Când vine vorba de fizică, conceptul de energie este un lucru complicat, supus multor semnificații diferite și dependent de multe contexte posibile. De exemplu, atunci când vorbim de atomi și particule, energia vine sub mai multe forme, cum ar fi energia electrică, energia termică și energia luminoasă.
Dar când cineva intră în domeniul mecanicii cuantice, un tărâm mult mai complex și mai trădător, lucrurile devin și mai dificile. În acest tărâm, oamenii de știință se bazează pe concepte precum Fermi Energy, concept care se referă, de obicei, la energia stării cuantice cu cea mai mare ocupație într-un sistem de fermioni la temperatura zero absolută.
Fermioni:
Fermionii își iau numele de la renumitul fizician italian din secolul XX, Enrico Fermi. Acestea sunt particule subatomice care sunt de obicei asociate cu materia, în timp ce particulele subatomice precum bosonii sunt purtători de forțe (asociate cu gravitația, forțele nucleare, electromagnetismul etc.) Aceste particule (care pot lua forma electronilor, protonilor și neutronilor) se supun Pauli Principiul de excludere, care afirmă că niciun fel de fermi nu poate ocupa aceeași stare cuantică (cu o singură particulă).
Într-un sistem care conține mulți fermioni (precum electronii dintr-un metal), fiecare fermion va avea un set diferit de numere cuantice. Energia Fermi, ca concept, este importantă în determinarea proprietăților electrice și termice ale solidelor. Valoarea nivelului Fermi la zero absolut (-273,15 ° C) se numește energie Fermi și este o constantă pentru fiecare solid. Nivelul Fermi se schimbă pe măsură ce solidul se încălzește și pe măsură ce se adaugă sau se retrag electroni din solid.
Calcularea energiei Fermi:
Pentru a determina cea mai mică energie pe care o poate avea un sistem de fermioni (de asemenea, este cea mai mică energie posibilă Fermi), mai întâi grupăm statele în seturi cu energie egală și ordonăm aceste seturi prin creșterea energiei. Începând cu un sistem gol, adăugăm apoi particule pe rând, completând consecutiv stările cuantice neocupate cu cea mai mică energie.
Când toate particulele au fost introduse, energia Fermi este energia celui mai înalt ocupat. Ceea ce înseamnă asta este că, chiar dacă am extras toată energia posibilă dintr-un metal, prin răcirea acesteia până la aproape zero temperatură absolută (0 kelvin), electronii din metal continuă să se miște. Cele mai rapide se deplasează cu o viteză corespunzătoare unei energii cinetice egală cu energia Fermi.
Aplicații:
Energia Fermi este unul dintre conceptele importante ale fizicii materiei condensate. Este folosit, de exemplu, pentru a descrie metale, izolatori și semiconductori. Este o cantitate foarte importantă în fizica supraconductorilor, în fizica lichidelor cuantice precum heliul la temperatură scăzută (atât normal cât și superfluid 3He) și este destul de importantă pentru fizica nucleară și pentru a înțelege stabilitatea stelelor pitice albe împotriva colapsului gravitațional .
În mod confuz, termenul „energie Fermi” este adesea folosit pentru a descrie un concept diferit, dar strâns legat, nivelul Fermi (numit și potențial chimic). Energia Fermi și potențialul chimic sunt aceleași la zero absolut, dar diferă la alte temperaturi.
Am scris multe articole interesante despre fizica cuantică aici la Space Magazine. Iată ce este modelul Bohr Atomic ?, Înțelegerea cuantică explicată, ce este modelul de electroni în cloud, ce este experimentul cu fanta dublă? Ce este gravitatea cuantică a buclei? și Unificarea principiului cuantic - curgerea în patru dimensiuni.
Dacă doriți mai multe informații despre Fermi Energy, consultați aceste articole din Hyperphysics și Science World.
Am înregistrat, de asemenea, un întreg episod al distribuției de astronomie despre mecanica cuantică. Ascultă aici, episodul 138: Mecanica cuantică.
surse:
- Wikipedia - Fermi Energy
- Wikipedia - Fermion
- Encyclopaedia Britannica - Fermi Energy
- Hiperfizica - nivelul Fermi
