A fizika vonatkozásában az energia fogalma trükkös dolog, sok különböző jelentéssel bír, és számos lehetséges összefüggéstől függ. Például, amikor atomokról és részecskékről beszélünk, az energia többféle formában jelenik meg, például elektromos energia, hőenergia és könnyű energia.
De amikor belépünk a kvantummechanika területébe, egy sokkal összetettebb és árulékos birodalomba, a dolgok még trükkösebbé válnak. Ebben a birodalomban a tudósok olyan fogalmakra támaszkodnak, mint a Fermi Energia, egy olyan koncepció, amely általában a legjobban elfoglalt kvantumállapot energiájára utal egy fermionok rendszerében abszolút nulla hőmérsékleten.
Fermionok:
A Fermions nevét a 20. századi híres olasz fizikus, Enrico Fermi kapta. Ezek szubatomi részecskék, amelyek általában társulnak az anyaggal, míg a szubatomi részecskék, mint például a boszonok, erőhordozók (a gravitációhoz, a nukleáris erőkhöz, az elektromágnesességhez stb. Kapcsolódnak). Ezek a részecskék (amelyek elektronok, protonok és neutronok formájában is kialakulhatnak) engedelmeskednek a Pauli-nak. A kizárási elv, amely kimondja, hogy két fermion nem foglalhatja el ugyanazt a (egyrészecskés) kvantumállapotot.
Egy olyan rendszerben, amely sok fermiont tartalmaz (mint például egy fém elektronja), minden fermionnak különbözõ kvantumszáma lesz. A fermi energia mint fogalom fontos a szilárd anyagok elektromos és termikus tulajdonságainak meghatározásában. A Fermi-szint nulla abszolút értékét (-273,15 ° C) Fermi-energiának nevezzük, és állandó minden szilárd anyag esetében. A Fermi-szint megváltozik, amikor a szilárd anyag melegszik, és amikor az elektronok hozzáadódnak a szilárd anyaghoz vagy eltávolítják azt.
A Fermi energia kiszámítása:
Annak meghatározása érdekében, hogy a fermionok rendszerének milyen legalacsonyabb energiája lehet (más néven: a lehető legalacsonyabb Fermi energia), először az állatokat egyenlő energiájú halmazokba csoportosítjuk, és ezeket az energiákat az energia növelésével rendezzük. Üres rendszerrel kezdve azután egy-egy részecskéket adunk hozzá, egymás után feltöltve a ki nem vett kvantumállapotokat a legalacsonyabb energiával.
Amikor az összes részecskét behelyezték, a Fermi-energia a legnagyobb foglaltságú energia. Ez azt jelenti, hogy még ha az összes lehetséges energiát kinyertük is egy fémből azáltal, hogy lehűtjük az abszolút nulla hőmérsékletre (0 kelvin), a fémben lévő elektronok továbbra is mozognak. A leggyorsabbak olyan sebességgel haladnak, amely megegyezik a Fermi energiával megegyező kinetikus energiával.
Alkalmazások:
A Fermi energia a kondenzált anyag fizika egyik fontos fogalma. Például fémek, szigetelők és félvezetők leírására szolgál. Nagyon fontos mennyiség a szupravezetők fizikájában, a kvantumfolyadékok, például az alacsony hőmérsékletű hélium (mind normál, mind pedig a szuperfolyadék 3He) fizikájában, és nagyon fontos a nukleáris fizika számára, és megérteni a fehér törpe csillagok stabilitását gravitációs összeomlás ellen. .
Zavarodva, a „Fermi energia” kifejezést gyakran használják egy másik, de szorosan összefüggő fogalom, a Fermi szint leírására (más néven kémiai potenciál). A Fermi energia és kémiai potenciál azonosak abszolút nullánál, de más hőmérsékleteken különböznek.
Sok érdekes cikket írtunk a kvantumfizikáról a Space Magazine-ban. Itt van: Mi a Bohr-atommodell ?, Quantum Entanglement magyarázata, Mi az elektron felhő modell, Mi a dupla résű kísérlet? Mi a Loop Quantum Gravity? és a kvantum elv egyesítése - négy dimenzióban áramlik.
Ha további információt szeretne a Fermi Energy-ről, olvassa el ezeket a hiperfizikai és tudományos világ cikkeit.
A csillagászat teljes epizódját felvettük a Quantum Mechanicsről is. Hallgassa meg itt, 138. rész: Quantum Mechanics.
Forrás:
- Wikipedia - Fermi Energia
- Wikipedia - Fermion
- Encyclopaedia Britannica - Fermi Energy
- Hiperfizika - Fermi szint
