Що се отнася до физиката, понятието енергия е сложно нещо, подчинено на много различни значения и зависи от много възможни контексти. Например, когато говорим за атоми и частици, енергията идва под няколко форми, като електрическа енергия, топлинна енергия и светлинна енергия.
Но когато човек попадне в областта на квантовата механика, далеч по-сложна и коварна сфера, нещата стават още по-трудни. В тази област учените разчитат на понятия като Fermi Energy, концепция, която обикновено се отнася до енергията на най-високо заетото квантово състояние в система от фермиони при абсолютна нулева температура.
Фермиони:
Фермионите вземат името си от известния италиански физик от 20 век Енрико Ферми. Това са субатомни частици, които обикновено се свързват с материята, докато субатомните частици като бозони са носители на сила (свързани с гравитация, ядрени сили, електромагнетизъм и др.) Тези частици (които могат да приемат формата на електрони, протони и неутрони) се подчиняват на Паули Принцип на изключване, който гласи, че нито един фермион не може да заеме едно и също (едночастично) квантово състояние.
В система, съдържаща много фермиони (като електрони в метал), всеки фермион ще има различен набор от квантови числа. Енергията на Ферми като концепция е важна за определяне на електрическите и топлинните свойства на твърдите вещества. Стойността на нивото на Ферми при абсолютна нула (-273.15 ° C) се нарича енергията на Ферми и е константа за всяко твърдо вещество. Нивото на Ферми се променя, когато твърдото вещество се загрява и като към него се прибавят или изтеглят електрони.
Изчисляване на енергия на Ферми:
За да определим най-ниската енергия, която може да има система на фермионите (т.е. Това е най-ниската възможна енергия на Ферми), първо групираме състоянията в групи с еднаква енергия и нареждаме тези групи чрез увеличаване на енергията. Започвайки с празна система, след това добавяме частици една по една, последователно попълвайки незаети квантови състояния с най-ниска енергия.
Когато всички частици са поставени, енергията на Ферми е енергията на най-високо заетото състояние. Това означава, че дори ако сме извлекли цялата възможна енергия от метал, като я охлаждаме до почти абсолютна нулева температура (0 келвина), електроните в метала все още се движат наоколо. Най-бързите се движат със скорост, съответстваща на кинетична енергия, равна на енергията на Ферми.
Приложения:
Енергията на Ферми е едно от важните понятия на физиката на кондензираната материя. Използва се например за описание на метали, изолатори и полупроводници. Това е много важно количество във физиката на свръхпроводниците, във физиката на квантовите течности като нискотемпературен хелий (както нормален, така и свръхтечен 3He) и е доста важно да се използва ядрената физика и да се разбере стабилността на белите звезди джудже срещу гравитационния срив ,
Объркващо е, че терминът "енергия на Ферми" често се използва за описание на различна, но тясно свързана концепция, нивото на Ферми (наричано също химичен потенциал). Енергията и химичният потенциал на Ферми са еднакви при абсолютна нула, но се различават при други температури.
Тук сме писали много интересни статии за квантовата физика в Space Magazine. Ето какво е атомният модел на Бор ?, обяснено е квантовото заплитане, какво е електронният облачен модел, какво е експериментът с двойни прорези ?, какво е квантовата гравитация на цикъла? и обединяващ квантовия принцип - протичащ в четири измерения.
Ако искате повече информация за Fermi Energy, разгледайте тези статии от Hyperphysics and Science World.
Записали сме и цял епизод на Астрономически роли, свързан с квантовата механика. Чуйте тук, Епизод 138: Квантова механика.
Източници:
- Уикипедия - Fermi Energy
- Уикипедия - Фермион
- Енциклопедия Британика - Fermi Energy
- Хиперфизика - ниво Ферми
