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.
The Fermi energy is a concept in quantum mechanics usually referring to the energy difference between the highest and lowest occupied single particle states in a quantum system of non interacting fermions at absolute zero temperature. In a Fermi gas, the lowest occupied state is taken to have zero kinetic energy, whereas in a metal, the lowest occupied state is typically taken to mean the bottom of the conduction band. The term "Fermi energy" is often used to refer to a different yet closely related concept, the Fermi level (also called electrochemical potential). There are a few key differences between the Fermi level and Fermi energy, at least as they are used in this article:
The Fermi energy is only defined at absolute zero, while the Fermi level is defined for any temperature. The Fermi energy is an energy difference (usually corresponding to a kinetic energy), whereas the Fermi level is a total energy level including kinetic energy and potential energy. The Fermi energy can only be defined for non interacting fermions (where the potential energy or band edge is a static, well defined quantity), whereas the Fermi level remains well defined even in complex interacting systems, at thermodynamic equilibrium. Since the Fermi level in a metal at absolute zero is the energy of the highest occupied single particle state,
then the Fermi energy in a metal is the energy difference between the Fermi level and lowest occupied single particle state, at zero temperature.
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.