Wenn es um Physik geht, ist das Konzept der Energie eine heikle Sache, die vielen verschiedenen Bedeutungen unterliegt und von vielen möglichen Kontexten abhängt. Wenn zum Beispiel von Atomen und Teilchen gesprochen wird, gibt es verschiedene Formen von Energie, wie z. B. elektrische Energie, Wärmeenergie und Lichtenergie.
Aber wenn man in das Gebiet der Quantenmechanik einsteigt, einem weitaus komplexeren und tückischeren Bereich, werden die Dinge noch schwieriger. In diesem Bereich stützen sich Wissenschaftler auf Konzepte wie Fermi Energy, ein Konzept, das sich normalerweise auf die Energie des höchsten besetzten Quantenzustands in einem System von Fermionen bei absoluter Nulltemperatur bezieht.
Fermionen:
Fermionen haben ihren Namen vom berühmten italienischen Physiker Enrico Fermi aus dem 20. Jahrhundert. Dies sind subatomare Teilchen, die normalerweise mit Materie assoziiert sind, während subatomare Teilchen wie Bosonen Kraftträger sind (assoziiert mit Schwerkraft, Kernkräften, Elektromagnetismus usw.). Diese Teilchen (die die Form von Elektronen, Protonen und Neutronen annehmen können) gehorchen den Pauli Ausschlussprinzip, das besagt, dass keine zwei Fermionen denselben (Einteilchen-) Quantenzustand einnehmen können.
In einem System, das viele Fermionen enthält (wie Elektronen in einem Metall), hat jede Fermion einen anderen Satz von Quantenzahlen. Das Konzept der Fermi-Energie ist wichtig für die Bestimmung der elektrischen und thermischen Eigenschaften von Festkörpern. Der Wert des Fermi-Niveaus bei absolutem Nullpunkt (-273,15 ° C) wird als Fermi-Energie bezeichnet und ist eine Konstante für jeden Festkörper. Das Fermi-Niveau ändert sich, wenn der Feststoff erwärmt wird und wenn dem Feststoff Elektronen hinzugefügt oder daraus entnommen werden.
Berechnung der Fermi-Energie:
Um die niedrigste Energie zu bestimmen, die ein System von Fermionen haben kann (auch bekannt als die niedrigstmögliche Fermi-Energie), gruppieren wir zuerst die Zustände in Mengen mit gleicher Energie und ordnen diese Mengen durch Erhöhen der Energie. Ausgehend von einem leeren System fügen wir dann nacheinander Teilchen hinzu und füllen nacheinander die nicht besetzten Quantenzustände mit der niedrigsten Energie auf.
Wenn alle Teilchen eingefügt wurden, ist die Fermi-Energie die Energie des am höchsten besetzten Zustands. Dies bedeutet, dass sich die Elektronen im Metall immer noch bewegen, selbst wenn wir einem Metall die gesamte mögliche Energie entzogen haben, indem wir es auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) abgekühlt haben. Die schnellsten bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die einer kinetischen Energie entspricht, die der Fermi-Energie entspricht.
Anwendungen:
Die Fermi-Energie ist eines der wichtigsten Konzepte der Physik der kondensierten Materie. Es wird zum Beispiel verwendet, um Metalle, Isolatoren und Halbleiter zu beschreiben. Es ist eine sehr wichtige Größe in der Physik von Supraleitern, in der Physik von Quantenflüssigkeiten wie Niedertemperatur-Helium (sowohl normales als auch superfluides 3He), und es ist für die Kernphysik und das Verständnis der Stabilität weißer Zwergsterne gegen Gravitationskollaps sehr wichtig .
Verwirrenderweise wird der Begriff „Fermi-Energie“ häufig verwendet, um ein anderes, aber eng verwandtes Konzept zu beschreiben, das Fermi-Niveau (auch als chemisches Potenzial bezeichnet). Die Fermi-Energie und das chemische Potential sind beim absoluten Nullpunkt gleich, unterscheiden sich jedoch bei anderen Temperaturen.
Wir haben hier im Space Magazine viele interessante Artikel über Quantenphysik geschrieben. Was ist das Bohr-Atommodell?, Quantenverschränkung erklärt, Was ist das Elektronenwolkenmodell, Was ist das Doppelspaltexperiment? Was ist die Schleifenquantengravitation? und Vereinheitlichung des Quantenprinzips - Fluss in vier Dimensionen.
Wenn Sie weitere Informationen zu Fermi Energy wünschen, lesen Sie diese Artikel aus Hyperphysics and Science World.
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast rund um die Quantenmechanik aufgenommen. Hören Sie hier, Episode 138: Quantenmechanik.
Quellen:
- Wikipedia - Fermi Energy
- Wikipedia - Fermion
- Encyclopaedia Britannica - Fermi Energy
- Hyperphysik - Fermi-Level
