Prinsip Pengecualian Pauli (dirumuskan oleh Wolfgang Pauli) adalah aturan emas dalam mekanika kuantum yang mengatur perilaku Fermion (partikel materi, seperti elektron) dan merupakan alasan mengapa materi memiliki struktur dan stabilitas.

1. Prinsip Pengecualian Pauli

Prinsip ini menyatakan bahwa:

Tidak ada dua elektron dalam satu atom yang boleh memiliki keempat bilangan kuantum ($n, l, m_l, m_s$) yang sama.

• Implikasi: Karena dua elektron dapat memiliki tiga bilangan kuantum pertama ($n, l, m_l$) yang sama (berada dalam orbital yang sama), mereka harus memiliki bilangan kuantum spin ($m_s$) yang berbeda.
• Kapasitas Orbital: Konsekuensi paling mendasar adalah bahwa satu orbital hanya dapat diisi oleh maksimal dua elektron, dan kedua elektron tersebut harus memiliki spin yang berlawanan (satu spin-up, $m_s = +1/2$; satu spin-down, $m_s = -1/2$).

Mengapa Penting?

Prinsip Pauli adalah alasan utama mengapa atom memiliki volume, struktur, dan mengapa materi padat tidak dapat menembus satu sama lain. Tanpa prinsip ini, semua elektron akan jatuh ke tingkat energi terendah, dan semua materi akan menyusut menjadi titik tunggal (lubang hitam mini).

2. Spin Elektron (Bilangan Kuantum $m_s$)

Konsep spin muncul dari eksperimen dan diperlukan untuk menjelaskan perilaku elektron, meskipun spin bukanlah “putaran” fisik literal seperti planet.

• Sifat Intrinsik: Spin adalah properti kuantum fundamental dan intrinsik dari elektron, mirip dengan massa atau muatan, yang tidak dapat dihilangkan.
• Momentum Sudut Internal: Spin merepresentasikan momentum sudut internal partikel.
• Nilai Diskrit: Untuk elektron, spin hanya dapat memiliki dua nilai diskret:
  • $m_s = +\frac{1}{2}$ (biasa disebut “spin up” $\uparrow$)
  • $m_s = -\frac{1}{2}$ (biasa disebut “spin down” $\downarrow$)

3. Klasifikasi Partikel: Fermion vs. Boson

Prinsip Pauli membagi partikel alam semesta menjadi dua kelas besar berdasarkan nilai spinnya:

Kategori	Spin	Contoh	Prinsip yang Diikuti
Fermion	Spin setengah-integer (1/2, 3/2, 5/2, …)	Elektron, Kuark, Proton, Neutron	Mematuhi Prinsip Pengecualian Pauli. (Partikel materi)
Boson	Spin integer (0, 1, 2, …)	Foton, Boson W/Z, Gluon, Higgs	Tidak mematuhi Prinsip Pauli. (Partikel pembawa gaya); dapat menempati keadaan kuantum yang sama.

---

Konfigurasi Elektron dan Aturan Hund

Prinsip Pauli, dikombinasikan dengan aturan energi, menentukan cara pengisian orbital, yang dikenal sebagai Konfigurasi Elektron.

1. Aturan Pengisian Orbital (Aufbau Principle)

Elektron mengisi orbital mulai dari tingkat energi terendah ke tingkat energi tertinggi.

2. Aturan Hund (Hund’s Rule)

Aturan ini menjelaskan bagaimana elektron mengisi orbital dengan tingkat energi yang sama (orbital degenerate, misalnya, tiga orbital $p$).

Inti Aturan Hund: Ketika mengisi orbital dengan energi yang sama, elektron akan menempati orbital secara individual dengan spin paralel (satu arah) sebanyak mungkin, sebelum mulai berpasangan.

• Tujuan: Meminimalkan tolakan Coulomb (tolakan antar muatan sejenis) dengan memisahkan elektron sejauh mungkin di orbital yang berbeda, sambil memaksimalkan efek kuantum dari spin paralel.
• Contoh (Nitrogen, $2p^3$): Elektron akan mengisi orbital $2p$ dengan spin $\uparrow$ di setiap orbital ($2p_x, 2p_y, 2p_z$) sebelum ada yang berpasangan.