ما هي طاقة فيرمي؟

Send

عندما يتعلق الأمر بالفيزياء ، فإن مفهوم الطاقة هو أمر صعب ، يخضع للعديد من المعاني المختلفة ويعتمد على العديد من السياقات الممكنة. على سبيل المثال ، عند التحدث عن الذرات والجسيمات ، تأتي الطاقة في عدة أشكال ، مثل الطاقة الكهربائية والطاقة الحرارية وطاقة الضوء.

ولكن عندما يدخل المرء في مجال ميكانيكا الكم ، وهو عالم أكثر تعقيدًا وغادرًا ، تصبح الأمور أكثر صعوبة. في هذا المجال ، يعتمد العلماء على مفاهيم مثل Fermi Energy ، وهو مفهوم يشير عادة إلى طاقة أعلى حالة كمومية مشغولة في نظام الفرميونات عند درجة حرارة صفرية مطلقة.

الفرميونات:

أخذ اسم فرميونز من الفيزيائي الإيطالي الشهير إنريكو فيرمي في القرن العشرين. هذه هي جزيئات دون ذرية ترتبط عادة بالمادة ، في حين أن الجسيمات دون الذرية مثل البوزونات هي حاملات قوة (مرتبطة بالجاذبية والقوى النووية والكهرومغناطيسية ، وما إلى ذلك) هذه الجسيمات (التي يمكن أن تأخذ شكل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات) تطيع البولي مبدأ الاستبعاد ، الذي ينص على أنه لا يمكن لفرميونات أن تشغل نفس الحالة الكمية (جسيم واحد).

في نظام يحتوي على العديد من الفرميونات (مثل الإلكترونات في معدن) ، سيكون لكل فرميون مجموعة مختلفة من الأرقام الكمومية. إن طاقة فيرمي ، كمفهوم ، مهمة في تحديد الخواص الكهربائية والحرارية للمواد الصلبة. تسمى قيمة مستوى فيرمي عند الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية) طاقة فيرمي وهي ثابتة لكل مادة صلبة. يتغير مستوى فيرمي مع تدفئة المادة الصلبة وعند إضافة الإلكترونات أو سحبها من المادة الصلبة.

حساب طاقة فيرمي:

لتحديد أدنى طاقة يمكن أن يمتلكها نظام الفرميونات (ويعرف أيضًا بأقل طاقة فيرمي ممكنة) ، نقوم أولاً بتجميع الحالات في مجموعات ذات طاقة متساوية ، ونطلب هذه المجموعات عن طريق زيادة الطاقة. بدءًا من نظام فارغ ، نضيف بعد ذلك جزيئات واحدة في كل مرة ، ونملأ بالتتابع الحالات الكمية غير المشغولة بأقل طاقة.

عندما يتم إدخال جميع الجسيمات ، فإن طاقة فيرمي هي طاقة أعلى حالة مشغولة. ما يعنيه هذا هو أنه حتى إذا استخرجنا كل الطاقة الممكنة من المعدن عن طريق تبريده إلى درجة حرارة قريبة من الصفر (0 كلفن) ، فإن الإلكترونات في المعدن لا تزال تتحرك. أسرعها يتحرك بسرعة تقابل طاقة حركية مساوية لطاقة فيرمي.

التطبيقات:

تعتبر طاقة فيرمي واحدة من المفاهيم الهامة لفيزياء المادة المكثفة. يتم استخدامه ، على سبيل المثال ، لوصف المعادن والعوازل وأشباه الموصلات. إنها كمية مهمة جدًا في فيزياء الموصلات الفائقة ، وفي فيزياء السوائل الكمومية مثل الهليوم في درجات الحرارة المنخفضة (العادية والسوائل الفائقة 3He) ، وهي مهمة جدًا للفيزياء النووية وفهم استقرار النجوم القزمة البيضاء ضد الانهيار الجاذبية .

بشكل مربك ، غالبًا ما يستخدم مصطلح "طاقة فيرمي" لوصف مفهوم مختلف ولكنه وثيق الصلة ، وهو مستوى فيرمي (يُطلق عليه أيضًا الإمكانات الكيميائية). طاقة Fermi والكيميائية هي نفسها عند الصفر المطلق ، ولكنها تختلف في درجات الحرارة الأخرى.

لقد كتبنا العديد من المقالات المثيرة للاهتمام حول فيزياء الكم هنا في مجلة الفضاء. إليك ما هو نموذج بور الذري ؟، شرح التشابك الكمي ، ما هو نموذج سحابة الإلكترون ، ما هي تجربة الشق المزدوج ؟، ما هو الجاذبية الكموية حلقة؟ وتوحيد مبدأ الكم - التدفق على أربعة أبعاد.

إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول Fermi Energy ، فراجع هذه المقالات من Hyperphysics و Science World.

لقد سجلنا أيضًا حلقة كاملة من علم الفلك يلقي كل شيء عن ميكانيكا الكم. استمع هنا ، الحلقة 138: ميكانيكا الكم.

مصادر: