Principe d'exclusion de Pauli

En 1925, Wolfgang Pauli proposa un principe selon lequel les électrons appartenant à un même système ne peuvent pas se trouver simultanément dans le même état quantique. Par la suite, ce principe est généralisé à tout fermion ou particule de spin demi-entier. Les fermions comprennent des particules élémentaires telles que l'électron, le neutrino et les quarks, ainsi que des particules composées telles que les protons, les neutrons et certains noyaux atomiques et atomes. Ce principe devint ensuite un théorème de la mécanique quantique relativiste, élaborée par Paul Dirac en 1930 : les particules de spin demi-entier sont des fermions et elles obéissent à la statistique de Fermi-Dirac, donc au principe d'exclusion de Pauli. Le principe d'exclusion de Pauli décrit le comportement de tous les fermions (particules à spin demi-entier), tandis que les bosons (particules à spin entier) sont soumis à d'autres principes. Les fermions comprennent les particules élémentaires telles que les quarks, les électrons et les neutrinos. Les fermions peuvent être composites, comme les baryons tels que les protons et les neutrons (particules subatomiques composées de trois quarks). Il faut que le spin global soit demi-entier, et que le composite comporte donc un nombre impair de fermions élémentaires. Ainsi, les atomes peuvent avoir un spin global différent, qui détermine s'il s'agit de fermions ou de bosons : par exemple, l'hélium-3 a un spin 1/2 et est donc un fermion, contrairement à l'hélium-4, qui a un spin 0 et est un boson. En tant que tel, le principe d'exclusion de Pauli sous-tend de nombreuses propriétés de la matière quotidienne, de sa stabilité à grande échelle au comportement chimique des atomes. L'expression « spin demi-entier » signifie que la valeur intrinsèque du moment cinétique des fermions est (constante de Planck réduite) fois un demi-entier (1/2, 3/2, 5/2, etc.). Dans la théorie de la mécanique quantique, les fermions sont décrits par des états antisymétriques.