronen in een atoom een toestand kunnen innemen met dezelfde waarden voor de vier kwantumgetallen. Elk elektron moest in zijn eigen unieke staat zijn. Andere mogelijkheden zijn uitgesloten.
Pauli’s voorgestelde vierde kwantumgetal bracht natuurkundigen destijds in verwarring, omdat niemand de fysieke betekenis ervan kon verklaren. Pauli zelf had last van het idee. Pauli had ook last van het feit dat hij geen logische verklaring kon geven voor het uitsluitingsprincipe of het niet kon afleiden uit andere wetten van de kwantummechanica, en hij bleef ongelukkig over dit probleem. Niettemin werkte het principe – het verklaarde de structuur van het periodiek systeem en is essentieel voor het verklaren van andere eigenschappen van materie.
Later in 1925 interpreteerden Samuel Goudsmit en George Uhlenbeck, geïnspireerd door Pauli’s werk, de fou rde kwantumgetal als de spin van het elektron. Pauli paste oorspronkelijk het uitsluitingsprincipe toe om elektronen in atomen te verklaren, maar later werd het uitgebreid naar elk systeem van fermionen, die een halve gehele spin hebben, maar niet naar bosonen, die een gehele spin hebben.
In de twee jaar na Pauli’s aankondiging van zijn uitsluitingsprincipe, de nieuwe kwantummechanica, nam een vlucht, met Heisenbergs formulering van matrixmechanica en Schrödingers golfmechanica, die was gebaseerd op de Broglie’s idee dat materie golfachtige eigenschappen kan hebben.
In 1928 verhuisde Pauli naar Zürich. Hij bracht tijd door tijdens de Tweede Wereldoorlog in de Verenigde Staten en keerde na de oorlog terug naar Zürich. In 1931 stelde Pauli het bestaan van een nieuw deeltje voor, de neutrino, als oplossing voor het schijnbare gebrek aan energiebehoud bij bèta-verval.Na zijn vele onderzoeksresultaten bracht hij een groot deel van zijn latere jaren door met nadenken over de geschiedenis en filosofie van de wetenschap.
Pauli stond er altijd op om een duidelijke en samenhangende verklaring van een fenomeen te hebben, en streefde altijd naar zowel een intuïtief begrip van een experiment als een rigoureus wiskundig schema. Max Born merkte ooit op: “Ik wist dat hij een genie was, vergelijkbaar met Einstein zelf. Maar hij was een heel ander type man, die in mijn ogen Einsteins grootheid niet bereikte.” In 1945 ontving Pauli de Nobelprijs voor de ontdekking van het uitsluitingsprincipe en stierf in 1958.