ΤΙ ΕΊΝΑΙ Η FERMI ENERGY;

Send

Όσον αφορά τη φυσική, η έννοια της ενέργειας είναι ένα δύσκολο πράγμα, που υπόκειται σε πολλές διαφορετικές έννοιες και εξαρτάται από πολλά πιθανά περιβάλλοντα. Για παράδειγμα, όταν μιλάμε για άτομα και σωματίδια, η ενέργεια έρχεται σε διάφορες μορφές, όπως ηλεκτρική ενέργεια, θερμική ενέργεια και ελαφριά ενέργεια.

Αλλά όταν κάποιος μπαίνει στον τομέα της κβαντικής μηχανικής, ενός πολύ πιο περίπλοκου και ύπουλου κόσμου, τα πράγματα γίνονται ακόμη πιο δύσκολα. Σε αυτό το πεδίο, οι επιστήμονες βασίζονται σε έννοιες όπως η Fermi Energy, μια έννοια που συνήθως αναφέρεται στην ενέργεια της υψηλότερης καταλαμβανόμενης κβαντικής κατάστασης σε ένα σύστημα φερμίων σε απόλυτη μηδενική θερμοκρασία.

Φερμιόνια:

Οι Fermions πήραν το όνομά τους από τον φημισμένο Ιταλό φυσικό 20ο αιώνα Enrico Fermi. Αυτά είναι υποατομικά σωματίδια που συνήθως σχετίζονται με την ύλη, ενώ τα υποατομικά σωματίδια όπως τα μποζόνια είναι φορείς δύναμης (που σχετίζονται με τη βαρύτητα, τις πυρηνικές δυνάμεις, τον ηλεκτρομαγνητισμό κ.λπ.) Αυτά τα σωματίδια (τα οποία μπορούν να λάβουν τη μορφή ηλεκτρονίων, πρωτονίων και νετρονίων) υπακούουν στον Pauli Αρχή αποκλεισμού, η οποία δηλώνει ότι κανένα δύο φερμόνια δεν μπορεί να καταλάβει την ίδια (ένα σωματίδιο) κβαντική κατάσταση.

Σε ένα σύστημα που περιέχει πολλά φερμιόνια (όπως ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο), κάθε φερμόνιο θα έχει ένα διαφορετικό σύνολο κβαντικών αριθμών. Η ενέργεια Fermi, ως έννοια, είναι σημαντική στον προσδιορισμό των ηλεκτρικών και θερμικών ιδιοτήτων των στερεών. Η τιμή του επιπέδου Fermi στο απόλυτο μηδέν (-273,15 ° C) ονομάζεται ενέργεια Fermi και είναι μια σταθερά για κάθε στερεό. Το επίπεδο Fermi αλλάζει καθώς το στερεό θερμαίνεται και καθώς τα ηλεκτρόνια προστίθενται ή αποσύρονται από το στερεό.

Υπολογισμός ενέργειας Fermi:

Για να προσδιορίσουμε τη χαμηλότερη ενέργεια που μπορεί να έχει ένα σύστημα φερμιονίων (γνωστή και ως τη χαμηλότερη δυνατή ενέργεια Fermi), ομαδοποιούμε πρώτα τις καταστάσεις σε σύνολα με ίση ενέργεια και ταξινομούμε αυτά τα σύνολα αυξάνοντας την ενέργεια. Ξεκινώντας με ένα άδειο σύστημα, στη συνέχεια προσθέτουμε σωματίδια ένα κάθε φορά, γεμίζοντας διαδοχικά τις άδειες κβαντικές καταστάσεις με τη χαμηλότερη ενέργεια.

Όταν όλα τα σωματίδια έχουν τοποθετηθεί, η ενέργεια Fermi είναι η ενέργεια της υψηλότερης κατεχόμενης κατάστασης. Αυτό σημαίνει ότι ακόμα κι αν έχουμε εξαγάγει όλη την πιθανή ενέργεια από ένα μέταλλο με ψύξη σε σχεδόν απόλυτη μηδενική θερμοκρασία (0 kelvin), τα ηλεκτρόνια στο μέταλλο κινούνται ακόμα. Οι γρηγορότεροι κινούνται με ταχύτητα που αντιστοιχεί σε κινητική ενέργεια ίση με την ενέργεια Fermi.

Εφαρμογές:

Η ενέργεια Fermi είναι μια από τις σημαντικές έννοιες της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης. Χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, για την περιγραφή μετάλλων, μονωτών και ημιαγωγών. Είναι μια πολύ σημαντική ποσότητα στη φυσική των υπεραγωγών, στη φυσική των κβαντικών υγρών όπως το ήλιο χαμηλής θερμοκρασίας (τόσο φυσιολογικό όσο και το υπερρευστό 3He), και είναι πολύ σημαντικό για την πυρηνική φυσική και να κατανοήσουμε τη σταθερότητα των λευκών νάνων κατά της βαρυτικής κατάρρευσης .

Με σύγχυση, ο όρος «ενέργεια Fermi» χρησιμοποιείται συχνά για να περιγράψει μια διαφορετική αλλά στενά συνδεδεμένη έννοια, το επίπεδο Fermi (που ονομάζεται επίσης χημικό δυναμικό). Το ενεργειακό και χημικό δυναμικό Fermi είναι το ίδιο στο απόλυτο μηδέν, αλλά διαφέρουν σε άλλες θερμοκρασίες.

Έχουμε γράψει πολλά ενδιαφέροντα άρθρα για την κβαντική φυσική εδώ στο Space Magazine. Εδώ είναι τι είναι το Bohr Atomic Model ;, Quantum Entanglement Explained, What is the Electron Cloud Model, What is the Double Slit Experiment ;, Τι είναι το Loop Quantum Gravity; και ενοποίηση της κβαντικής αρχής - ρέοντας σε τέσσερις διαστάσεις.

Αν θέλετε περισσότερες πληροφορίες για το Fermi Energy, ρίξτε μια ματιά σε αυτά τα άρθρα από το Hyperphysics and Science World.

Καταγράψαμε επίσης ένα ολόκληρο επεισόδιο του Astronomy Cast σχετικά με την Quantum Mechanics. Ακούστε εδώ, επεισόδιο 138: Κβαντομηχανική.

Πηγές: