Мы помним, что электроны в атоме распределены по энергетическим уровням, как по этажам многоэтажки. Мы также знаем, что ребята они неспокойные и постоянно норовят поперескакивать с уровня на уровень: то вверх запрыгнут, то вниз свалятся.
Однако, если мы в нашей энергетической многоэтажке отключим отопление, то есть охладим наш атом до температуры, близкой к абсолютному нулю, то вся эта беготня прекратится, и электроны «замрут» и останутся сидеть на своих местах. Наверное, в ожидании оттепели.
Наивысший уровень энергии, на котором сидят электроны в таком замерзшем атоме, называется уровнем Ферми. Он назван в честь известного итальянского физика Энрике Ферми, который внес большой вклад в квантовую механику и ядерную физику. Хотя понятие самого уровня и не вводил.
Чем этот уровень важен? Если мы сжалимся над нашими подопытными, попавшими во фростпанк, и по чуть-чуть будем повышать температуру, то сможем отследить, электроны с каких уровней первыми снова захотят начать чехарду с перескоками на уровни повыше. Это дает очень полезную информацию.
В металлах так мы можем узнать, какие электроны могут свободно двигаться и проводить электричество. В полупроводниках уровень Ферми помогает понять, как материал будет проводить ток при добавлении примесей или изменении температуры. В изоляторах уровень Ферми находится в зоне, где электроны почти не могут двигаться.
Стоит отметить, что на самом деле понятие уровня Ферми резонно применять только к ансамблю атомов, то есть к реальному материалу. По мере того, как мы поднимаем температуру, уровень Ферми размывается. В многоэтажке снова кипит жизнь.
#физика #квантоваямеханика #уровеньФерми #наука