Herkesin Korktuğu Keskin Dilli Fizikçi Wolfgang Pauli Ve Pauli Dışlama İlkesi

Teorik fiziğin tarihi, delilik ile dahilik arasında gidip gelen eksantrik kişiliklere sahip ilginç karakterlerle doludur. Bu kişilerden birisi de Avusturyalı teorik fizikçi Wolfgang Pauli’dir


Wolfgang Pauli (1900-1958) 20. yüzyılın en parlak bilim insanlarından biri sayılan Avusturyalı bir teorik fizikçiydi. Çalışmaları ve keşifleri, kuantum mekaniği ve parçacık fiziği alanında birçok açıklama ve teorik çerçevenin geliştirilmesinde önemli bir rol oynadı.


1920’ler, evreni anlayışımızda bir devrime sahne oldu. Bu, Avrupa’nın çeşitli bölgelerinden genç ve parlak bir neslin yeni kuantum mekaniği teorisini keşfettiği, bilim tarihinde büyüleyici bir dönemdi. Bu kişilerin isimleri, geliştirdikleri fikirler ve teorilerle aynıdır.

Örneğin Niels Bohr (Bohr Atom Modeli), Wemer Heisenberg (Heisenberg Belirsizlik İlkesi), Erwin Schrödinger (Schrödinger Denklemi), Enrico Fermi (fermiyonlar) ile ölümsüzleşmiştir. Bu kişilerden birisi de zamanın en zeki bilim insanlarından olarak tanınan Wolfgang Pauli’dir. Günümüzde onun adını da Pauli dışlama ilkesi ile anımsıyoruz.


Enrico Fermi, Wolfgang Pauli ve Werner Heisenberg, Eylül 1927’deki Volta Konferansı sırasında Como Gölü’nde (Amaldi Arşivi, Sapienza Üniversitesi, Roma).


Pauli, 1921’de 21 yaşındayken görelilik ile ilgili yazdığı ve Einstein’a bile teorisi hakkında birkaç şey öğreten kitabıyla bilim dünyasına bomba gibi düşmüştü. Dobralığıyla -ya da küstah ve kibirli olmasıyla (fizikçiler bu konuda ikiye ayrılmışlardı)- ünlü Pauli, bir derste ayağa kalkarak kim olduğuna ve itibarına bakmaksızın dersi anlatan kişiye tamamen saçmaladığını söylemekten çekinmeyecek kadar da pervasızdı. Bu nedenle de etrafında keskin dilli fizikçi olarak tanınmaya başlanmıştı.


Heisenberg, Sommerfeld’in enstitüsünde öğrenci olur olmaz Wolfang Pauli ile tanıştı. Pauli daha üst sınıflardaydı ve Heisenberg’in akıl hocası oldu. Sonucunda yakın arkadaşlıkları 1958’de Pauli’nin ölümüne dek sürdü.


Wolfgang Pauli, abartılı egosuna rağmen yirminci yüzyıl fiziğinin en büyük isimlerindendi. Temel gerçeklik anlayışımıza yaptığı birçok katkının yanı sıra, 1930’da nötrinonun varlığını öngördü. Ancak onun en önemli katkısı ve 1945 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü almasını sağlayan şey adı ile anılan dışlama ilkesi olacaktı.

Pauli Dışlama İlkesi Nedir?
Herhangi bir nesnenin neden yapıldığını araştırmak isterseniz, onu giderek daha küçük parçalara ayırabilirsiniz. Sonucunda tüm canlılar hücrelerden, hücreler de atomlardan oluşur. Atomların kendileri de atom çekirdeğine ve elektronlara parçalanabilir. Son olarak, atom çekirdeklerini de kendilerini oluşturan temel parçacıklara ayırmak olasıdır. Peki bu bileşen parçacıkları nasıl oluyor da gördüğümüz, bildiğimiz ve etkileşime girdiğimiz her şeyi oluşturuyor? Bu soruya cevap Wolfgang Pauli tarafından verilecekti.


Mikroskobik bir parçacığın hem konumundan hem de hızından asla emin olamazsınız. Bir parçacığın konumunu tahmin edebilmek için bir deney düzenlemek mümkündür.. Ama hiçbir deneyi hem konumundan hem de hızından emin olacak şekilde düzenleyemezsiniz. Her ne kadar adında ilke kelimesi yer alsa da aslında ilk olarak Heisenberg’in ortaya koyduğu bulgu bir sonuçtur.


Çoğumuz kuantum mekaniğini düşündüğümüzde, en küçük ölçeklerdeki tuhaf ve mantık dışı şeyleri düşünürüz. Heisenberg belirsizliği ya da Schrödinger’in kedisini aklımıza getiririz. Ancak, iki özdeş fermiyonun aynı sistemde aynı tam kuantum durumunu işgal edemeyeceğini belirten Pauli dışlama ilkesini pek bilmeyiz.

Pauli dışlama ilkesi, kuantum mekaniğinde, bir atomun yörüngelerinden herhangi birini neden yalnızca sınırlı sayıda elektronun işgal edebildiğini açıklayan bir kuraldır. Hiçbir özdeş parçacık çifti aynı anda aynı kuantum durumunu işgal edemez. Bu prensip kuantum teorisinde temel bir rol oynar ve fermiyonlar (örn. elektronlar, protonlar ve nötronlar) için geçerlidir ancak bozonlar (örn. fotonlar) için geçerli değildir.


İki elektron aynı kuantum durumunda olamaz. Diğer bir deyişle elektronlar antisosyal parçacıklardır ve birbirlerinden uzak dururlar. Her elektronun spini ½’dir. İkinci bir elektron eklediğinizde, aynı dönüşe sahip olabilir. Ancak bu -½’lik ters yönde olacaktır. Bu şekilde 1s yörüngesine iki elektron sığdırabilirsiniz. Bundan sonra dolar ve üçüncü bir elektron eklemeye başlamak için bir sonraki enerji seviyesine gitmeniz gerekir.


Pauli Dışlama İlkesinin sonuçlarından biri, eğer iki elektron bir atomda ya da molekülde çift oluşturmuşsa ve aynı enerjiye sahipse o zaman bu iki elektronun spininin birbirine zıt olması gerektiğidir.

Pauli Dışlama İlkesi Neden Önemlidir?
Aynı orbitalde iki elektrondan fazlasına müsaade etmeyen Pauli dışlama ilkesi, atomların birbirlerinden farklı olmasının nedenidir. Bu ilke olmasaydı, bir atomun temel (en düşük enerji) durumunu doldurabilecek elektron sayısında bir sınır olmayacaktı. Sonucunda bu durumda, en düşük enerji yörüngesi — her atomdaki 1s yörüngesi — elektronları içeren tek yörünge olacaktı ve her atomun doğasında bulunan elektronların tümünü içerecekti.


Elektronlar bir atom içinde farklı enerji seviyelerini işgal eder. Yani bir enerji seviyesi “dolu” hale geldiğinde, elektronlar bir sonraki mevcut seviyeye geçmek zorundadır. Görselde bir elektronun betimlemesini görüyorsunuz.


Pauli Dışlama İlkesi, tüm elektronların aynı en düşük enerji (temel) durumuna düşmesini engeller. Bize birden fazla özdeş fermiyonu aynı kuantum durumuna koyamayacağımızı söyler.


Sonucunda elektronlar kendilerine özgü kuantum özelliklerinin (kütle, yük, lepton sayısı vb.) yanı sıra içinde bulundukları duruma özgü kuantum özelliklerine de sahiptirler.


Pauli dışlama ilkesi her bir atoma kendi benzersiz yapısını veren şeydir. Atomlarımıza daha fazla sayıda elektron ekledikçe, hepsine bir yer bulmak için daha yüksek enerji seviyelerine, daha büyük açısal momentumlara ve giderek daha karmaşık yörüngelere sahip olmamız gerekir. Bu sayede de periyodik tablodaki her bir atom, diğerlerinden farklı bir elektron konfigürasyonuna sahip olur.

Bir elementin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirleyen en dış kabuklardaki elektronların özellikleri olduğundan, her bir atomun oluşturabildiği kendine özgü atomik, iyonik ve moleküler bağ kümeleri vardır. Bu nedenle de birbirine ne kadar benzerse benzesin iki farklı elementten oluşan yapılar aynı olamaz.

Sonuç olarak
Pauli Dışlama İlkesine sahip olmasaydık, Evrenimiz son derece farklı olurdu. Bu durumda her atom hidrojenle hemen hemen aynı özelliklere sahip olurdu. Bunun sonucu olarak da yaşamın yapı taşları olan karbon bazlı organik bileşiklerin ortaya çıkması imkansız olurdu. Richard Feynman’ın dediği gibi, “Masaları ve katı olan diğer her şeyi mümkün kılan, elektronların hepsinin üst üste gelememesidir. “