Når det kommer til fysik, er energibegrebet en vanskelig ting, underlagt mange forskellige betydninger og afhængig af mange mulige sammenhænge. For eksempel, når vi taler om atomer og partikler, kommer energi i flere former, såsom elektrisk energi, varmeenergi og lysenergi.
Men når man kommer ind i kvantemekanikens område, et langt mere komplekst og forræderisk område, bliver tingene endnu vanskeligere. På dette område er forskere afhængige af koncepter som Fermi Energy, et koncept, der normalt henviser til energien i den højeste besatte kvantetilstand i et system med fermioner ved absolut nul temperatur.
Fermioner:
Fermions får deres navn fra den berømte italienske fysiker fra det 20. århundrede Enrico Fermi. Dette er subatomære partikler, der normalt er forbundet med stof, hvorimod subatomære partikler som bosoner er kraftbærere (forbundet med tyngdekraft, kernekræfter, elektromagnetisme osv.) Disse partikler (som kan have form af elektroner, protoner og neutroner) adlyder Pauli Udelukkelsesprincip, der siger, at ingen to fermioner kan optage den samme (en-partikel) kvantetilstand.
I et system, der indeholder mange fermioner (som elektroner i et metal), vil hver fermion have et andet sæt kvantetal. Fermienergi er som et begreb vigtigt ved bestemmelse af de elektriske og termiske egenskaber ved faste stoffer. Værdien af Fermi-niveauet ved absolut nul (-273,15 ° C) kaldes Fermi-energien og er en konstant for hvert fast stof. Fermi-niveauet ændres, efterhånden som det faste stof opvarmes, og når elektroner tilføjes eller fjernes fra det faste stof.
Beregning af Fermi Energy:
For at bestemme den laveste energi, et system af fermioner kan have (alias. Det er lavest mulige Fermi-energi), grupperer vi først staterne i sæt med lige energi, og bestiller disse sæt ved at øge energi. Fra et tomt system tilføjer vi derefter partikler ad gangen og på hinanden følgende udfylder de ubesatte kvantetilstande med den laveste energi.
Når alle partikler er sat i, er Fermi-energien energien i den højeste besatte tilstand. Hvad dette betyder er, at selv hvis vi har udvundet al mulig energi fra et metal ved at afkøle det til næsten absolut nul temperatur (0 kelvin), bevæger elektronerne stadig rundt. De hurtigste bevæger sig med en hastighed svarende til en kinetisk energi lig med Fermi-energien.
Applikationer:
Fermi-energien er et af de vigtige begreber inden for fysik med kondenseret stof. Det bruges for eksempel til at beskrive metaller, isolatorer og halvledere. Det er en meget vigtig mængde i fysikkerne i superledere, i fysikken i kvantevæsker som lavtemperatur-helium (både normal og overflødig 3He), og det er ganske vigtigt for nukleær fysik og forstå stabiliteten af hvide dværgstjerner mod gravitations-sammenbrud .
Forvirrende bruges udtrykket “Fermi energy” ofte til at beskrive et andet, men tæt beslægtet begreb, Fermi-niveauet (også kaldet kemisk potentiale). Fermi-energien og det kemiske potentiale er ens ved absolut nul, men adskiller sig ved andre temperaturer.
Vi har skrevet mange interessante artikler om kvantefysik her på Space Magazine. Her er hvad er Bohr Atomic Model ?, Kvanteforviklinger forklaret, hvad er Electron Cloud-modellen, hvad er dobbeltslidseksperimentet ?, Hvad er Loop Quantum Gravity? og at forene kvanteprincippet - flyde sammen i fire dimensioner.
Hvis du gerne vil have mere information om Fermi Energy, kan du tjekke disse artikler fra Hyperphysics and Science World.
Vi har også optaget en hel episode af Astronomy Cast alt om kvantemekanik. Lyt her, Afsnit 138: Kvantemekanik.
Kilder:
- Wikipedia - Fermi Energy
- Wikipedia - Fermion
- Encyclopaedia Britannica - Fermi Energy
- Hyperfysik - Fermi-niveau
