Differenza tra energia di Fermi e livello di Fermi

Differenza chiave - Fermi Energia vs Livello di Fermi
 

L'energia di Fermi e il livello di Fermi sono due termini distinti che sono spesso usati in modo intercambiabile. L'energia di Fermi è una differenza di energia dell'energia cinetica di un sistema che contiene fermioni mentre il livello di Fermi è una raccolta di energie cinetiche e potenziali di un sistema che contiene fermioni. Il differenza fondamentale tra l'energia di Fermi e il livello di Fermi è quello L'energia di Fermi è definita solo per la temperatura zero assoluto mentre il livello di Fermi è definito per qualsiasi temperatura.

CONTENUTO

1. Panoramica e differenza chiave
2. Cos'è l'energia di Fermi
3. Qual è il livello di Fermi
4. Confronto affiancato - Fermi Energy vs Fermi Level in forma tabulare
5. Sommario

Cos'è l'energia di Fermi?

L'energia di Fermi è la differenza di energia tra gli stati di singola particella occupati più alti e più bassi in un sistema quantistico di fermioni non interagenti a temperatura zero assoluta. Lo stato di singola particella di un sistema quantistico si riferisce allo stato di una singola particella che viene isolata. I fermioni sono particelle che seguono le statistiche di Fermi-Dirac. I fermioni includono principalmente quark e leptoni insieme a elettroni, protoni e neutroni. La temperatura zero assoluta è il limite inferiore di una scala di temperatura termodinamica.

Un gas di Fermi è un gruppo di particelle di fermione che non hanno interazioni tra questi fermioni. Quindi, è una fase della materia. È noto che lo stato più basso di un gas di Fermi ha un'energia cinetica zero. Ma il più basso stato occupato di un metallo è il fondo della sua banda di conduzione (le bande più vicine ai livelli di Fermi, quindi determinano la conduttività elettrica del metallo).

Figura 01: un confronto tra gli spazi bandistici

I fermioni obbediscono al principio di esclusione di Pauli (un principio che afferma che due fermioni identici non possono occupare lo stesso stato quantico). Pertanto, i gas di Fermi possono essere analizzati nel suo stato a singola particella. Esistono diversi stati di singole particelle con energie diverse. Lo stato fondamentale dell'intero sistema può essere trovato aggiungendo una particella nel sistema alla volta. Questi fermioni aggiunti occuperanno quindi gli stati non occupati più bassi di quel sistema. L'energia di Fermi può essere determinata quando tutti gli stati non occupati sono stati occupati da fermioni. Ciò significa che, anche se tutta l'energia viene estratta da un gas di Fermi, i fermioni saranno ancora in movimento ad alte velocità.

Qual è il livello di Fermi?

Il livello di Fermi è un termine usato per descrivere la raccolta di livelli di energia degli elettroni a temperatura zero assoluta. È un concetto di statistica di Fermi-Dirac. Il livello di Fermi è indicato con μ o E_F. È una quantità termodinamica di un corpo fisico.

Il livello di Fermi è definito per qualsiasi temperatura. Il livello di Fermi si riferisce al totale dell'energia cinetica e dell'energia potenziale di un sistema termodinamico contenente fermioni. Pertanto, il livello di Fermi può anche essere chiamato il potenziale elettrochimico di un Fermion. Il livello di Fermi può essere definito anche per i fermioni che si trovano in complessi sistemi interagenti quando lo stato di equilibrio termodinamico di quel sistema è considerato.

Qual è la differenza tra l'energia di Fermi e il livello di Fermi?

Fermi Energy vs Fermi Level
L'energia di Fermi è la differenza di energia tra gli stati di singola particella occupati più alti e più bassi in un sistema quantistico di fermioni non interagenti a temperatura zero assoluta.	Il livello di Fermi è un termine usato per descrivere la raccolta di livelli di energia degli elettroni a temperatura zero assoluta.
Temperatura
L'energia di Fermi è definita solo per la temperatura zero assoluta.	Il livello di Fermi è definito per qualsiasi temperatura.
Relazione con l'energia
L'energia di Fermi è la differenza di energia cinetica tra gli stati di singola particella occupati più alti e quelli più bassi.	Il livello di Fermi si riferisce al totale dell'energia cinetica e dell'energia potenziale di un sistema termodinamico contenente fermioni.
In metalli
L'energia di Fermi di un metallo è la differenza di energia tra il livello di Fermi e lo stato di minima particella occupata più bassa.	Il livello di Fermi di un metallo è l'energia dello stato di singola particella occupata più alta alla temperatura zero assoluta.
componenti
L'energia di Fermi è definita solo per fermioni non interagenti.	Il livello di Fermi può essere definito anche per i fermioni che si trovano in complessi sistemi di interazione.

Sommario - Fermi Energia vs Livello di Fermi

L'energia di Fermi e il livello di Fermi sono termini confusi poiché sono strettamente correlati, ma sono diversi l'uno dall'altro. La differenza tra l'energia di Fermi e il livello di Fermi è che l'energia di Fermi è definita solo per la temperatura zero assoluta mentre il livello di Fermi è definito per qualsiasi temperatura.

Riferimento:

1. "Energia di Fermi." Wikipedia, Wikimedia Foundation, 14 marzo 2018. Disponibile qui 
2. "Livello di Fermi." Wikipedia, Wikimedia Foundation, 3 marzo 2018. Disponibile qui
3. "Livello di Fermi." Livello di Fermi e funzione di Fermi. Disponibile qui 

Cortesia dell'immagine:

1. "Confronto tra i divari". Inductiveload  (CC BY-SA 2.5) attraverso Commons Wikimedia