Кіріспе

Ферми энергиясы – кванттық механикадағы түсінік, әдетте абсолюттік нөл температурасында өзара әрекеттеспейтін фермиондардың кванттық жүйесіндегі ең жоғары және ең төменгі орналасқан бір бөлшектің арасындағы энергия айырмашылығын білдіреді. Ферми газында ең төменгі орналасқан күйдің кинетикалық энергиясы нөл деп есептеледі, ал металдарда ең төменгі орналасқан күй әдетте өткізгіштік жолағының түбін көрсетеді. "Ферми энергиясы" термині көбінесе басқа, бірақ тығыз байланысты түсінік – Ферми деңгейіне (электрохимиялық потенциал деп те аталады) қатысты қолданылады. Ферми деңгейі мен Ферми энергиясының арасында бірнеше маңызды айырмашылықтар бар, кем дегенде осы мақалада қолданылатындай: Ферми энергиясы тек абсолюттік нөлде анықталады, ал Ферми деңгейі кез келген температурада анықталады. Ферми энергиясы – энергия айырмашылығы (әдетте кинетикалық энергияға сәйкес келеді), ал Ферми деңгейі – кинетикалық және потенциалдық энергияны қамтитын жалпы энергия деңгейі. Ферми энергиясы тек өзара әрекеттеспейтін фермиондар үшін ғана анықталуы мүмкін (онда потенциалдық энергия немесе жолақтың жиегі статикалық, жақсы анықталған шама), ал Ферми деңгейі тіпті термодинамикалық тепе-теңдіктегі күрделі өзара әрекеттесетін жүйелерде де жақсы анықталады. Егер металдың абсолюттік нөлдегі Ферми деңгейі ең жоғары орналасқан бір бөлшектің күйінің энергиясы болса, онда металдың Ферми энергиясы – Ферми деңгейі мен ең төмен орналасқан бір бөлшектің күйі арасындағы энергия айырмашылығы болып табылады, нөл температурасында.

Контекст

Кванттық механикада фермиондар деп аталатын бөлшектер тобы (мысалы, электрондар, протондар және нейтрондар) Паулидің қанағаттандыру принципіне бағынады. Бұл принцип екі фермионның бірдей кванттық күйде бола алмайтынын көрсетеді. Бір-бірімен әрекеттеспейтін идеалды Ферми газы жеке бөлшектердің тұрақты күйлері арқылы талдануы мүмкін болғандықтан, екі фермион бірдей тұрақты күйді иелене алмайды деуге болады. Бұл тұрақты күйлер әдетте энергия жағынан ерекшеленеді. Жүйенің негізгі күйін табу үшін біз бос жүйеден бастаймыз және бөлшектерді бірінен соң бірін қосып, ең төменгі энергияға ие бос тұрақты күйлерді толықтырамыз. Барлық бөлшектер орналасқаннан кейін, Ферми энергиясы ең жоғары толтырылған күйдің кинетикалық энергиясына тең болады. Салдарынан, тіпті Ферми газын абсолюттік нөл температурасына дейін салқындатып, барлық мүмкін энергияны шығарған жағдайда да, фермиондар жоғары жылдамдықпен қозғала береді. Ең жылдамдары Ферми энергиясына тең кинетикалық энергияға сәйкес келетін жылдамдықпен қозғалады. Бұл жылдамдық Ферми жылдамдығы деп аталады. Тек температура Ферми температурасынан асқанда ғана бөлшектер абсолюттік нөлдегіден гөрі айтарлықтай жылдам қозғала бастайды. Ферми энергиясы – металдар мен суперөткізгіштердің қатты дене физикасындағы маңызды ұғым. Бұл сонымен қатар төмен температурадағы гелий сияқты кванттық сұйықтықтардың физикасындағы өте маңызды шама (қалыпты және суперфлюидтік 3He), сондай-ақ ядролық физика үшін және ақ еріккен жұлдыздардың гравитациялық құлауға қарсы тұрақтылығын түсіну үшін де маңызды.

Металдар

Еркін электронды модель бойынша, металдағы электрондарды Ферми газы ретінде қарастыруға болады. Металдардағы өткізгіш электрондардың сандық тығыздығы шамамен 1028 және 1029 электрон/м3 аралығында өзгереді, бұл қалыпты қатты денедегі атомдардың тығыздығымен салыстырылады. Осы сандық тығыздық 2-ден 10 электронвольтқа дейінгі Ферми энергиясын тудырады.

Ақ жұлдыздар

Ақ ергештер деп аталатын жұлдыздардың массасы Күннің массасына шамалас, бірақ радиусы оның жүзден бір бөлігін құрайды. Жоғары тығыздық салдарынан электрондар енді жеке ядролармен байланыспай, дегенерациялық электрондық газ түзеді. Олардың Ферми энергиясы шамамен 0,3 МеВ-қа тең.

Ядро

Тағы бір әдеттегі мысал – атом ядросындағы нуклондар. Ядро радиусы өзгерістерге ұшырай алады, сондықтан Ферми энергиясының әдеттегі мәні 38 МэВ деп беріледі.