WAT IS FERMI ENERGY?

Send

Als het om natuurkunde gaat, is het concept van energie een lastige zaak, onderhevig aan veel verschillende betekenissen en afhankelijk van veel mogelijke contexten. Wanneer er bijvoorbeeld over atomen en deeltjes wordt gesproken, komt energie in verschillende vormen voor, zoals elektrische energie, warmte-energie en lichtenergie.

Maar wanneer men zich op het gebied van de kwantummechanica begeeft, een veel complexer en verraderlijk rijk, wordt het nog lastiger. In dit rijk vertrouwen wetenschappers op concepten zoals Fermi Energy, een concept dat meestal verwijst naar de energie van de hoogst bezette kwantumtoestand in een systeem van fermionen bij een temperatuur van absoluut nul.

Fermionen:

Fermions ontlenen hun naam aan de beroemde Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi uit de 20e eeuw. Dit zijn subatomaire deeltjes die gewoonlijk worden geassocieerd met materie, terwijl subatomaire deeltjes zoals bosonen krachtdragers zijn (geassocieerd met zwaartekracht, kernkrachten, elektromagnetisme, enz.) Deze deeltjes (die de vorm kunnen aannemen van elektronen, protonen en neutronen) gehoorzamen de Pauli Uitsluitingsprincipe, dat stelt dat geen twee fermionen dezelfde (één-deeltje) kwantumtoestand kunnen innemen.

In een systeem dat veel fermionen bevat (zoals elektronen in een metaal), heeft elk fermion een andere reeks kwantumnummers. Fermi-energie is als concept belangrijk bij het bepalen van de elektrische en thermische eigenschappen van vaste stoffen. De waarde van het Fermi-niveau op het absolute nulpunt (-273,15 ° C) wordt de Fermi-energie genoemd en is een constante voor elke vaste stof. Het Fermi-niveau verandert als de vaste stof wordt verwarmd en als elektronen worden toegevoegd aan of onttrokken aan de vaste stof.

Fermi-energie berekenen:

Om de laagste energie te bepalen die een systeem van fermionen kan hebben (oftewel: het is de laagst mogelijke Fermi-energie), groeperen we eerst de toestanden in sets met gelijke energie en ordenen we deze sets door de energie te verhogen. Beginnend met een leeg systeem, voegen we vervolgens deeltjes één voor één toe, waarbij we achtereenvolgens de onbezette kwantumtoestanden vullen met de laagste energie.

Wanneer alle deeltjes zijn aangebracht, is de Fermi-energie de energie van de hoogste bezette staat. Wat dit betekent is dat zelfs als we alle mogelijke energie uit een metaal hebben gehaald door het af te koelen tot een temperatuur van bijna nul (0 kelvin), de elektronen in het metaal nog steeds in beweging zijn. De snelste bewegen met een snelheid die overeenkomt met een kinetische energie die gelijk is aan de Fermi-energie.

Toepassingen:

De Fermi-energie is een van de belangrijke concepten van de fysica van de gecondenseerde materie. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt om metalen, isolatoren en halfgeleiders te beschrijven. Het is een zeer belangrijke grootheid in de fysica van supergeleiders, in de fysica van kwantumvloeistoffen zoals helium bij lage temperatuur (zowel normaal als superfluïdum 3He), en het is heel belangrijk voor de kernfysica en om de stabiliteit van witte dwergsterren te begrijpen tegen instorting van de zwaartekracht .

Verwarrend genoeg wordt de term 'Fermi-energie' vaak gebruikt om een ander maar nauw verwant concept te beschrijven, het Fermi-niveau (ook wel chemisch potentieel genoemd). De energie- en chemische potentie van Fermi zijn hetzelfde bij absoluut nul, maar verschillen bij andere temperaturen.

We hebben veel interessante artikelen over kwantumfysica geschreven hier bij Space Magazine. Hier is wat is het Bohr-atoommodel ?, Quantum Entanglement Explained, Wat is het Electron Cloud-model, Wat is het Double Slit-experiment? Wat is Loop Quantum Gravity? en het kwantumprincipe verenigen - doorstroom in vier dimensies.

Als je meer informatie wilt over Fermi Energy, bekijk dan deze artikelen van Hyperphysics and Science World.

We hebben ook een hele aflevering van Astronomy Cast opgenomen over Quantum Mechanics. Luister hier, aflevering 138: Quantum Mechanics.

Bronnen: