三
谁让泡利嘴损呢，别人给他起的绰号不老少，这里还有一个——“原子家政管理官”，就是我们现在的物业管理公司的管理员吧，不过他是专管分配住房的。
为了叙述方便，我们提前揭秘泡利的第四个量子数，即“二值性”。这个数现在叫“自旋角动量”。还拿行星打比喻，它绕日公转有一个“轨道角动量”，它自己的自转有一个“自旋角动量”。这个量子数同样是具有空间量子化特征的，它要求电子的自旋只有二个方向，一是顺时针旋转，称“自旋向上”，一是逆时针旋转，称为“自旋向下”，所以只能取二个值：±1/2（半整数）。因此这个量子数称“自旋磁量子数”，符号“ms”。（图9.4）
图9.4 量子自旋
有了四外量子数，每一个量子（电子或其他基本粒子）的身份就被界定清楚并且彼此区分，就像我们住旅舍必须填写姓名、性别、年龄和国籍一样，有了这几项指标，每一个旅客都是独一无二的。由这四个量子数标注的一个量子，就叫一个“量子态”。
有一点必须说明，否则我会挨泡利骂的。看看这几个量子数，什么“轨道”呀，“自旋”呀，你头脑里一定会出现一幅经典图像：一个或多个电子呼啸着围绕原子核公转，同时还嘀溜溜地自转。千万别这样想，或者可以这样想像，但不要这样认为。因为无论是“公转”还是“自转”，我们都是观察不到的。取这种名，只能说是一种“假借”，取这些量，只能说是一种“对应”，就是说，量子力学中对应经典力学的量，真正的理解必须“转译”为量子力学的语言。当然这只是个原则要求，咱们还是悄悄地降低对自己的要求吧，反正泡利鞭长莫及。
现在我们来看泡利这个“原子家政管理官”所颁布的“物业管理条例”——“不相容原理”吧——
为建立原子大厦内部电子的活动的秩序，维护原子世界的繁荣稳定，经审慎研究，特制定住房分配规则如下，必须严格施行：
第一条：按照电子入住的次序先后，先入住者必须居于最低的楼层（能级），该层住满后，方可且必须居于下一最低楼层（能级）；
第二条：在同一楼层（能级）里，不得居住四个量子数完全相同（即量子态完全相同）的两个及两个以上电子。
完了？完了。多么优美的法律！简单明了，蕴含丰富，概念准确，边界清晰，可操作性强。就这么简简单单二条，把大千原子世界治理得井井有条，把门捷列夫的化学元素周期表之“所以然”讲得一清二楚。如果我告诉你泡利的“不相容原理”实际上就是第二条，正是这条解决了所有电子都挤在最低能级的问题，一句话搞定一个世界，你是不是更得把泡利崇拜死了？
看几个“管理”实例，帮助大家理解泡利“物业管理条例”——“不相容原理”吧：
最简单的原子——氢。原子核只有一个质子，需俘获一个电子形成一个中性原子，这个电子自然入住最低的能级轨道，即基态。在这条轨道上，主量子数n＝1，轨道角动量l＝0，磁量子数ml＝0，自旋磁量子数ms＝±1/2。这就意味着，氢原子的外层轨道有二个房间，一个可住自旋向上的电子（ms＝＋1/2），另一个住自旋向下的电子（ms＝－1/2）。现在有一个带着自旋向上电子的氢原子，路遇一个带着自旋向下电子的氢原子，这二个原子的外轨就二轨并一轨，二间房间，二个自旋相反的电子一人住一间，就形成了一个化学上的“共价键”，二个电子共同接受二个原子核的领导（束缚），就形成了一个稳定的氢分子H2。我们就明白了，为什么氢元素化学性质活泼，因为外层轨道有一空房间邀请一个异性的电子入住。
第二号元素氦，二个质子二个电子，要求二个电子自旋方向必须相反，一上一下，一男一女，同性恋在我们的原子世界中是“不相容”的。n＝1这条轨道的二间房间就住满了，这叫作形成一个“满壳”，对外挂牌“住房已满，谢绝入住”。所以氦是一种惰性气体，化学性质很不活泼，属于那种闷头闷脑，形单影只，走路看报，撞中电线杆还说“对不起”的家伙。
第三号元素锂，三个质子三个电子，头二个电子先住进了第一层，第三个电子也死乞白赖地要住进第一层，但它很快就发现，无论它自旋向上，还是自旋向下，都会导致跟已住进去的两个电子中的一个相同。说明这一层已经形成了满壳，第三个电子就只能往上住第二层。第二层分s区和p区，必须先住s区。这2s层(区)， n＝2， l＝0，ml＝0，自旋磁量子数ms＝±1/2。这就意味着，锂原子的外层轨道有二个房间，可住二个自旋相反的电子，现在住了一间，空着一间。所以锂的化学性质与氢一样活泼，比如可以形成一个稳定的锂分子Li2.
第十号元素氖，十个质子十个电子，其中二个电子把第一层住满，形成一个满壳，又二个电子住满2s层(区)，又形成一个满壳，剩下六个住第二层p区，这2p层(区)， n＝2，l＝1，ml＝0、±1，自旋磁量子数ms＝±1/2。这就意味着最高的2p层(区)有六个房间，刚好被剩下的6个电子住满，又形成一个满壳。所以氖的化学性质与氦相似，也是隋性气体。
如果觉得这些实例过于繁杂枯燥，跳过去就是了，只要记住那两条“物管条例”就行。
随着原子核质子数的增加，核外电子的数量也渐次增加，但原子的性质并非随之单值变化，一条道走到黑；而是随着原子核电量的增加，电子在泡利无形的指挥棒的指挥下，一个个有序地进入指定位置，电子根据自己的身份对号入座，由低而高，外层电子数量的周期性变化决定了化学性质的周期性变化，每当外层轨道“满壳”，就完成一个“周期”，化学性质又“而今迈步从头越”。如此我们的世界才不致单调沉闷，而是丰富多彩，音色饱满，抑扬顿挫。核外电子的排布，是个很庞大的系统工程，其既需要内部的逻辑严整，每一步都要自然导出，又要外部经验适宜，跟我们的观察对得上号。这么一个宏大的工程，靠的就是四个量子数和一个不相容原理，其建构的过程是如此的流畅，建构出来的体系是如此的完美，那就是巧夺天工、鬼斧神工。泡利还有什么不满意的？记得吗？1925年5月海森堡见到的泡利，还哀叹“物理学太难了”，并扬言要去当喜剧演员。
因为这个体系还不够纯粹，不符合“最少最多原则”，不符合科学审美。由于还没有量子力学自己的公理体系，没有自己独立的语言系统，这个理论内部，充满了太多的猜测和假设，根据经验观察，结合量子概念，对应经典物理，凭着天才的洞察力和系统化能力把概念和关系一个个“建立”起来。这样的工作，艰苦而庞杂，绝对是对智力极限的挑战，非凡人所能为。但工作的成果却缺乏合法性和成就感，像鸡生下了鹅蛋似的令人惶惶难安。泡利是科学完美主义者，他希望在理论中驱逐一切经典的遗迹，建造纯粹的量子形式，这个时候，确实是太难太难啦！所以我们现在应该能够理解，为什么海森堡的矩阵力学会给泡利带来如此巨大的欣喜，以至觉得物理学又有了希望，生活又有了乐趣——他终于有希望找到可以生下“不相容原理”这只鸡蛋的母鸡啦！
还有最重要的一点：第四个量子数——“二值性”，现在还没有物理解释呢。
补丁9.1 电子排布与分子合成
氢(H)、氦（He）、氧（O）、镁（Mg）、氖（Ne)和氩（Ar）原子的电子排布。
两个原子间通过共价键而化合为氢（H2）、氟（F2）、氢化氟（HF）和氮（N2）分子。
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