Jeśli chodzi o fizykę, pojęcie energii jest podchwytliwe, ma wiele różnych znaczeń i zależy od wielu możliwych kontekstów. Na przykład, mówiąc o atomach i cząsteczkach, energia występuje w kilku formach, takich jak energia elektryczna, energia cieplna i energia światła.
Ale kiedy wejdzie się w dziedzinę mechaniki kwantowej, o wiele bardziej złożonej i zdradzieckiej rzeczywistości, sprawy stają się jeszcze trudniejsze. W tej dziedzinie naukowcy opierają się na takich pojęciach, jak Fermi Energy, koncepcja, która zwykle odnosi się do energii o najwyższym zajętym stanie kwantowym w układzie fermionów w temperaturze absolutnie zerowej.
Fermiony:
Fermiony biorą swoją nazwę od słynnego włoskiego fizyka XX wieku Enrico Fermi. Są to cząstki subatomowe, które zwykle są związane z materią, podczas gdy cząstki subatomowe, takie jak bozony, są nośnikami siły (związanymi z grawitacją, siłami jądrowymi, elektromagnetyzmem itp.) Cząstki te (które mogą przybrać formę elektronów, protonów i neutronów) są posłuszne Pauli Zasada wyłączenia, która stwierdza, że żadne dwa fermiony nie mogą zajmować tego samego (kwantowego) stanu kwantowego.
W systemie zawierającym wiele fermionów (takich jak elektrony w metalu) każdy fermion będzie miał inny zestaw liczb kwantowych. Energia Fermiego, jako koncepcja, jest ważna w określaniu właściwości elektrycznych i termicznych ciał stałych. Wartość poziomu Fermiego przy zera absolutnym (-273,15 ° C) nazywa się energią Fermiego i jest stała dla każdego ciała stałego. Poziom Fermiego zmienia się, gdy ciało stałe jest ogrzewane, a elektrony są dodawane do ciała stałego lub z niego usuwane.
Obliczanie energii Fermi:
Aby określić najniższą energię, jaką może mieć system fermionów (czyli też najniższą możliwą energię Fermiego), najpierw grupujemy stany w zestawy o równej energii i porządkujemy je, zwiększając energię. Zaczynając od pustego układu, dodajemy cząsteczki pojedynczo, kolejno wypełniając niezajęte stany kwantowe najniższą energią.
Po umieszczeniu wszystkich cząstek energia Fermiego jest energią o najwyższym zajętym stanie. Oznacza to, że nawet jeśli pobraliśmy całą możliwą energię z metalu przez schłodzenie go do temperatury zbliżonej do absolutnej zera (0 kelwinów), elektrony w metalu nadal się poruszają. Najszybsze poruszają się z prędkością odpowiadającą energii kinetycznej równej energii Fermiego.
Aplikacje:
Energia Fermiego jest jedną z ważnych koncepcji fizyki materii skondensowanej. Służy na przykład do opisywania metali, izolatorów i półprzewodników. Jest to bardzo ważna ilość w fizyce nadprzewodników, w fizyce cieczy kwantowych, takich jak hel niskotemperaturowy (zarówno normalny, jak i nadciekły 3He), i jest to bardzo ważne dla fizyki jądrowej i zrozumienia stabilności gwiazd białego karła przed zapadaniem grawitacyjnym .
Mylące jest to, że termin „energia Fermiego” jest często używany do opisania innej, ale ściśle powiązanej koncepcji, poziomu Fermiego (zwanego również potencjałem chemicznym). Energia i potencjał chemiczny Fermiego są takie same przy absolutnym zera, ale różnią się w innych temperaturach.
W Space Magazine napisaliśmy wiele interesujących artykułów na temat fizyki kwantowej. Oto co to jest model atomowy Bohra ?, wyjaśnienie splątania kwantowego, co to jest model chmury elektronowej, co to jest eksperyment z podwójną szczeliną ?, co to jest grawitacja kwantowa w pętli? i ujednolicenie zasady kwantowej - płynąca wzdłuż czterech wymiarów.
Jeśli chcesz uzyskać więcej informacji na temat Fermi Energy, zapoznaj się z tymi artykułami z Hyperphysics and Science World.
Nagraliśmy też cały odcinek Astronomy Cast o mechanice kwantowej. Posłuchaj tutaj, odcinek 138: Mechanika kwantowa.
Źródła:
- Wikipedia - Fermi Energy
- Wikipedia - Fermion
- Encyklopedia Britannica - Fermi Energy
- Hiperfizyka - poziom Fermiego
