En ce qui concerne la physique, le concept d'énergie est une chose délicate, soumise à de nombreuses significations différentes et dépendant de nombreux contextes possibles. Par exemple, lorsque l'on parle d'atomes et de particules, l'énergie se présente sous plusieurs formes, telles que l'énergie électrique, l'énergie thermique et l'énergie lumineuse.
Mais quand on entre dans le domaine de la mécanique quantique, un domaine beaucoup plus complexe et perfide, les choses deviennent encore plus délicates. Dans ce domaine, les scientifiques s'appuient sur des concepts tels que Fermi Energy, un concept qui se réfère généralement à l'énergie de l'état quantique occupé le plus élevé dans un système de fermions à une température zéro absolue.
Fermions:
Les fermions tirent leur nom du célèbre physicien italien du XXe siècle Enrico Fermi. Ce sont des particules subatomiques qui sont généralement associées à la matière, tandis que les particules subatomiques comme les bosons sont des porteurs de force (associés à la gravité, aux forces nucléaires, à l'électromagnétisme, etc.) Ces particules (qui peuvent prendre la forme d'électrons, de protons et de neutrons) obéissent aux Pauli Principe d'exclusion, qui stipule que deux fermions ne peuvent pas occuper le même état quantique (à une particule).
Dans un système contenant de nombreux fermions (comme des électrons dans un métal), chaque fermion aura un ensemble différent de nombres quantiques. L'énergie de Fermi, en tant que concept, est importante pour déterminer les propriétés électriques et thermiques des solides. La valeur du niveau de Fermi au zéro absolu (-273,15 ° C) est appelée énergie de Fermi et est une constante pour chaque solide. Le niveau de Fermi change à mesure que le solide se réchauffe et que des électrons sont ajoutés ou retirés du solide.
Calcul de l'énergie de Fermi:
Pour déterminer l'énergie la plus basse qu'un système de fermions puisse avoir (c'est-à-dire l'énergie Fermi la plus basse possible), nous groupons d'abord les états en ensembles avec une énergie égale, et nous ordonnons ces ensembles en augmentant l'énergie. En partant d'un système vide, nous ajoutons ensuite des particules une par une, remplissant consécutivement les états quantiques inoccupés avec l'énergie la plus faible.
Lorsque toutes les particules ont été introduites, l'énergie de Fermi est l'énergie de l'état occupé le plus élevé. Cela signifie que même si nous avons extrait toute l'énergie possible d'un métal en le refroidissant à une température proche de zéro absolue (0 kelvin), les électrons dans le métal se déplacent toujours. Les plus rapides se déplacent à une vitesse correspondant à une énergie cinétique égale à l'énergie de Fermi.
Applications:
L'énergie de Fermi est l'un des concepts importants de la physique de la matière condensée. Il est utilisé, par exemple, pour décrire les métaux, les isolants et les semi-conducteurs. C'est une quantité très importante dans la physique des supraconducteurs, dans la physique des liquides quantiques comme l'hélium à basse température (à la fois normal et superfluide 3He), et elle est très importante pour la physique nucléaire et pour comprendre la stabilité des étoiles naines blanches contre l'effondrement gravitationnel .
De façon confuse, le terme «énergie de Fermi» est souvent utilisé pour décrire un concept différent mais étroitement lié, le niveau de Fermi (également appelé potentiel chimique). L'énergie de Fermi et le potentiel chimique sont les mêmes au zéro absolu, mais diffèrent à d'autres températures.
Nous avons écrit de nombreux articles intéressants sur la physique quantique ici à Space Magazine. Voici ce qu'est le modèle atomique de Bohr?, L'intrication quantique expliquée, Qu'est-ce que le modèle de nuage d'électrons, Qu'est-ce que l'expérience à double fente?, Qu'est-ce que la gravité quantique en boucle? et unification du principe quantique - qui coule en quatre dimensions.
Si vous souhaitez plus d'informations sur Fermi Energy, consultez ces articles de Hyperphysics and Science World.
Nous avons également enregistré un épisode entier d'Astronomy Cast consacré à la mécanique quantique. Écoutez ici, épisode 138: Mécanique quantique.
Sources:
- Wikipédia - Fermi Energy
- Wikipédia - Fermion
- Encyclopédie Britannica - Fermi Energy
- Hyperphysique - Niveau de Fermi
