In der Physik ist der Begriff Energie eine heikle Sache, die viele verschiedene Bedeutungen hat und von vielen möglichen Kontexten abhängt. Wenn beispielsweise von Atomen und Teilchen gesprochen wird, gibt es Energie in verschiedenen Formen, wie z. B. elektrische Energie, Wärmeenergie und Lichtenergie.
Aber wenn man in das Gebiet der Quantenmechanik einsteigt, ein weitaus komplexeres und tückischeres Gebiet, werden die Dinge noch kniffliger. In diesem Bereich verlassen sich Wissenschaftler auf Konzepte wie Fermi-Energie, ein Konzept, das sich normalerweise auf die Energie des höchsten besetzten Quantenzustands in einem Fermionensystem bei absoluter Nulltemperatur bezieht.
Fermionen:
Fermionen haben ihren Namen vom berühmten italienischen Physiker des 20. Jahrhunderts Enrico Fermi. Dies sind subatomare Teilchen, die normalerweise mit Materie verbunden sind, während subatomare Teilchen wie Bosonen Kraftträger sind (verbunden mit Schwerkraft, Kernkräften, Elektromagnetismus usw.). Diese Teilchen (die die Form von Elektronen, Protonen und Neutronen annehmen können) gehorchen dem Pauli Ausschlussprinzip, das besagt, dass keine zwei Fermionen denselben (Ein-Teilchen-)Quantenzustand einnehmen können.
Neils Bohrs Modell ein Stickstoffatom. Bildnachweis: britannica.com
In einem System mit vielen Fermionen (wie Elektronen in einem Metall) hat jedes Fermion einen anderen Satz von Quantenzahlen. Fermi-Energie als Konzept ist wichtig bei der Bestimmung der elektrischen und thermischen Eigenschaften von Festkörpern. Der Wert des Fermi-Niveaus am absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) wird Fermi-Energie genannt und ist eine Konstante für jeden Festkörper. Das Fermi-Niveau ändert sich, wenn der Festkörper erwärmt wird und dem Festkörper Elektronen hinzugefügt oder ihm entzogen werden.
Berechnung der Fermi-Energie:
Um die niedrigste Energie zu bestimmen, die ein System von Fermionen haben kann (auch bekannt als 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 unbesetzten Quantenzustände mit der niedrigsten Energie auf.
Wenn alle Teilchen aufgenommen wurden, ist die Fermi-Energie die Energie des höchsten besetzten Zustands. Das bedeutet, dass sich die Elektronen im Metall immer noch bewegen, selbst wenn wir einem Metall alle 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.
Bild, das Bosonen, Fermionen und andere Teilchen zeigt, die durch eine hochenergetische Kollision entstanden sind. Bildnachweis: CERN
Anwendungen:
Die Fermi-Energie ist eines der wichtigsten Konzepte der Physik der kondensierten Materie. Es wird beispielsweise 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 supraflüssiges 3He), und es ist sehr wichtig für die Kernphysik und das Verständnis der Stabilität von Weißen Zwergensternen gegen Gravitationskollaps .
Verwirrenderweise wird der Begriff „Fermi-Energie“ oft verwendet, um ein anderes, aber eng verwandtes Konzept zu beschreiben, das Fermi-Niveau (auch chemisches Potenzial genannt). Die Fermi-Energie und das chemische Potential sind beim absoluten Nullpunkt gleich, unterscheiden sich aber bei anderen Temperaturen.
Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über Quantenphysik geschrieben. Hier ist Was ist das Bohrsche Atommodell? , Quantenverschränkung erklärt , Was ist das Elektronenwolkenmodell? , Was ist das Doppelspaltexperiment? , Was ist Schleifenquantengravitation? und Das Quantenprinzip vereinen – Mitfließen in vier Dimensionen .
Wenn Sie weitere Informationen zu Fermi Energy wünschen, lesen Sie diese Artikel von Hyperphysik und Wissenschaftswelt .
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast rund um die Quantenmechanik aufgenommen. Hör zu, Folge 138: Quantenmechanik .
Quellen: