Når det gjelder fysikk, er energibegrepet en vanskelig ting, underlagt mange forskjellige betydninger og avhengig av mange mulige sammenhenger. Når vi for eksempel snakker om atomer og partikler, kommer energi i flere former, for eksempel elektrisk energi, varmeenergi og lysenergi.
Men når man kommer inn i kvantemekanikkens felt, et langt mer sammensatt og forrædersk rike, blir ting enda vanskeligere. I dette riket stoler forskere på begreper som Fermi Energy, et konsept som vanligvis refererer til energien til den høyeste okkuperte kvantetilstanden i et system med fermioner ved absolutt null temperatur.
Fermioner:
Fermions tar navnet sitt fra den berømte italienske fysikeren fra det 20. århundre Enrico Fermi. Dette er subatomære partikler som vanligvis er assosiert med materie, mens subatomære partikler som bosoner er kraftbærere (assosiert med tyngdekraft, kjernekrefter, elektromagnetisme, etc.) Disse partiklene (som kan ha form av elektroner, protoner og nøytroner) adlyder Pauli Utelukkelsesprinsipp, som sier at ingen to fermioner kan okkupere den samme (en-partikkel) kvantetilstanden.
I et system som inneholder mange fermioner (som elektroner i et metall), vil hver fermion ha et annet sett kvantetall. Fermienergi, som konsept, er viktig for å bestemme de elektriske og termiske egenskapene til faste stoffer. Verdien av Fermi-nivået ved absolutt null (-273,15 ° C) kalles Fermi-energien og er en konstant for hvert faststoff. Fermi-nivået endres etter hvert som det faste stoffet varmes opp og når elektroner tilsettes eller tas ut av det faste stoffet.
Beregning av Fermi Energy:
For å bestemme den laveste energien et system av fermioner kan ha (også kjent. Det er lavest mulig Fermi-energi), grupperer vi først delstatene i sett med lik energi, og bestiller disse settene ved å øke energien. Fra og med et tomt system legger vi deretter til partikler om gangen, og fyller fortløpende de ubesatte kvantetilstander med lavest energi.
Når alle partiklene er satt inn, er Fermi-energien energien i den høyest okkuperte tilstanden. Hva dette betyr er at selv om vi har hentet ut all mulig energi fra et metall ved å avkjøle det til nær absolutt nulltemperatur (0 kelvin), beveger elektronene seg fortsatt rundt. De raskeste beveger seg med en hastighet som tilsvarer en kinetisk energi lik Fermienergien.
Applikasjoner:
Fermi-energien er et av de viktige begrepene fysikk i kondensert stoff. Det brukes for eksempel for å beskrive metaller, isolatorer og halvledere. Det er en veldig viktig mengde i fysikken til superledere, i fysikken til kvantevæsker som lavtemperatur-helium (både normal og overflødig 3He), og det er ganske viktig for kjernefysikken og å forstå stabiliteten til hvite dvergstjerner mot gravitasjonskollaps .
Forvirrende brukes ofte “Fermi energy” for å beskrive et annet, men nært beslektet konsept, Fermi-nivået (også kalt kjemisk potensial). Fermi-energien og det kjemiske potensialet er det samme med absolutt null, men avviker ved andre temperaturer.
Vi har skrevet mange interessante artikler om kvantefysikk her på Space Magazine. Her er hva er Bohr Atomic Model ?, Kvantforviklinger forklart, hva er Electron Cloud-modellen, hva er dobbeltsliteforsøk ?, Hva er Loop Quantum Gravity? og forene kvanteprinsippet - strømme sammen i fire dimensjoner.
Hvis du vil ha mer informasjon om Fermi Energy, kan du sjekke ut disse artiklene fra Hyperphysics and Science World.
Vi har også spilt inn en hel episode av Astronomy Cast som handler om Quantum Mechanics. Hør her, Episode 138: Quantum Mechanics.
kilder:
- Wikipedia - Fermi Energy
- Wikipedia - Fermion
- Encyclopaedia Britannica - Fermi Energy
- Hyperfysikk - Fermi Level
