När det kommer till fysik är begreppet energi en knepig sak, föremål för många olika betydelser och beroende av många möjliga sammanhang. När man till exempel talar om atomer och partiklar kommer energi i flera former, såsom elektrisk energi, värmeenergi och ljusenergi.
Men när man kommer in på kvantmekanikens område, en mycket mer komplex och förrädisk värld, blir saker ännu svårare. I det här riket förlitar sig forskare på begrepp som Fermi Energy, ett begrepp som vanligtvis hänvisar till energin i det högsta ockuperade kvanttillståndet i ett system av fermioner vid absolut nolltemperatur.
Fermioner:
Fermioner har fått sitt namn från den berömda italienska fysikern Enrico Fermi från 1900-talet. Dessa är subatomära partiklar som vanligtvis förknippas med materia, medan subatomära partiklar som bosoner är kraftbärare (associerade med gravitation, kärnkrafter, elektromagnetism, etc.) Dessa partiklar (som kan ta formen av elektroner, protoner och neutroner) lyder Pauli. Exklusionsprincip, som säger att inga två fermioner kan uppta samma (en-partikel) kvanttillstånd.
Neils Bohrs modell av en kväveatom. Kredit: britannica.com
I ett system som innehåller många fermioner (som elektroner i en metall), kommer varje fermion att ha en annan uppsättning kvanttal. Fermienergi, som begrepp, är 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. Ferminivån ändras när det fasta ämnet värms upp och när elektroner läggs till eller dras ut från det fasta ämnet.
Beräkna Fermi energi:
För att bestämma den lägsta energin ett system av fermioner kan ha (aka. det är lägsta möjliga Fermi-energi), grupperar vi först tillstånden i mängder med lika energi och ordnar dessa mängder genom att öka energin. Börjar med ett tomt system, lägger vi sedan till partiklar en i taget och fyller i följd de lediga kvanttillstånden med lägst energi.
När alla partiklar har satts in är Fermi-energin energin i det högsta upptagna tillståndet. Vad detta betyder är att även om vi har utvunnit all möjlig energi från en metall genom att kyla den till nära absolut nolltemperatur (0 kelvin), så rör sig elektronerna i metallen fortfarande runt. De snabbaste rör sig med en hastighet som motsvarar en kinetisk energi lika med Fermi-energin.
Bild som visar bosoner, fermioner och andra partiklar skapade av en högenergikollision. Kredit: CERN
Applikationer:
Fermi-energin är ett av de viktiga begreppen inom den kondenserade materiens fysik. Det används till exempel för att beskriva metaller, isolatorer och halvledare. Det är en mycket viktig storhet i supraledares fysik, i fysiken för kvantvätskor som helium vid låg temperatur (både normalt och superfluid 3He), och det är ganska viktigt för kärnfysiken och för att förstå stabiliteten hos vita dvärgstjärnor mot gravitationskollaps .
Förvirrande nog används termen 'Fermi-energi' ofta för att beskriva ett annat men närbesläktat koncept, Fermi-nivån (även kallad kemisk potential). Fermi-energin och den kemiska potentialen är desamma vid absoluta nollpunkten, men skiljer sig vid andra temperaturer.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om kvantfysik här på Universe Today. Här är Vad är Bohrs atommodell? , Quantum Entanglement Explained , Vad är Electron Cloud Model , Vad är dubbelslitsexperimentet? , Vad är Loop Quantum Gravity? och Att förena kvantprincipen – Flöda med i fyra dimensioner .
Om du vill ha mer information om Fermi Energy, kolla in dessa artiklar från Hyperfysik och Vetenskapens värld .
Vi har också spelat in ett helt avsnitt av Astronomy Cast som handlar om kvantmekanik. Lyssna nu, Avsnitt 138: Quantum Mechanics .
Källor: