Що стосується фізики, то поняття енергії - це хитра річ, підпорядкована багатьом різним значенням і залежить від багатьох можливих контекстів. Наприклад, якщо говорити про атоми та частинки, енергія надходить у декількох формах, таких як електрична енергія, теплова енергія та світлова енергія.
Але коли людина потрапляє у сферу квантової механіки, куди більш складної та підступної сфери, справи стають ще складнішими. У цій царині вчені спираються на такі поняття, як енергія Фермі - концепція, яка зазвичай стосується енергії найбільшого зайнятого квантового стану в системі ферміонів при абсолютній нульовій температурі.
Ферміони:
Ферміони взяли своє ім'я від відомого італійського фізика 20 століття Енріко Фермі. Це субатомні частинки, які зазвичай пов'язані з речовиною, тоді як субатомні частинки, подібні бозонам, є носіями сили (пов'язані з гравітацією, ядерними силами, електромагнетизмом тощо). Ці частинки (які можуть мати форму електронів, протонів і нейтронів) підкоряються Паулі Принцип виключення, в якому йдеться про те, що жодна дві ферміони не можуть займати однаковий (одночастинковий) квантовий стан.
У системі, що містить багато ферміонів (як електрони в металі), кожен ферміон матиме різний набір квантових чисел. Енергія Фермі, як концепція, має важливе значення при визначенні електричних і теплових властивостей твердих тіл. Значення рівня Фермі при абсолютному нулі (-273,15 ° C) називається енергією Фермі і є постійною для кожного твердого тіла. Рівень Фермі змінюється в міру нагрівання твердого тіла і при додаванні або вилученні з твердого речовини електронів.
Розрахунок енергії Фермі:
Щоб визначити найнижчу енергію, яку може мати система ферміонів (т.к. це найменша енергія Фермі), ми спочатку групуємо стани в набори з однаковою енергією і впорядковуємо ці множини, збільшуючи енергію. Починаючи з порожньої системи, ми додаємо частинки по одному, послідовно заповнюючи незайняті квантові стани з найменшою енергією.
Коли всі частинки поміщені, енергія Фермі - це енергія найвищого зайнятого стану. Це означає, що навіть якщо ми витягли всю енергію з металу, охолоджуючи її до майже абсолютної нульової температури (0 кельвін), електрони в металі все ще рухаються навколо. Найшвидші рухаються зі швидкістю, що відповідає кінетичній енергії, рівній енергії Фермі.
Заявки:
Енергія Фермі - одне з важливих понять фізики конденсованої речовини. Він використовується, наприклад, для опису металів, ізоляторів та напівпровідників. Це дуже важлива кількість у фізиці надпровідників, у фізиці квантових рідин, таких як гелій низької температури (як нормальний, так і надлишковий 3He), і це дуже важливо для ядерної фізики та розуміння стійкості білих карликових зірок проти гравітаційного колапсу. .
Конфузно, що термін "енергія Фермі" часто використовується для опису іншого, але тісно пов'язаного з цим поняття, рівня Фермі (його також називають хімічним потенціалом). Енергія та хімічний потенціал Фермі однакові при абсолютному нулі, але відрізняються при інших температурах.
Ми написали багато цікавих статей про квантову фізику тут, у журналі «Космічний журнал». Ось що таке атомна модель Бора ?, пояснено квантове заплутування, що таке електронна хмара, що таке експеримент з подвійною щілиною ?, що таке квантова гравітація циклу? і об'єднавши квантовий принцип - протікаючи в чотирьох вимірах.
Якщо вам потрібна додаткова інформація про Fermi Energy, ознайомтеся з цими статтями з Hyperphysics and Science World.
Ми також записали цілий епізод астрономічної ролі про квантову механіку. Слухайте тут, Епізод 138: Квантова механіка.
Джерела:
- Вікіпедія - Fermi Energy
- Вікіпедія - Ферміон
- Енциклопедія Британіка - Fermi Energy
- Гіперфізика - рівень Фермі
