El principio de exclusión de Pauli contribuye a explicar y a entender tanto la estructura como las propiedades químicas que poseen los átomos.
Principio de exclusión de Pauli es la denominación que recibe un contenido vinculado al ámbito de la mecánica cuántica. En el nombre de dicha expresión se alude al apellido de un físico teórico de origen austríaco ya que fue él, un hombre llamado Wolfgang Pauli que obtuvo las ciudadanías suiza y estadounidense, quien en 1925 lo formuló.
Esta regla, señalada como una derivación de un teorema focalizado en la correspondencia entre estadística y espín, indica que en un mismo sistema cuántico no es posible registrar un par de fermiones que posea un estado cuántico idéntico entre sí (es decir, con igualdad en materia de números cuánticos).
Según se advierte al repasar la evolución que ha ido experimentando este razonamiento, el principio de exclusión de Pauli nació como explicación respecto a la estructura del átomo y a cómo se organiza la tabla periódica. En ese entonces marcaba una restricción en cuanto a la ubicación de electrones en distintos estados cuánticos. Con el tiempo se llegó a diferenciar entre fermiones (para los cuales sí se aplica el principio de Pauli) y bosones (partículas para las cuales no encuadra dicho principio dado que poseen espín entero).
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ResumenHistoria del principio de exclusión de Pauli
La historia de la formulación del principio de exclusión de Pauli se inició una vez que Wolfgang Ernst Pauli se puso a investigar con el propósito de explicar tanto ciertos números del modelo atómico de Bohr como también consecuencias experimentales asociadas al efecto Zeeman en el fenómeno catalogado como ferromagnetismo y en la espectroscopia atómica.
Sus análisis y deducciones consiguieron un impulso inspirador en un trabajo que salió a la luz en 1924 teniendo como autor al físico teórico de nacionalidad inglesa Edmund Clifton Stoner. En base a esa obra, Pauli planteó la idea de, si los estados de electrones quedan definidos en función de dos pares de números cuánticos, identificarlos a partir de un electrón para cada estado. En ese contexto propuso un nuevo número cuántico basado en dos valores que George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit bautizaron como espín del electrón. Sus hallazgos y aportes científicos, en especial la formulación de la regla de exclusión, le valieron recibir un Premio Nobel de Física en 1945.
Por el principio de exclusión de Pauli los neutrones se degeneran y surge una presión que detiene la contracción del núcleo de una estrella de neutrones antes de dar paso a un agujero negro.
Aplicaciones
El universo cuántico se entiende mejor gracias al principio de exclusión de Pauli, el cual posee una amplia variedad de aplicaciones.
Este contenido contribuye a comprender cómo pueden mantenerse en equilibrio las estrellas de neutrones y está implicado en la configuración electrónica de los átomos. Asimismo, influye en determinadas propiedades que caracterizan a elementos en estado sólido. En este marco no se puede dejar de señalar la existencia de orbitales moleculares formando, tanto en conductores como en semiconductores, una estructura de bandas de energía. En los metales (elementos clasificados como conductores fuertes), se advierte una marcada degeneración de electrones.
Está presente, de igual modo, en la estabilidad conseguida en sistemas que involucran a numerosos nucleones y electrones.
El principio de exclusión de Pauli es clave para, por ejemplo, comprender el orden que tienen los elementos dentro de la tabla periódica.
Experimentos vinculados al principio de exclusión de Pauli
A lo largo de los años se han ido llevando a cabo experimentos vinculados al principio de exclusión de Pauli, tanto para ratificarlo como para confirmar sus alcances o demostrar eventuales o posibles violaciones.
Temporadas atrás se puso en marcha en suelo italiano, específicamente en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, por ejemplo, un proyecto de interés internacional que recibió la denominación de experimento VIP2. El desafío de este plan ha sido rastrear estados cuánticos nuevos en los cuales se advierta, en un estado de carácter antisimétrico, algún elemento simétrico. Los datos recolectados han apuntado a propiciar el análisis de espectros de energía en zonas donde se podría esperar una violación de las transiciones entre estados considerados «prohibidos».
Se ha investigado, por otra parte, un efecto derivado del principio de exclusión de Pauli que se identificó como «bloqueo de Pauli» evidenciado al enfriarse los átomos. Aprovechándolo podría llegar a hacerse realidad el sueño que mucha gente tiene en relación a la chance de inventar una capa que asegure la invisibilidad de la materia (es decir, de objetos).
Un grupo de físicos, por describir otro hecho relevante a modo descriptivo, ha trabajado con una computadora cuántica con el objetivo de conseguir mayores precisiones en torno a cómo se comportan a nivel cuántico los electrones en moléculas. En ese escenario se constituyeron varios estados cuánticos en los cuales muy ocasionalmente se detectan violaciones respecto a las restricciones de Pauli. Y al anunciarse oficialmente los resultados de esa investigación se indicó que fue a inicios de los años ’70 cuando se pudieron confirmar en el plano teórico las restricciones más simples haciendo uso en IBM de un equipo informático clásico. Estos hallazgos modernos, consideraron los expertos, servirán para mejorar la eficiencia de los cálculos cuánticos y para diseñar esquemas más precisos que se centren en la corrección de errores, algo clave en pos de sacarle el máximo provecho posible a las computadoras cuánticas.
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