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파울리 배타원리 : 당신이 붕괴되지 않는 이유이다.(Pauli Exclusion Principle: Why You Don't Implode) 목록

조회 : 6147 | 2005-12-22


파울리의 배타원리 [Pauli's principle] : 다수의 전자(電子)를 포함하는 계(系)에서 2개 이상의 전자가 같은 양자상태(量子狀態)를 취하지 않는다는 법칙. 배타율(排他律)이라고도 한다. 1924년 W.파울리에 의해 발견되었다. 이 원리를 바탕으로 원자의 전자껍질구조 개념이 확립되었다. 원자 내 전자의 상태는 보통 주양자수 ·자기양자수 ·스핀양자수에 의해 결정되는데, 이 원리에 따르면 전자는 모든 양자수가 같은 상태를 취할 수 없으므로 하나의 양자궤도(量子軌道)에는 반대의 스핀을 가지는 2개의 전자만 들어가며, 그 밖의 전자에는 준위(準位)가 다른 양자궤도가 할당되어, 전체적으로 껍질구조를 결정하게 된다. 원자 내 전자배열을 결정하는 원리로서, 이를 이용해 N.H.D.보어 등은 수소에서 우라늄에 이르는 전체 원소의 원자모형을 만드는 데 성공하였다. 또한 원자 상호간의 화학적 친화력이나 원자가(原子價) 등 그 때까지 경험적으로만 알고 있던 원자의 여러 성질을 이론적으로 설명할 수 있게 되었다. 이 원리가 적용되는 입자에는 전자 외에 양성자 ·중성자 ·중성미자(뉴트리노), 그리고 이들 입자가 홀수 개 결합한 복합체(複合體)가 있으며, 일반적으로 반정수의 스핀을 가지는 입자는 모두 이 원리를 따르지만, 정수의 스핀을 가지는 입자에는 적용되지 않는다. 입자 집단의 통계적 취급이라는 견지에서 분류하면, 전자(前者)는 페르미-디랙통계, 후자는 보스-아인슈타인통계에 따르게 되므로 각각 페르미온(페르미입자) ·보존(보스입자)이라고도 한다.






왜 물질은 붕괴되어 한 덩어리가 되지 않는가? 그것은 파울리 배타 원리 때문이다. 이 원리가 중성자별과 백색 왜성이 붕괴되는 것, 사람들이 붕괴되는 것을 막고 일반적인 물질들이 빈 공간에 존재할 수 있도록 만든다. 파울리 배타원리란 페르미온(fermion) -- 기본 물질의 한 종류 -- 은 같은 시각에 같은 위치에 존재할 수 없다는 원리이다. 기본 물질의 다른 종류인 보존(boson)은 이 파울리 배타원리를 따르지 않기 때문에, 최근 실험적으로 성공한 보즈-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensate)과 같은 현상을 보인다. 최근에, 파울리 배타원리가 두 리튬 동위원소 전자구름을 통해 시각적으로 시연되었다. 왼쪽 사진은 보존으로 구성된 전자구름이고, 오른쪽 사진은 페르미온으로 구성된 전자구름이다. 온도를 충분히 낮추면, 보존은 하나로 뭉치지만, 페르미온은 적당한 거리를 항상 유지한다. 왜 파울리 배타원리가 성립하는 지, 그리고 이 원리의 물리학적 한계는 어디인지는 아직 알려지지 않았다.








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