מהי אנרגיה פרמי?

Send

כשמדובר בפיזיקה, מושג האנרגיה הוא דבר מסובך, בכפוף למשמעויות רבות ושונות ותלוי בהקשרים רבים אפשריים. לדוגמא, כשמדברים על אטומים וחלקיקים, האנרגיה מגיעה בכמה צורות, כמו אנרגיה חשמלית, אנרגיית חום ואנרגיית אור.

אבל כשאנשים נכנסים לתחום מכניקת הקוונטים, תחום מורכב ובוגדני בהרבה, הדברים נעשים יותר מורכבים. בתחום זה, מדענים מסתמכים על מושגים כמו אנרגיה פרמי, מושג המתייחס בדרך כלל לאנרגיה של המצב הקוונטי הכבוש הגבוה ביותר במערכת פרמיונים בטמפרטורת אפס מוחלטת.

זרעים:

פרציות שואבות את שמם מהפיזיקאי האיטלקי המפורסם מהמאה העשרים אנריקו פרמי. אלה הם חלקיקים תת-אטומיים הקשורים בדרך כלל לחומר, ואילו חלקיקים תת-אטומיים כמו בוזונים הם נשאי כוח (הקשורים לכוח הכבידה, כוחות גרעיניים, אלקטרומגנטיות וכו '). חלקיקים אלה (שיכולים לקחת צורה של אלקטרונים, פרוטונים ונויטרונים) מצייתים לפאולי עקרון הרחקה, הקובע כי אין שני פרמיונים יכולים לתפוס את אותו מצב קוונטי (חלקיק אחד).

במערכת המכילה פרמיונים רבים (כמו אלקטרונים במתכת), לכל פרמיון תהיה קבוצה שונה של מספרים קוונטיים. אנרגיית פרמי, כמושג, חשובה בקביעת התכונות החשמליות והתרמיות של מוצקים. הערך של רמת פרמי באפס מוחלט (-273.15 מעלות צלזיוס) נקרא אנרגיית פרמי והוא קבוע לכל מוצק. רמת הפרמי משתנה ככל שמחממים את המוצק וכאשר מוסיפים אלקטרונים למוצק או נסוגים ממנו.

חישוב אנרגיה פרמי:

כדי לקבוע את האנרגיה הנמוכה ביותר שיכולה להיות מערכת של פרמיונים (aka. היא אנרגיית הפרמי הנמוכה ביותר), אנו מקבצים תחילה את המדינות לסטים עם אנרגיה שווה, ומזמינים קבוצות אלה על ידי הגדלת האנרגיה. החל ממערכת ריקה אנו מוסיפים חלקיקים בזה אחר זה, וממלאים ברצף את מצבי הקוואנטים הכבושים עם האנרגיה הנמוכה ביותר.

כאשר הוכנסו כל החלקיקים, אנרגיית פרמי היא האנרגיה של המדינה הכבושה ביותר. משמעות הדבר היא שגם אם חילצנו את כל האנרגיה האפשרית ממתכת על ידי קירורו לטמפרטורה אפסית מוחלטת (0 קלווין), האלקטרונים במתכת עדיין נעים סביב. המהירים ביותר נעים במהירות המתאימה לאנרגיה קינטית השווה לאנרגיית פרמי.

יישומים:

אנרגיית פרמי היא אחד המושגים החשובים בפיזיקה של חומר מעובה. הוא משמש למשל לתיאור מתכות, מבודדים ומוליכים למחצה. זוהי כמות חשובה מאוד בפיזיקה של מוליכי-על, בפיזיקה של נוזלים קוונטיים כמו הליום בטמפרטורה נמוכה (רגיל וגם מיותר 3He נוזלי), וזה די חשוב לפיזיקה גרעינית ולהבין את היציבות של כוכבי ננס לבן נגד קריסת כבידה .

באופן מבלבל, המונח "אנרגיית פרמי" משמש לרוב לתיאור מושג שונה אך קשור זה לזה, רמת הפרמי (המכונה גם פוטנציאל כימי). האנרגיה של פרמי והפוטנציאל הכימי זהים באפס מוחלט, אך נבדלים זה מזה בטמפרטורות אחרות.

כתבנו מאמרים מעניינים רבים על פיזיקת הקוונטים כאן במגזין החלל. הנה מהו המודל האטומי של בוהר ?, הסבר הסתבכות קוונטית, מהו מודל הענן האלקטרוני, מהו הניסוי הכפול סדק ?, מה הוא כוח הכבידה של הלולאה? ואיחוד העיקרון הקוונטי - זורם בארבעה מימדים.

אם תרצה לקבל מידע נוסף על פרמי אנרגיה, עיין במאמרים אלה מהיפרפיסיקה ומדע העולם.

הקלטנו גם פרק שלם של אסטרונומיה יצוק שכולל מכניקת הקוונטים. האזינו כאן, פרק 138: מכניקת הקוונטים.

מקורות: