Principe d'exclusion de Pauli
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Vous avez de En 1923, Wolfgang Pauli proposa un principe selon lequel les fermions (particules de spin semi-entier telles que les électrons, protons ou neutrons), ne peuvent pas se trouver au même endroit dans le même état quantique.
Ce principe devint un théorème en mécanique quantique relativiste, inventée par Dirac en 1930 : les particules de spin demi-entiers sont des fermions et obéissent à la statistique de Fermi-Dirac, donc au principe d'exclusion de Pauli.
L'état quantique d'une particule est défini par des « nombres quantiques ». Le principe d'exclusion interdit à tout fermion appartenant à un système de fermions d'avoir les même nombres quantiques qu'un autre fermion du système. Par exemple, dans l'atome, les électrons sont caractérisés par les nombres correspondant aux lettres n, l, m et ms : si un électron a la combinaison (1, 0, 0, ½), il est nécessairement le seul.
Cela limite donc le nombre d'électrons par couche : dans la première couche caractérisée par n=1, (l=0, donc m=0), il n'y a que 2 possibilités, correspondant aux états ms=±½ ; cette couche ne peut donc accepter que deux électrons. De même, dans la seconde couche caractérisée par n=2, l vaut 0 ou 1 ; pour l=0, m=0 et pour l=1, m=-1, 0 ou 1 ; on a alors 4 possibilités et pour chacune, ms=±½, donc la seconde couche peut accepter huit électrons. Et ainsi de suite.
En astrophysique, l'effondrement d'étoiles à neutrons qui demande aux neutrons un même mouvement, donc une même énergie, est limité par le principe d'exclusion qui explique en partie la cohésion de ces étoiles mortes extrêmement massives qui normalement devraient s'effondrer sous l'effet de la gravitation. Cependant, lorsque l'étoile est trop massive, le principe d'exclusion ne tient plus et alors l'étoile s'effondre en un trou noir.
La version relativiste de la physique quantique prévoit l'existence de niveaux d'énergie négative : le principe d'exclusion permet d'expliquer pourquoi toutes les particules ne disparaissent pas toutes dans ces niveaux-là (car toute particule tend à aller vers l'état d'énergie le plus bas possible) si l'on considère comme le fit Dirac que tous les états d'énergie sont occupés. Ils ne peuvent donc pas être habités par d'autres fermions identiques.
Les particules indiscernables de spin entier satisfont à la statistique de Bose-Einstein et n'ont pas à satisfaire le principe d'exclusion de Pauli. Au contraire, on observera un comportement "grégaire".
Enfin, il existe des situations (particulièrement à deux dimensions), où l'on peut introduire des anyons, qui ne sont ni des fermions, ni des bosons.
D'autre part la supersymétrie quantique associe à tout boson son supersymétrique fermion : ainsi au graviton , boson de spin 2, devrait être associé un gravitino de spin 3/2 : en 2006, on n'a aucune trace expérimentale de cette supersymétrie.
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