Quando si tratta di fisica, il concetto di energia è una cosa complicata, soggetta a molti significati diversi e dipendente da molti contesti possibili. Ad esempio, quando si parla di atomi e particelle, l'energia si presenta in diverse forme, come energia elettrica, energia termica ed energia luminosa.
Ma quando si entra nel campo della meccanica quantistica, un regno molto più complesso e infido, le cose diventano ancora più complicate. In questo regno, gli scienziati fanno affidamento su concetti come l'energia di Fermi, un concetto che di solito si riferisce all'energia del più elevato stato quantico occupato in un sistema di fermioni a temperatura zero assoluta.
Fermioni:
I fermioni prendono il nome dal famoso fisico italiano del XX secolo Enrico Fermi. Queste sono particelle subatomiche che di solito sono associate alla materia, mentre particelle subatomiche come i bosoni sono portatori di forza (associati a gravità, forze nucleari, elettromagnetismo, ecc.) Queste particelle (che possono assumere la forma di elettroni, protoni e neutroni) obbediscono ai Pauli Principio di esclusione, che afferma che nessun due fermioni può occupare lo stesso stato quantico (una particella).
In un sistema contenente molti fermioni (come gli elettroni in un metallo), ogni fermione avrà un diverso insieme di numeri quantici. L'energia di Fermi, come concetto, è importante nel determinare le proprietà elettriche e termiche dei solidi. Il valore del livello di Fermi a zero assoluto (-273,15 ° C) è chiamato energia di Fermi ed è una costante per ogni solido. Il livello di Fermi cambia quando il solido viene riscaldato e quando gli elettroni vengono aggiunti o estratti dal solido.
Calcolo dell'energia di Fermi:
Per determinare l'energia più bassa che un sistema di fermioni può avere (ovvero l'energia di Fermi più bassa possibile), prima raggruppiamo gli stati in insiemi con uguale energia e ordiniamo questi insiemi aumentando l'energia. A partire da un sistema vuoto, quindi aggiungiamo particelle una alla volta, riempiendo consecutivamente gli stati quantici non occupati con la più bassa energia.
Quando tutte le particelle sono state inserite, l'energia di Fermi è l'energia dello stato più alto occupato. Ciò significa che anche se abbiamo estratto tutta l'energia possibile da un metallo raffreddandolo a una temperatura quasi zero (0 kelvin), gli elettroni nel metallo si stanno ancora muovendo. I più veloci si muovono a una velocità corrispondente a un'energia cinetica pari all'energia di Fermi.
Applicazioni:
L'energia di Fermi è uno dei concetti importanti della fisica della materia condensata. È usato, ad esempio, per descrivere metalli, isolanti e semiconduttori. È una quantità molto importante nella fisica dei superconduttori, nella fisica dei liquidi quantistici come l'elio a bassa temperatura (sia normale che superfluido 3He), ed è abbastanza importante per la fisica nucleare e comprendere la stabilità delle stelle bianche nane contro il collasso gravitazionale .
Confusamente, il termine "energia di Fermi" è spesso usato per descrivere un concetto diverso ma strettamente correlato, il livello di Fermi (chiamato anche potenziale chimico). L'energia e il potenziale chimico di Fermi sono uguali a zero assoluto, ma differiscono ad altre temperature.
Abbiamo scritto molti articoli interessanti sulla fisica quantistica qui su Space Magazine. Ecco cos'è il modello atomico di Bohr ?, ha spiegato l'entanglement quantistico, cos'è il modello di nuvola di elettroni, cos'è l'esperimento a doppia fenditura ?, cos'è la gravità quantistica del loop? e unificare il principio quantistico: scorrere in quattro dimensioni.
Se desideri maggiori informazioni su Fermi Energy, consulta questi articoli da Hyperphysics and Science World.
Abbiamo anche registrato un intero episodio del cast di astronomia tutto sulla meccanica quantistica. Ascolta qui, episodio 138: Meccanica quantistica.
fonti:
- Wikipedia - Fermi Energy
- Wikipedia - Fermion
- Enciclopedia Britannica - Fermi Energy
- Iperfisica - Livello di Fermi
