族谱网 头条 人物百科

费米能

2020-10-16
出处:族谱网
作者:阿族小谱
浏览:4200
转发:0
评论:0
三维形式的推导考虑一个处于边长为L的正方体内无相互作用的费米子(如电子)组成的固态系统,其总体积V=L。由于该系统中的电子为其余离子所共享,并不束缚于特定的离子,不考虑电子间的相互作用以及彼此间的散射作用,与电子和离子间的散射作用,亦不考虑电子的自旋耦合作用,综上,电子可视为束缚在该固态系统中的自由粒子,而由于采用以上的近似,故电子在该固态系统中的能量为三维无限深方形阱中的特征能量,为量子化分布。因此该系统的波函数可写为:在某一能级上一个粒子的能量为:在绝对零度时,该费米子系统中存在具有最高能量即费米能的一个粒子,将该粒子所处的态记为nF。对于具有N个费米子的系统,其nF须满足:或简化为带入En能量式,即得到费米能的表达式:利用几何关系(将L写成V),既得到用单位体积中的粒子数表示的费米能:典型的费米能白矮星白矮星是宇宙中一类质量与太阳相当,但半径约只有太阳的1/100的天体。这种天体的高...

三维形式的推导

考虑一个处于边长为 L 的正方体内无相互作用的费米子(如电子)组成的固态系统,其总体积 V = L 。由于该系统中的电子为其余离子所共享,并不束缚于特定的离子,不考虑电子间的相互作用以及彼此间的散射作用,与电子和离子间的散射作用,亦不考虑电子的自旋耦合作用,综上,电子可视为束缚在该固态系统中的自由粒子,而由于采用以上的近似,故电子在该固态系统中的能量为三维无限深方形阱中的特征能量,为量子化分布。因此该系统的波函数可写为:

在某一能级上一个粒子的能量为:

在绝对零度时,该费米子系统中存在具有最高能量即 费米能 的一个粒子,将该粒子所处的 态 记为 n F 。对于具有 N 个费米子的系统,其 n F 须满足:

或简化为

带入 E n 能量式,即得到费米能的表达式:

利用几何关系(将 L 写成 V ),既得到用单位体积中的粒子数表示的费米能:

典型的费米能

白矮星

白矮星是宇宙中一类质量与太阳相当,但半径约只有太阳的1/100的天体。这种天体的高密度使的其中的电子不是被各自所属的单个原子核束缚,而是以简并电子气的形式存在。白矮星中的体积电子数密度为10 个/m 量级。利用前面的公式可以得到其费米能为:

原子核

另一个典型例子是构成原子核的核子(即质子和中子)。原子核半径约为:

所以原子核的核子数密度为:

所以原子核的费米能约为:

费米能级

费米能级是绝对零度下电子的最高能级。根据泡利不相容原理,同一个量子态不能容纳两个或两个以上的费米子,所以在绝对零度下,电子将从低到高依次填充各能级,形成电子能态的“ 费米海 ”[1]。“费米海”中每个电子的平均能量为(绝对零度下):

其中 E F {\displaystyle E_{F}} 为费米能。

费米面上电子(或其它费米子)的动量称为 费米动量 ,满足:

其中 m e {\displaystyle m_{e}} 为电子质量。

这个概念通常应用在能量和动量之间的色散关系上,与动量的方向无关。更一般的情况下,费米能更具有普遍意义。

费米速度 指绝对零度下电子绕原子核运动的最高速度,该速度对应于前面给出的费米能量。费米速度定义为:

其中 m e {\displaystyle m_{e}} 为电子质量。

另一个相关的概念是 费米温度 ,定义为:

其中 k B 为玻尔兹曼常数。

物质在费米温度以下会越来越显著地表现出量子效应。

量子力学解释

费米能

各种物质在达成平衡时电子能带结构的填补情形。由于泡利不相容原理,电子会填满所有能级至费米能级,在金属或半金属里,费米能级位于能带内。在绝缘体与半导体里,费米能级位于带隙内。

根据量子力学理论,具有半奇数自旋量子数(通常为1/2)的费米子,如电子,遵循泡利不相容原理,即一个量子态只能被一个粒子所占据。因此,费米子在能级中的分布遵循费米-狄拉克分布。一个由无相互作用的费米子组成的系统的基态模型可按照如下的方法构造:从无粒子系统开始,将粒子逐个填入现有而未被占据的最低能量的量子态,直到所有粒子全部填完。此时,系统的费米能就是 最高占据分子轨道 (highest occupied molecular orbital,缩写为HOMO)的能量。在导电材料中,HOMO与 最低未占据分子轨道 (lowest unoccupied molecular orbital,缩写为LUMO)是等价的。但在其它材料中,上述两个轨道的能量会相差2-3电子伏。事实上这一能隙在导体中也存在,只是小得可以忽略而已。

自由电子气

自由电子气是借用理想气体模型描述费米子系统性质的量子力学模型。该模型中,粒子所处的量子态可用它们具有的动量来表征。对于周期性系统,譬如在金属原子点阵中运动的电子,亦可类似地引入“ 准动量 ”的概念以表征量子态(参见条目布洛赫波)。无论上述哪种模型,其具有费米能的量子态都处于动量空间中的一个确定的曲面上,这个曲面称为 费米面 。自由电子气的费米面是一个球面;周期体系中的费米面则通常是扭曲面(参见条目布里渊区)。费米面包围的体积决定了系统中的电子数,而费米面的拓扑结构则与金属的各种传导性质(如电导率)直接相关。对费米面的研究有时被称为“ 费米学 ”(Fermiology)。如今,绝大多数金属的费米面均已经有较透彻的理论与实验研究。

自由电子气的费米能与化学势之间存在如下关系:

其中 E F 为费米能, k B 为玻尔兹曼常数, T 为绝对温度。从上式可以看出,当温度远低于 费米温度 E F / k B 时,系统的化学势与费米能近似相等。金属的费米温度为10 K量级,因此在室温(300 K)下,系统的费米能与化学势基本上是相等的。这在应用上是一个重要的结论,因为费米-狄拉克分布的表达式现的是化学势,而不是费米能

参见

费米气体

半导体

电气工程

电子学

热力学

参考资料

黄昆原著,韩汝琦改编,《固体物理学》,高等教育出版社,北京,1988,ISBN 978-7-04-001025-1

蔡维理编,中国科学技术大学固体物理学课程课件(PowerPoint文件),主页

Kroemer, Herbert; Kittel, Charles. Thermal Physics(2nd ed.). W. H. Freeman Company. 1980. ISBN 978-0-7167-1088-2.

各种元素的费米能、费米速度、和费米温度表 (英文)

关于费米气体和费米温度的讨论。


免责声明:以上内容版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。感谢每一位辛勤著写的作者,感谢每一位的分享。

——— 没有了 ———
编辑:阿族小谱
发表评论
写好了,提交
{{item.label}}
{{commentTotal}}条评论
{{item.userName}}
发布时间:{{item.time}}
{{item.content}}
回复
举报
点击加载更多
打赏作者
“感谢您的打赏,我会更努力的创作”
— 请选择您要打赏的金额 —
{{item.label}}
{{item.label}}
打赏成功!
“感谢您的打赏,我会更努力的创作”
返回

更多文章

更多精彩文章
打赏
私信

推荐阅读

· 费米气体
参阅《超流体》/(美)沈星扬著(1982).-北京:科学出版社费米能盒中气体玻色气体全同粒子
· 费米子
基本费米子标准模型确认两种基本费米子:夸克与轻子。而这2类基本费米子,又分为合共24种味(flavour):12种夸克:包括上夸克(u)、下夸克(d)、奇夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)、顶夸克(t),及它们对应的6种反粒子。12种轻子:包括电子(e)、μ子(μ)、τ子(τ)、电中微子(νe)、μ中微子(νμ)、陶中微子(ντ),及对应的6种反粒子。理论而言,费米子有三种:不带质量的外尔费米子(Weylfermion)、带质量的狄拉克费米子(Diracfermions)、粒子与反粒子相同的马约拉纳费米子。物理学者认为,大多数标准模型费米子是狄拉克费米子,虽然物理学者们尚不清楚中微子是狄拉克中微子还是马约拉纳中微子。狄拉克费米子可以视为左手的外尔费米子与右手的外尔费米子的组合。复合费米子依它们组成的成分而定,复合粒子可以是玻色子或费米子。更精准而言,由于自旋与统计之间的关系,奇数数量的...
· 费米凝聚
参见相态相态列表手征对称性手征对称性破缺
· 费米问题
费米问题的例子一个经典的费米问题的例子是费米提出的“在芝加哥有多少钢琴调琴师”,一个典型的答案或包括一系列估算数据的乘法。如果估计正确,它将得到一个正确的答案。比如说,我们会采用以下的假设:大约有9,000,000人生活在芝加哥。在芝加哥平均每个家庭有2个人。大约在20个家庭中有1个家庭有定期地需要调钢琴。定期调琴的钢琴每年需要调整一次。每个调琴师大约需要2小时调琴,包括路上时间。每个调琴师每天工作8小时,一周5天,一年50周。通过这些假设我们可以计算出每年在芝加哥需要调整的钢琴数量是类似地计算出平均每个调琴师做除法得到事实上,一共有大约290名调琴师在芝加哥。另一个类似费米问题的著名例子是德雷克公式,是一条用来推测“可能与我们接触的银河系内外星球高智文明的数量”的公式。另一个基本问题费米悖论阐述的是对地外文明存在性的过高估计和缺少相关证据之间的矛盾。
· 费米娜奖
历史在女诗人阿娜∙德∙诺阿伊(AnnadeNoailles)主持下,由阿晒特(Hachette)出版社下属的《幸福生活》(LaVieheureuse)杂志社设立于1904年,是跟龚古尔奖相对的女性年度文学奖,该奖颁发给当年度最优秀散文或诗歌的作者。最初命名为幸福生活奖,初奖于1904年12月4日颁发给《征服耶路撒冷》(LaConquêtedeJérusalem)的作者米赫雅姆∙哈里(MyriamHarry)。费米娜奖评审委员会全由女性组成,最初评审委员为20位,比龚古尔评审委员的人数多一倍,但在20世纪20年代改以皮埃尔∙拉菲特(PierreLafitte)创立的杂志《费米娜》(Fémina)的名字命名该奖,评审委员的人数也由20位缩减为12位,颁奖时间为每年11月的第一个星期三,地点在巴黎克里翁国宾馆。根据历年来颁奖结果来看,费米娜奖的获得者绝大多数为男性,只是由女性评选、颁发而已。费米...

关于我们

关注族谱网 微信公众号,每日及时查看相关推荐,订阅互动等。

APP下载

下载族谱APP 微信公众号,每日及时查看
扫一扫添加客服微信