Fysiikan osalta energian käsite on hankala asia, jolla on monia erilaisia merkityksiä ja joka riippuu monista mahdollisista yhteyksistä. Esimerkiksi, kun puhutaan atomeista ja hiukkasista, energiaa esiintyy useissa muodoissa, kuten sähköenergia, lämpöenergia ja valoenergia.
Mutta kun päästään kvantimekaniikan, paljon monimutkaisemman ja petollisen alueen alalle, asiat muuttuvat vielä vaikeammaksi. Tässä valtakunnassa tutkijat luottavat käsitteisiin, kuten Fermi Energy, käsitteeseen, joka yleensä viittaa korkeimman miehitetyn kvanttitilan energiaan fermionijärjestelmässä absoluuttisen nollan lämpötilassa.
Fermioneja:
Fermionit saavat nimensä kuuluisalta 1900-luvun italialaiselta fyysiköltä Enrico Fermiltä. Nämä ovat alaatomisia hiukkasia, jotka yleensä liittyvät aineeseen, kun taas subatomiset hiukkaset, kuten bosonit, ovat voiman kantajia (liittyvät painovoimaan, ydinvoimiin, sähkömagneetismiin jne.). Nämä hiukkaset (jotka voivat olla elektronien, protonien ja neutronien muodossa) tottelevat Paulia Poissulkemisperiaate, jonka mukaan kukaan kaksi fermionia ei voi käyttää samaa (yhden hiukkasen) kvanttitilaa.
Järjestelmässä, joka sisältää monia fermioneja (kuten elektroneja metallissa), jokaisella fermionilla on erilainen kvantilukujoukko. Fermi-energia on käsitteenä tärkeä kiinteiden aineiden sähköisten ja lämpöominaisuuksien määrittämisessä. Fermi-arvon arvoa absoluuttisessa nollassa (-273,15 ° C) kutsutaan Fermi-energiaksi ja se on vakio jokaiselle kiinteälle aineelle. Fermi-taso muuttuu, kun kiinteää ainetta lämmitetään ja kun elektroneja lisätään tai otetaan pois kiinteästä aineesta.
Fermi-energian laskeminen:
Jotta voitaisiin määrittää pienin energia, joka fermionsysteemillä voi olla (alias. Se on matalin mahdollinen Fermi-energia), ryhmittelemme ensin tilat ryhmiin, joissa on yhtä suuri energia, ja järjestämme nämä joukot lisäämällä energiaa. Alkaen tyhjästä järjestelmästä, lisäämme sitten hiukkasia yksi kerrallaan, täyttämällä peräkkäin tyhjät kvantitilat pienimmällä energialla.
Kun kaikki hiukkaset on laitettu sisään, Fermi-energia on korkeimmin varatun tilan energia. Tämä tarkoittaa, että vaikka olemme uuttaneet kaiken mahdollisen energian metallista jäähdyttämällä se melkein absoluuttiseen nollalämpötilaan (0 kelviniä), metallin elektronit liikkuvat edelleen. Nopeimmat liikkuvat nopeudella, joka vastaa kineettistä energiaa, joka on yhtä suuri kuin Fermi-energia.
Sovellukset:
Fermi-energia on yksi tärkeimmistä kondensoituneiden aineiden fysiikan käsitteistä. Sitä käytetään esimerkiksi metallien, eristimien ja puolijohteiden kuvaamiseen. Se on erittäin tärkeä määrä suprajohtajien fysiikassa, kvanttinesteiden fysiikassa, kuten matalan lämpötilan helium (sekä normaali että supernesteinen 3He), ja se on melko tärkeää ydinfysiikalle ja ymmärtää valkoisten kääpiötähteiden stabiilisuutta gravitaation romahtamista vastaan .
Hämmentävää, termiä "Fermi-energia" käytetään usein kuvaamaan erilaista, mutta läheisesti toisiinsa liittyvää käsitettä, Fermi-tasoa (kutsutaan myös kemialliseksi potentiaaliksi). Fermin energia ja kemialliset potentiaalit ovat samat absoluuttisessa nollassa, mutta eroavat muissa lämpötiloissa.
Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita kvantfysiikasta täällä Space Magazine. Tässä on mikä on Bohr-atomimalli ?, Quantum Entanglement selitetty, Mikä on elektronipilvimalli, mikä on kaksinkertaisen viilun kokeilu ?, Mikä on Loop Quantum Gravity? ja kvanttiperiaatteen yhtenäistäminen - virtaus neljässä ulottuvuudessa.
Jos haluat lisätietoja Fermi Energystä, tutustu näihin artikkeleihin Hyperphysics and Science World -sivustolta.
Olemme myös nauhoittaneet kokonaisen jakson tähtitieteen näyttelijöistä, jotka koskevat Quantum Mechanicsia. Kuuntele tästä, jakso 138: Quantum Mechanics.
Lähteet:
- Wikipedia - Fermi Energia
- Wikipedia - Fermion
- Encyclopaedia Britannica - Fermi Energia
- Hyperfysiikka - Fermi-taso
