Runājot par fiziku, enerģijas jēdziens ir sarežģīta lieta, tam ir dažādas nozīmes un tas ir atkarīgs no daudziem iespējamiem kontekstiem. Piemēram, runājot par atomiem un daļiņām, enerģijai ir vairākas formas, piemēram, elektriskā, siltuma un gaismas enerģija.
Bet, nonākot kvantu mehānikas jomā, kas ir daudz sarežģītāka un nodevīgāka, valstība kļūst vēl sarežģītāka. Šajā jomā zinātnieki paļaujas uz tādiem jēdzieniem kā Fermi Energy - jēdziens, kas parasti attiecas uz augstāko aizņemto kvantu stāvokļa enerģiju fermiju sistēmā absolūtā nulles temperatūrā.
Fermioni:
Fermioni savu vārdu ir ieguvuši no slavenā 20. gadsimta itāļu fiziķa Enriko Fermi. Tās ir subatomiskās daļiņas, kas parasti ir saistītas ar matēriju, turpretī tādas subatomiskās daļiņas kā bozoni ir spēka nesēji (saistīti ar smagumu, kodolenerģijas spēkiem, elektromagnētismu utt.). Šīs daļiņas (kas var būt elektronu, protonu un neitronu formā) pakļaujas Pauli Izslēgšanas princips, kas nosaka, ka neviens no diviem fermioniem nevar aizņemt vienādu (vienas daļiņas) kvantu stāvokli.
Sistēmā, kurā ir daudz fermionu (piemēram, elektroni metālā), katram fermionam būs atšķirīgs kvantu skaitļu komplekts. Fermi enerģija kā jēdziens ir svarīga, lai noteiktu cietvielu elektriskās un termiskās īpašības. Fermi līmeņa vērtību pie absolūtas nulles (-273,15 ° C) sauc par Fermi enerģiju, un tā ir katras cietās vielas konstante. Fermi līmenis mainās, kad cietā viela tiek sasildīta, un, pievienojot vai noņemot no tās elektronus.
Fermi enerģijas aprēķināšana:
Lai noteiktu zemāko enerģiju, kāda var būt fermiju sistēmai (pazīstama arī kā zemākā iespējamā Fermi enerģija), mēs vispirms sagrupējam stāvokļus kopās ar vienādu enerģiju un sakārtojam šīs kopas, palielinot enerģiju. Sākot ar tukšu sistēmu, mēs pievienojam daļiņas pa vienai, secīgi piepildot neaizņemtos kvantu stāvokļus ar viszemāko enerģiju.
Kad visas daļiņas ir ieliktas, Fermi enerģija ir visaugstāk aizņemtā stāvokļa enerģija. Tas nozīmē, ka pat tad, ja mēs esam ieguvuši visu iespējamo enerģiju no metāla, atdzesējot to līdz absolūtai nulles temperatūrai (0 kelvini), metāli elektroni joprojām pārvietojas. Ātrākie pārvietojas ar ātrumu, kas atbilst kinētiskajai enerģijai, kas vienāda ar Fermi enerģiju.
Pielietojumi:
Fermi enerģija ir viens no svarīgākajiem kondensētās fizikas jēdzieniem. To izmanto, piemēram, metālu, izolatoru un pusvadītāju aprakstīšanai. Tas ir ļoti svarīgs lielums supravadītāju fizikā un tādu kvantu šķidrumu fizikā kā zemas temperatūras hēlijs (gan normāls, gan superšķidrs 3He), un tas ir diezgan svarīgi kodoldizofizikai un lai izprastu balto punduru zvaigžņu stabilitāti pret gravitācijas sabrukumu .
Mulsinoši, bet termins “Fermi enerģija” bieži tiek izmantots, lai aprakstītu atšķirīgu, bet cieši saistītu jēdzienu - Fermi līmeni (ko sauc arī par ķīmisko potenciālu). Fermi enerģija un ķīmiskais potenciāls ir vienādi absolūtā nulle, bet atšķiras citās temperatūrās.
Mēs esam uzrakstījuši daudz interesantu rakstu par kvantu fiziku šeit Space Magazine. Lūk, Kas ir Boha atoma modelis ?, Izskaidrots kvantu saķeršanās, Kas ir elektronu mākoņa modelis, Kas ir divkāršās spraugas eksperiments ?, Kas ir cilpas kvantu gravitācija? un kvanta principa apvienošana - plūstot četrās dimensijās.
Ja vēlaties iegūt vairāk informācijas par Fermi Energy, iepazīstieties ar šiem rakstiem no Hiperfizikas un zinātnes pasaules.
Mēs esam ierakstījuši arī veselu epizodi no astronomijas dalībniekiem, kas stāsta par kvantu mehāniku. Klausieties šeit, 138. epizode: Kvantu mehānika.
Avoti:
- Wikipedia - Fermi enerģija
- Wikipedia - Fermions
- Enciklopēdija Britannica - Fermi Energy
- Hiperfizika - Fermi līmenis
