Pokud jde o fyziku, pojem energie je složitá věc, podléhá mnoha různým významům a závisí na mnoha možných kontextech. Například, když mluvíme o atomech a částicích, energie přichází v několika formách, jako je elektrická energie, tepelná energie a světelná energie.
Když se však člověk dostane do oblasti kvantové mechaniky, mnohem složitější a zradnější říše, věci se stávají ještě složitější. V této oblasti se vědci spoléhají na koncepty, jako je Fermi Energy, koncept, který obvykle odkazuje na energii nejvyššího obsazeného kvantového stavu v systému fermionů při absolutně nulové teplotě.
Fermiony:
Fermions vezmou jejich jméno od slavného 20. století italský fyzik Enrico Fermi. Jedná se o subatomické částice, které jsou obvykle spojeny s hmotou, zatímco subatomové částice, jako jsou bosony, jsou nosiči sil (spojené s gravitací, nukleárními silami, elektromagnetismem atd.). Tyto částice (které mohou mít podobu elektronů, protonů a neutronů) se řídí Pauli Princip vyloučení, který říká, že žádné dva fermiony nemohou obsáhnout stejný kvantový stav (jednu částici).
V systému obsahujícím mnoho fermionů (jako jsou elektrony v kovu) bude mít každá fermion jiná sada kvantových čísel. Fermiho energie je jako koncept důležitá při určování elektrických a tepelných vlastností pevných látek. Hodnota hladiny Fermi v absolutní nule (-273,15 ° C) se nazývá Fermiho energie a je konstantní pro každou pevnou látku. Hladina Fermi se mění, jak je pevná látka zahřívána a jak jsou elektrony přidávány nebo odebírány z pevné látky.
Výpočet energie Fermi:
Abychom určili nejnižší energii, kterou může mít systém fermionů (aka. Je to nejnižší možná Fermiho energie), nejprve seskupíme státy do sad se stejnou energií a tyto sady uspořádáme zvýšením energie. Začneme-li prázdným systémem, pak postupně přidáváme částice a postupně naplňujeme neobsazené kvantové stavy nejnižší energií.
Když byly vloženy všechny částice, je Fermiho energie energií nejvyššího okupovaného stavu. To znamená, že i když jsme z kovu získali veškerou možnou energii jeho ochlazením na téměř nulovou teplotu (0 kelvinů), elektrony v kovu se stále pohybují. Nejrychlejší se pohybují rychlostí odpovídající kinetické energii rovnající se Fermiho energii.
Aplikace:
Fermiho energie je jedním z důležitých konceptů fyziky kondenzovaných látek. Používá se například k popisu kovů, izolátorů a polovodičů. Je to velmi důležité množství ve fyzice supravodičů, ve fyzice kvantových tekutin, jako je hélium s nízkou teplotou (normální i superfluidní 3He), a je velmi důležité pro jadernou fyziku a porozumět stabilitě bílých trpaslíků proti gravitačnímu kolapsu .
Matouce je termín „Fermiho energie“ často používán k popisu jiného, ale úzce souvisejícího konceptu, hladiny Fermi (nazývané také chemický potenciál). Energie a chemický potenciál Fermi jsou stejné při absolutní nule, ale liší se při jiných teplotách.
Zde jsme v Space Magazine napsali mnoho zajímavých článků o kvantové fyzice. Zde je Co je Bohrův atomový model ?, Vysvětleno kvantové zapletení, co je model elektronového cloudu, co je experiment s dvojitou štěrbinou ?, Co je kvantová gravitace smyčky? a sjednocení kvantového principu - plynoucího podél čtyř dimenzí.
Pokud byste chtěli získat více informací o Fermi Energy, podívejte se na tyto články z Hyperphysics and Science World.
Zaznamenali jsme také celou epizodu Astronomie Cast vše o kvantové mechanice. Poslouchejte zde, Epizoda 138: Quantum Mechanics.
Zdroje:
- Wikipedia - Fermi Energy
- Wikipedia - Fermion
- Encyklopedie Britannica - Fermi Energy
- Hyperphysics - Fermi Level
