Füüsikast rääkides on energia mõiste keeruline, allutatud paljudele erinevatele tähendustele ja sõltuv paljudest võimalikest kontekstidest. Näiteks aatomitest ja osakestest rääkides on energiat mitmel kujul, näiteks elektrienergia, soojusenergia ja valguse energia.
Kuid kui sattuda kvantmehaanika valdkonda, palju keerukamasse ja reetlikumasse valdkonda, muutuvad asjad veelgi keerukamaks. Selles valdkonnas tuginevad teadlased sellistele mõistetele nagu Fermi energia - kontseptsioon, mis tavaliselt viitab absoluutse nulltemperatuuri juures fermioonide süsteemi kõrgeima hõivatud kvantoleku energiale.
Fermioonid:
Fermioonid võtsid oma nime kuulsast 20. sajandi itaalia füüsikust Enrico Fermi. Need on subatomilised osakesed, mis on tavaliselt seotud ainega, samas kui subatomilised osakesed nagu bosonid on jõu kandjad (seotud gravitatsiooni, tuumajõudude, elektromagnetilisusega jne). Need osakesed (mis võivad esineda elektronide, prootonite ja neutronite kujul) alluvad Paulile Välistamispõhimõte, mis väidab, et kaks fermiooni ei saa hõivata sama (ühe osakese) kvant olekut.
Süsteemis, mis sisaldab paljusid fermione (näiteks metalle elektronides), on igal fermioonil erinev kvantarvude komplekt. Fermi energia kui kontseptsioon on oluline tahkete ainete elektriliste ja termiliste omaduste määramisel. Fermi taseme väärtust absoluutsel nullil (-273,15 ° C) nimetatakse Fermi energiaks ja see on iga tahke aine konstant. Fermi tase muutub, kui tahke aine soojendatakse ja kui tahkele ainele lisatakse või eemaldatakse elektronid.
Fermi energia arvutamine:
Fermioonide süsteemi väikseima energia (ehk väikseima võimaliku Fermi energia) määramiseks rühmitame olekud esmalt võrdse energiaga komplektidesse ja järjestame need komplektid energia suurendamise teel. Alustades tühja süsteemiga, lisame osakesi ükshaaval, täites järjestikku hõivamata kvantseisundid madalaima energiaga.
Kui kõik osakesed on sisse pandud, on Fermi energia kõige hõivatud oleku energia. See tähendab, et isegi kui oleme metallist kogu võimaliku energia eraldanud, jahutades selle absoluutse nullini lähedale (0 kelvinit), liiguvad metalli elektronid ikkagi ringi. Kiiremad liiguvad kiirusega, mis vastab kineetilisele energiale, mis on võrdne Fermi energiaga.
Rakendused:
Fermi energia on kondenseerunud aine füüsika üks olulisi mõisteid. Seda kasutatakse näiteks metallide, isolaatorite ja pooljuhtide kirjeldamiseks. See on ülijuhtide füüsikas, kvantvedelike füüsikas nagu madala temperatuuriga heelium (nii normaalne kui ka ülivedelik 3He), väga oluline kogus ning tuumafüüsika jaoks ja valgete kääbustähtede stabiilsuse mõistmiseks gravitatsioonilise kokkuvarisemise korral on see üsna oluline. .
Segadusttekitavalt kasutatakse terminit „Fermi energia” sageli erineva, kuid tihedalt seotud mõiste, Fermi taseme (seda nimetatakse ka keemiliseks potentsiaaliks) kirjeldamiseks. Fermi energia ja keemiline potentsiaal on absoluutse nulli korral ühesugused, kuid muudel temperatuuridel erinevad.
Oleme siin ajakirjas Space Magazine kirjutanud palju huvitavaid artikleid kvantfüüsika kohta. Siit saate teada, mis on Bohri aatomimudel? Quantum Entanglement selgitatud, Mis on elektronpilve mudel, mis on topeltpiluga katse ?, Mis on silmuse kvantgravitatsioon? ja kvantprintsiibi ühendamine - voolab mööda nelja dimensiooni.
Kui soovite lisateavet Fermi Energy kohta, lugege neid hüperfüüsika ja teadusmaailma artikleid.
Samuti oleme salvestanud terve episoodi astronoomialavastustest, mis käsitlevad kvantmehaanikat. Kuulake siin, episood 138: Quantum Mechanics.
Allikad:
- Vikipeedia - Fermi energia
- Vikipeedia - Fermion
- Entsüklopeedia Britannica - Fermi Energy
- Hüperfüüsika - Fermi tase
