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볼프강 파울리

파울리 배타 원리는 볼프강 파울리가 제창한 양자 역학적 원리이다.

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오스트리아의 물리학자인 볼프강 파울리는 1924년 핵에 전자를 더할 때 채워질 수 있는 상태를 알아내는 규칙을 발견했다. 이 규칙은 파울리 배타 원리로 알려져 있다. 그것은 처음에는 경험적인 규칙으로 인식되었으나, 나중에 새로 발견된 양자역학 원리의 결과로 밝혀졌다.

파울리 배타 원리는 4개의 양자수로 이루어진 N개의 집합에서 어느 2개도 완전히 똑같을 수 없다는 규칙으로 표현될 수 있다. 원소의 유리된 원자에서 이 원리를 분석해보자. 이 원리는 분자에서 전자의 작용을 조절하고, 화학결합의 에너지와 고체에서 전자의 작용을 통제하는 데 매우 중요할 뿐 아니라, 특히 어떤 고체가 금속이거나 반도체 또는 절연체인지를 결정하는 데 아주 중요하다. 양자역학에서 파울리 원리의 기초는 동등축퇴(equivalence degeneracy)라 불리는 슈뢰딩거 방정식의 성질이다. 이것은 원자에서 N개의 전자 각각은 질량, 전하, 다른 기본성질이 모두 똑같다는 데 기인한다. 그러므로 슈뢰딩거 방정식은 어느 2개 전자의 교환에 대해 불변이다. 결국 서로 다른 양자수들의 N개 집합은 N개의 전자에 순서를 바꾸어 이루어지는 N!의 가지수로 구성될 수 있다. 서로 다른 교환의 여러 선형조합의 결과로 나온 파동함수도 슈뢰딩거 방정식의 해이다. 이러한 가능성 가운데 완전한 반대칭인 것이 언제나 1개 존재한다. 반대칭이란 두 전자를 바꾸면 부호가 바뀌는 것을 말한다. 이 경우 어떤 두 전자의 양자수가 모두 똑같으면 파동함수는 존재하지 않게 된다. 그러므로 파울리 배타 원리가 성립되는 경험적 사실은 전자의 계에서 생기는 파동함수는 완전히 반대칭이라는 것을 의미한다. 파동함수가 완전히 반대칭인 입자를 페르미온(fermion)이라 하고 페르미­디랙 통계를 따른다고 말한다. 전자 외에 양성자나 중성자도 페르미온으로 알려져 있다.