När det gäller fysik är energibegreppet en knepig sak, med många olika betydelser och beroende av många möjliga sammanhang. Till exempel, när man talar om atomer och partiklar, kommer energi i flera former, såsom elektrisk energi, värmeenergi och ljusenergi.
Men när man kommer in i kvantmekanikens område, en mycket mer komplex och förrädisk värld, blir saker ännu svårare. På detta område förlitar forskare sig på begrepp som Fermi Energy, ett koncept som vanligtvis hänvisar till energin i det högsta ockuperade kvanttillståndet i ett system av fermioner vid absolut noll temperatur.
Fermioner:
Fermions tar sitt namn från den berömda italienska fysikern från 1900-talet Enrico Fermi. Dessa är subatomära partiklar som vanligtvis är förknippade med materia, medan subatomära partiklar som bosoner är kraftbärare (förknippade med gravitation, kärnkrafter, elektromagnetism, etc.) Dessa partiklar (som kan ta formen av elektroner, protoner och neutroner) följer Pauli Uteslutningsprincip, som säger att inga två fermioner kan uppta samma (en-partikel) kvanttillstånd.
I ett system som innehåller många fermioner (som elektroner i en metall) kommer varje fermion att ha en annan uppsättning kvantantal. Fermienergi är som ett begrepp viktigt för att bestämma de elektriska och termiska egenskaperna hos fasta ämnen. Värdet på Fermi-nivån vid absolut noll (-273,15 ° C) kallas Fermi-energin och är en konstant för varje fast ämne. Fermi-nivån ändras när det fasta materialet värms upp och när elektroner läggs till eller dras ur det fasta materialet.
Beräkning av Fermi Energy:
För att bestämma den lägsta energin som ett system av fermioner kan ha (aka. Det är lägsta möjliga Fermi-energi), grupperar vi först staterna i uppsättningar med lika energi och beställer dessa uppsättningar genom att öka energin. Från och med ett tomt system lägger vi sedan till partiklar en i taget och fyller i följd de obefatta kvanttillstånd med den lägsta energin.
När alla partiklar har satts in, är Fermi-energin energin i det högst upptagna tillståndet. Vad detta betyder är att även om vi har utvunnit all möjlig energi från en metall genom att kyla den till nära absoluta nolltemperatur (0 kelvin), rör sig elektronerna i metallen fortfarande. De snabbaste rör sig med en hastighet motsvarande en kinetisk energi lika med Fermi-energin.
Användningsområden:
Fermienergin är ett av de viktiga begreppen fysik i kondenserad materia. Det används till exempel för att beskriva metaller, isolatorer och halvledare. Det är en mycket viktig kvantitet i fysik för superledare, i fysiken hos kvantvätskor som låg temperatur helium (både normal och superfluid 3He), och det är ganska viktigt för kärnfysiken och att förstå stabiliteten hos vita dvärgstjärnor mot gravitations kollaps .
Förvirrande används termen ”Fermi energy” ofta för att beskriva ett annat men nära besläktat begrepp, Fermi-nivån (även kallad kemisk potential). Fermis energi och kemiska potential är densamma vid absolut noll, men skiljer sig vid andra temperaturer.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om kvantefysik här på Space Magazine. Här är vad är Bohr Atomic Model ?, Kvantförvirring förklarat, Vad är Electron Cloud-modellen, Vad är Double Slit Experiment ?, Vad är Loop Quantum Gravity? och att förena kvantitetsprincipen - flöda i fyra dimensioner.
Om du vill ha mer information om Fermi Energy, kolla in de här artiklarna från Hyperphysics and Science World.
Vi har också spelat in ett helt avsnitt av Astronomy Cast som handlar om kvantmekanik. Lyssna här, avsnitt 138: Quantum Mechanics.
källor:
- Wikipedia - Fermi Energy
- Wikipedia - Fermion
- Encyclopaedia Britannica - Fermi Energy
- Hyperfysik - Fermi-nivå
