เมื่อพูดถึงฟิสิกส์แนวคิดเรื่องพลังงานเป็นเรื่องที่ยุ่งยากภายใต้ความหมายที่แตกต่างกันมากมายและขึ้นอยู่กับบริบทที่เป็นไปได้ ตัวอย่างเช่นเมื่อพูดถึงอะตอมและอนุภาคพลังงานมาในหลายรูปแบบเช่นพลังงานไฟฟ้าพลังงานความร้อนและพลังงานแสง
แต่เมื่อมีใครเข้ามาในสนามกลศาสตร์ควอนตัมดินแดนที่มีความซับซ้อนและทรยศมากขึ้น ในดินแดนนี้นักวิทยาศาสตร์พึ่งพาแนวคิดเช่น Fermi Energy ซึ่งเป็นแนวคิดที่มักจะอ้างถึงพลังงานของสถานะควอนตัมที่ถูกครอบครองสูงสุดในระบบของเฟอร์มิออนที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์
เฟอร์มิออน:
Fermions ใช้ชื่อของพวกเขาจาก Enrico Fermi นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีที่มีชื่อเสียงในศตวรรษที่ 20 เหล่านี้เป็นอนุภาคของอะตอมที่มักจะเกี่ยวข้องกับสสารในขณะที่อนุภาคของอะตอมเช่นโบซอนเป็นพาหะของแรง (เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงแรงนิวเคลียร์แรงแม่เหล็กไฟฟ้า ฯลฯ ) อนุภาคเหล่านี้ (ซึ่งสามารถอยู่ในรูปของอิเล็กตรอนโปรตอนและนิวตรอน) เชื่อฟังเปาลี หลักการกีดกันซึ่งระบุว่าไม่มีสองเฟอร์มิออนสามารถครอบครองสถานะควอนตัม (อนุภาคเดียว)
ในระบบที่มีเฟอร์มิออนจำนวนมาก (เช่นอิเล็กตรอนในโลหะ) แต่ละเฟอร์มิออนจะมีชุดจำนวนควอนตัมที่แตกต่างกัน พลังงาน Fermi เป็นแนวคิดที่มีความสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อนของของแข็ง ค่าของระดับเฟอร์มีที่ศูนย์สัมบูรณ์ (-273.15 ° C) เรียกว่าพลังงานเฟอร์มีและเป็นค่าคงที่สำหรับของแข็งแต่ละค่า ระดับเฟอร์มีการเปลี่ยนแปลงเมื่อของแข็งอบอุ่นและเป็นอิเล็กตรอนถูกเพิ่มหรือถอนออกจากของแข็ง
การคำนวณพลังงานแฟร์:
ในการกำหนดพลังงานต่ำสุดที่ระบบของเฟอร์มิออนสามารถมีได้ (หรือว่าเป็นพลังงานต่ำที่สุดที่เป็นไปได้) เราจะจัดกลุ่มรัฐเป็นกลุ่มด้วยพลังงานเท่ากันและสั่งชุดพลังงานเหล่านี้โดยเพิ่มพลังงาน เริ่มต้นด้วยระบบที่ว่างเปล่าจากนั้นเราจะเพิ่มอนุภาคทีละครั้งโดยเติมสถานะควอนตัมที่ว่างด้วยพลังงานต่ำสุดอย่างต่อเนื่อง
เมื่อใส่อนุภาคทั้งหมดเข้าไปแล้วพลังงานของ Fermi ก็คือพลังงานที่อยู่ในสถานะสูงสุด สิ่งนี้หมายความว่าแม้ว่าเราจะดึงพลังงานที่เป็นไปได้ทั้งหมดจากโลหะโดยการทำให้มันเย็นลงจนเกือบถึงอุณหภูมิศูนย์ (0 เคลวิน) แต่อิเล็กตรอนในโลหะยังคงเคลื่อนที่อยู่ คนที่เร็วที่สุดกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สอดคล้องกับพลังงานจลน์เท่ากับพลังงาน Fermi
การใช้งาน:
พลังงานแฟร์มีเป็นหนึ่งในแนวคิดสำคัญของฟิสิกส์สสารควบแน่น มันถูกใช้เพื่ออธิบายโลหะฉนวนและเซมิคอนดักเตอร์ มันเป็นปริมาณที่สำคัญมากในฟิสิกส์ของตัวนำยิ่งยวดในฟิสิกส์ของของเหลวควอนตัมเช่นฮีเลียมอุณหภูมิต่ำ (ทั้งปกติและ superfluid 3He) และมันค่อนข้างสำคัญต่อฟิสิกส์นิวเคลียร์และเข้าใจเสถียรภาพของดาวแคระขาวต่อแรงโน้มถ่วง .
พลุกพล่านคำว่า "พลังงาน Fermi" มักใช้เพื่ออธิบายแนวคิดที่แตกต่าง แต่สัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดนั่นคือระดับ Fermi (เรียกอีกอย่างว่าศักยภาพทางเคมี) พลังงานและเคมีของ Fermi นั้นมีค่าเท่ากันที่สัมบูรณ์ แต่แตกต่างกันที่อุณหภูมิอื่น ๆ
เราได้เขียนบทความที่น่าสนใจมากมายเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมที่นิตยสารอวกาศ นี่คือรูปแบบปรมาณู Bohr คืออะไร? อธิบายความยุ่งเหยิงของควอนตัมอะไรคือรูปแบบคลาวด์อิเล็กตรอนอะไรคือการทดลองแบบสองช่องคืออะไร และการรวมหลักการควอนตัม - ไหลไปพร้อมกันในสี่มิติ
หากคุณต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Fermi Energy ลองอ่านบทความเหล่านี้จาก Hyperphysics และ Science World
นอกจากนี้เรายังได้บันทึกเรื่องราวทั้งหมดของ Astronomy Cast เกี่ยวกับ Quantum Mechanics ฟังที่นี่ตอนที่ 138: กลศาสตร์ควอนตัม
แหล่งที่มา:
- Wikipedia - Fermi Energy
- Wikipedia - Fermion
- สารานุกรมบริแทนนิกา - Fermi Energy
- Hyperphysics - Fermi Level
