Quando se trata de física, o conceito de energia é algo complicado, sujeito a muitos significados diferentes e dependente de muitos contextos possíveis. Por exemplo, ao falar de átomos e partículas, a energia ocorre de várias formas, como energia elétrica, energia térmica e energia luminosa.
Mas quando alguém entra no campo da mecânica quântica, um domínio muito mais complexo e traiçoeiro, as coisas ficam ainda mais complicadas. Nesse campo, os cientistas confiam em conceitos como Fermi Energy, um conceito que geralmente se refere à energia do estado quântico mais alto ocupado em um sistema de férmions à temperatura zero absoluta.
Fermiões:
Os férmions recebem o nome do famoso físico italiano do século 20, Enrico Fermi. Estas são partículas subatômicas que geralmente estão associadas à matéria, enquanto partículas subatômicas, como os bósons, são portadores de força (associados à gravidade, forças nucleares, eletromagnetismo etc.). Essas partículas (que podem assumir a forma de elétrons, prótons e nêutrons) obedecem a Pauli. Princípio da exclusão, que afirma que não há dois férmions podem ocupar o mesmo estado quântico (uma partícula).
Em um sistema que contém muitos férmions (como elétrons em um metal), cada férmion terá um conjunto diferente de números quânticos. A energia Fermi, como conceito, é importante na determinação das propriedades elétricas e térmicas dos sólidos. O valor do nível de Fermi no zero absoluto (-273,15 ° C) é chamado de energia de Fermi e é uma constante para cada sólido. O nível de Fermi muda à medida que o sólido é aquecido e à medida que os elétrons são adicionados ou retirados do sólido.
Cálculo da energia Fermi:
Para determinar a energia mais baixa que um sistema de férmions pode ter (também conhecido como energia Fermi mais baixa), primeiro agrupamos os estados em conjuntos com energia igual e ordenamos esses conjuntos aumentando a energia. Começando com um sistema vazio, adicionamos partículas uma por vez, preenchendo consecutivamente os estados quânticos desocupados com a menor energia.
Quando todas as partículas foram colocadas, a energia Fermi é a energia do estado mais alto ocupado. O que isto significa é que, mesmo que tenhamos extraído toda a energia possível de um metal, resfriando-a até a temperatura zero absoluta (0 kelvin), os elétrons no metal ainda estão se movendo. Os mais rápidos estão se movendo a uma velocidade correspondente a uma energia cinética igual à energia de Fermi.
Formulários:
A energia Fermi é um dos conceitos importantes da física da matéria condensada. É usado, por exemplo, para descrever metais, isoladores e semicondutores. É uma quantidade muito importante na física dos supercondutores, na física dos líquidos quânticos, como o hélio a baixa temperatura (3He normal e superfluido), e é muito importante para a física nuclear e entender a estabilidade das estrelas anãs brancas contra o colapso gravitacional. .
De maneira confusa, o termo “energia Fermi” é freqüentemente usado para descrever um conceito diferente, mas intimamente relacionado, o nível Fermi (também chamado de potencial químico). A energia e o potencial químico de Fermi são os mesmos no zero absoluto, mas diferem em outras temperaturas.
Escrevemos muitos artigos interessantes sobre física quântica aqui na Space Magazine. Aqui está o que é o modelo atômico de Bohr ?, o emaranhamento quântico explicado, o que é o modelo de nuvens de elétrons, o que é o experimento de fenda dupla ?, o que é a gravidade quântica em loop? e unificando o princípio quântico - fluindo em quatro dimensões.
Se você quiser obter mais informações sobre a Fermi Energy, consulte estes artigos da Hyperphysics and Science World.
Também gravamos um episódio inteiro do Astronomy Cast, sobre Mecânica Quântica. Ouça aqui, episódio 138: Mecânica Quântica.
Fontes:
- Wikipedia - Energia Fermi
- Wikipedia - Fermion
- Enciclopédia Britânica - Fermi Energy
- Hiperfísica - Nível de Fermi
