Когда дело доходит до физики, понятие энергии - сложная вещь, подверженная множеству различных значений и зависящая от многих возможных контекстов. Например, когда речь идет об атомах и частицах, энергия приходит в нескольких формах, таких как электрическая энергия, тепловая энергия и световая энергия.
Но когда человек попадает в область квантовой механики, куда более сложного и коварного мира, все становится еще сложнее. В этой области ученые полагаются на такие понятия, как энергия Ферми, понятие, которое обычно относится к энергии самого высокого занятого квантового состояния в системе фермионов при абсолютном нулевом значении температуры.
Фермионы:
Фермионы берут свое имя от знаменитого итальянского физика 20-го века Энрико Ферми. Это субатомные частицы, которые обычно связаны с веществом, тогда как субатомные частицы, такие как бозоны, являются носителями силы (связаны с гравитацией, ядерными силами, электромагнетизмом и т. Д.). Эти частицы (которые могут принимать форму электронов, протонов и нейтронов) подчиняются Паули. Принцип исключения, согласно которому никакие два фермиона не могут занимать одно и то же (одночастичное) квантовое состояние.
В системе, содержащей много фермионов (например, электроны в металле), каждый фермион будет иметь различный набор квантовых чисел. Энергия Ферми, как концепция, важна для определения электрических и тепловых свойств твердых тел. Значение уровня Ферми при абсолютном нуле (-273,15 ° C) называется энергией Ферми и является постоянной величиной для каждого твердого тела. Уровень Ферми изменяется при нагревании твердого тела и при добавлении или удалении электронов из твердого тела.
Расчет энергии Ферми:
Чтобы определить самую низкую энергию, которую может иметь система фермионов (ака. Это самая низкая возможная энергия Ферми), мы сначала группируем состояния в наборы с равной энергией, и упорядочиваем эти множества по возрастанию энергии. Начиная с пустой системы, мы затем добавляем частицы по одной за раз, последовательно заполняя незанятые квантовые состояния самой низкой энергией.
Когда все частицы введены, энергия Ферми является энергией самого высокого занятого состояния. Это означает, что даже если мы извлекли всю возможную энергию из металла, охладив его до температуры, близкой к абсолютному нулю (0 Кельвин), электроны в металле все еще движутся вокруг. Самые быстрые движутся со скоростью, соответствующей кинетической энергии, равной энергии Ферми.
Приложения:
Энергия Ферми является одним из важных понятий физики конденсированного состояния. Он используется, например, для описания металлов, изоляторов и полупроводников. Это очень важная величина в физике сверхпроводников, в физике квантовых жидкостей, таких как низкотемпературный гелий (как нормальный, так и сверхтекучий 3He), и это очень важно для ядерной физики и понимания устойчивости звезд белых карликов к гравитационному коллапсу ,
Смущает, что термин «энергия Ферми» часто используется для описания другой, но тесно связанной концепции, уровня Ферми (также называемого химическим потенциалом). Энергия и химический потенциал Ферми одинаковы при абсолютном нуле, но различаются при других температурах.
Мы написали много интересных статей о квантовой физике здесь, в журнале Space. Вот что такое атомная модель Бора ?, Объясненная квантовая запутанность, Что такое модель электронного облака, Что такое эксперимент с двумя щелями? Что такое петлевая квантовая гравитация? и Объединение квантового принципа - протекающего в четырех измерениях.
Если вам нужна дополнительная информация о Fermi Energy, ознакомьтесь с этими статьями из Hyperphysics and Science World.
Мы также записали целую серию Astronomy Cast, посвященную квантовой механике. Послушайте, Эпизод 138: Квантовая Механика.
Источники:
- Википедия - Ферми Энерджи
- Википедия - Фермион
- Энциклопедия Британика - Ферми Энерджи
- Гиперфизика - уровень Ферми
