【费米势的定义】费米电势是什么费米电势的定义是什么？_物理_vpVI14CY93
编辑： admin 2017-15-06
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绝对零度时电子能量以费米电势EF为上限,均匀分布.
互助这道作业题的同学还参与了下面的作业题
题1： 什么是费米能、费米能级、费米速度、费米半径、费米动量?[物理科目]
费米能：
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的能量.
费米面：
金属中的自由电子满足泡利不相容原理,其在单粒子能级上分布几率遵循费米统计分布f(E) = 1 / (1 + expE ? Ef / KbT)（其中Ef表示费米能级,Kb表示玻尔兹曼常数,T表示温度）当T=0K时,f(E)= 1.表示在绝对零度下,电子将占据E≤Ef的全部能级,而大于Ef的能级将全部空着,自由电子的能量表示为E（k）=?2к2/2m,它在к空间的等能面是一球面,将E=Ef等能面称为费米面.
在固态物理学中,一个由无相互作用的费米子组成的系统的费米能（EF）表示在该系统中加入一个粒子引起的基态能量的最小可能增量.费米能亦可等价定义为在绝对零度时,处于基态的费米子系统的化学势,或上述系统中处于基态的单个费米子的最高能量.费米能是凝聚态物理学的核心概念之一.
虽然严格来说,费米能级是指费米子系统在趋于绝对零度时的化学位；但是在半导体物理和电子学领域中,费米能级则经常被当做电子或空穴化学势的代名词.一般来说,“费米能级"这个术语所代表的含义可以从上下语境中判断.
题2： 谁能详细给我介绍一下费米气体包括费米气体的发现、性质等等,越详细越好,回答好的话一定多加分[物理科目]
超级大原子——物质第五态
如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去,比如说,接近绝对零度(-273.16℃)吧,在这样的极低温下,物质又会出现什么奇异的状态呢?
这时,奇迹出现了——所有的原子似乎都变成了同一个原子,再也分不出你我他了!这就是物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态(以下简称“玻爱凝聚态”).
这个新的第五态的发现还得从1924年说起,那一年,年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文,提出了一种关于原子的新的理论,在传统理论中,人们假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的,我们可以给一个原子取名张三,另一个取名李四……,并且不会将张三认成李四,也不会将李四认成张三.然而玻色却挑战了上面的假定,认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子(如两个氧原子)有什么不同.
玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视,他将玻色的理论用于原子气体中,进而推测,在正常温度下,原子可以处于任何一个能级(能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列),但在非常低的温度下,大部分原子会突然跌落到最低的能级上,就好像一座突然坍塌的大楼一样.处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子.打个比方,练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”,于是他们迅速集合起来,像一个士兵一样整齐地向前走去.后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态.这就是崭新的玻爱凝聚态.
然而,实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度,另一方面还需要原子体系处于气态.极低温下的物质如何能保持气态呢?这实在令无数科学家头疼不已.
后来物理学家使用稀薄的金属原子气体,金属原子气体有一个很好的特性：不会因制冷出现液态,更不会高度聚集形成常规的固体.实验对象找到了,下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件.由于激光冷却技术的发展,人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温.并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动.这样的实验系统经过不断改进,终于在玻色—爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月,两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态.这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖.此后,这个领域经历着爆发性的发展,目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态.
玻爱凝聚态有很多奇特的性质,请看以下几个方面：
这些原子组成的集体步调非常一致,因此内部没有任何阻力.激光就是光子的玻爱凝聚,在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流.超导和超流也都是玻爱凝聚的结果.
玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波,这种波带电,传播中形成一束宏观电流而无需电压.
原子凝聚体中的原子几乎不动,可以用来设计精确度更高的原子钟,以应用于太空航行和精确定位等.
玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性,前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零,将光储存了起来.
玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域,例如,利用磁场调控原子之间的相互作用,可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象,甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞.
随着对玻爱凝聚态研究的深入,又一次彻底的技术革命的号角已经吹响.
突破第五态,创造第六态
物质形态到此就结束了吗?还没有.
在过去几年内,玻爱凝聚态只能由一类原子形成,这就是玻色子,而费米子是不能形成的.什么是费米子?什么是玻色子?我们需要先走入由基本粒子组成的原子世界.
很早以前,人们就知道原子是由电子和原子核组成,而原子核又由质子和中子组成.20世纪初,物理学家们发现了正电子和光子,开始探寻更小的粒子,发现原子核还可以分成更小的“小不点儿”：中微子、介子、超子、变子等等,物理学家把它们统称为“基本粒子”.早期发现的基本粒子根据各自遇到的“力”可以被分为4类：光子,轻子,介子和重子.20世纪80年代又发现了胶子,W玻色子和Z玻色子.这些基本粒子在宇宙中的“用途”可以这样表述：构成实物的粒子(轻子和重子)和传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子).在这样的一个量子世界里,所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋.
这四种属性当中,自旋的属性是最重要的,它把不同将粒子王国分成截然不同的两类,就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一样意义重大.粒子的自旋不像地球自转那样是连续的,而是是一跳一跳地旋转着的.根据自旋倍数的不同,科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类.费米子是像电子一样的粒子,有半整数自旋(如1/2,3/2,5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子,有整数自旋(如0,1,2等).这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性.没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性,也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性.
基本粒子中所有的物质粒子都是费米子,是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子.
玻色子在我们的宇宙只占了一半的份额,剩下一半是由费米子组成的物质世界.玻爱凝聚态只能由玻色子来形成实在是太遗憾了.那么为什么费米子无法形成玻爱凝聚态呢?
意大利物理学家恩里科·费米和美国物理学家狄拉克指出：由于费米子具有半整数自旋,他们的相互作用会遵循泡利不相容原理(这条规则不适用于玻色子).这条原理指出：任何两个费米子都不可能具有同样的量子态,从而在空间排布上,无法处在同一位置,当一个费米子占据了最低的能级以后,其它的费米子只能依次往外排列了.这条非常重要的原理排除了很紧密地挤在一起的费米子群的可能性,所以即使在绝对零度时,这些费米子仍然不能达到全同而凝聚起来,这些细微的差异导致他们走在一起时总是先来靠里,后来者往外排队的现象.
但是费米子占据了我们宇宙太重要的地位,它是物质世界的基石.此外,人类长久以来寻求的高温超导梦想仍然无法从理论上得到突破,至今人类一直无法突破—135°C以上的界限而使超导发生.电子作为费米子的一类,如果了解了原子费米子凝聚的机理,对电子费米子的凝聚秘密将彻底揭示出来.并且费米冷凝体中的可见实物原子对非常相似地模拟了超导体中电子对的组成,成为一个看得见的工具,人们再也不必从纯粹的想象中寻找超导秘密的暗道.
比梦更离奇的狂想曲
当前世界,粒子与凝聚态物理学领域的顶尖物理学家梦寐以求的这种物质状态就是所谓的“费米子凝聚态”,费米子凝聚态,从语意分析来说,费米子的物理含义是不能被聚集在一个量子基态的粒子,而凝聚态则表示粒子沉积在一个能量级别上.这个名词本身是一对矛盾,但奇妙的就是现实与理论的矛盾冲突被天才的技巧平复了.
解决这个矛盾首先来自超导现象的启发.巴丁、库珀和施里弗(他们共同荣获1972年诺贝尔物理学奖)提出一个对金属的超导进行解释的理论——BCS理论,其基本思想是,在极低温下的金属中的电子费米子,会彼此结合成对,这种电子对称为库柏对.结合成库柏对的电子费米子表现出玻色子的特性,这样,物理学家就找到了一个制造“费米子凝聚态”的方法.他们将费米子成对转变成玻色子,两个半整数自旋组成一个整数自旋,费米子对就起到了玻色子的作用,所有气体突然冷凝至玻爱凝聚态.
既然电子可以这样行事,为什么原子不可以呢?运用这个理论,科学家们开始对另一种费米子3He同位素进行实验.后来果然发现了3He的玻爱凝聚态所导致的超流现象：超流液态氦被小心注入烧杯的中央时,它会立即从底部沿着烧杯壁向上“爬出”杯口而漫溢出来!但是这种冷凝所涉及的机理非常复杂.
这毕竟是一个成功的开始.德博拉·吉恩坚信采用这个途径可以达到目的.他们首先成功地实现了钾-40原子气体的费米冷凝,这些被冷凝的气体有一个特殊的名字——简并费米气体.简并费米气体中包含有两种不同自旋方向的费米子,它们可以用来形成原子对而成为类玻色子的二元体.这是一种非常规意义上的量子气态物质,是通向费米冷凝体的必经之路.制造它们也是一个高难度的冷凝过程,当温度降到10亿分之一K以下时,这些原子仍然没有由于过强的原子作用而形成凝聚态.
如何将这些信奉“终身独立”的费米子劝说组成库柏对,进而形成凝聚态呢?他们采用了一个魔术般的磁场,50纳开氏温度(与绝对温度只差0.00000005K)下,当磁场达到某一个特定的频率时,超冷的费米子气体开始发生核磁共振,好像在一场交谊舞中慢慢地寻找各自的舞伴.此时磁场快速撤离,外围尚未成对的费米子因失去束缚迅速散开,携带走热量导致中心部位进一步冷凝.一个奇妙的现象终于发生了：穿过费米气体中心的探测光波像打到一个晶体上一样发生了衍射,而气体是不会对光波产生衍射的.德博拉·吉恩相信：一种神奇的固体物质一定已经诞生了.后来的原子阵列显微观测发现,冷凝体中约50万个钾原子费米子确实形成了一对对的库柏对.
费米子凝聚态与超导中的电子费米子冷凝体不一样的是,前者是实实在在的原子冷凝,后者是没有质量的虚空的电子冷凝；前者是一个可见的原子超流流体,后者则是金属中的电子超流体.科学家们把这样的物质状态又叫做超导体与玻爱冷凝体的中间状态.
费米子凝聚态与超导体有哪些不同呢?首先,费米冷凝体所使用的原子比电子重得多,其次是原子对之间吸引力比超导体中电子对的吸引力强得多,在同等密度下,如果使超导体中电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度,制造出常温下的超导体立即可以实现.超冷气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具,因此,这项成果有助于下一代全新超导体的诞生.而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手.
当然,现在的技术并不能使所有费米子都可以发生费米冷凝,而且所获得的冷凝体还相当脆弱——比玻璃还要脆!但这只是技术问题.
题3： 费米问题?[物理科目]
费米问题
在科学中,尤其是在物理和工程教育中,费米问题或费米估算是一个用来做量纲分析,估算和清晰地验证一个假设的估算问题.命名自恩里科·费米.这类问题通常包括关于给定限定信息的有可能计算的数量的猜想的验证.
费米以他通过非常少量或不精确的数据来得到比较好的估计的能力被广泛熟知,一个例子就是他在主要领导的曼哈顿计划中估算核爆炸的“当量数”.1945年7月16日晚上,原子弹在内华达州的沙漠引爆成功时,费米在原子弹试爆现场附近,突然跃起向空中撒了一把碎纸片,爆炸后气浪将纸片急速地卷走,他紧追纸片跑了几步,并根据纸片飞出的距离估算了核爆炸的“当量数”,费米计算出的爆炸威力相当于一万吨TNT炸药,非常接近现在所接受的二万吨的数值,之间的误差少于一个数量级
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5,000,000 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
(5,000,000 人在芝加哥) / (2 人/家) × (1 架钢琴/20 家) × (1 架钢琴调整/1年) = 125,000 架钢琴在芝加哥每年被调整.
类似地计算出平均每个调琴师
(50 周/年)×(5 天/周)×(8 小时/天)/(1 架钢琴/2小时) = 1000 架钢琴每年/1调琴师.
做除法得到
(125,000 架钢琴在芝加哥每年被调整) / ( 1000 架钢琴每年/1调琴师) = 125 个调琴师在芝加哥.
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.
题4： 【什么是费米积分?】
强!
题5： 费米实验室受累介绍一下来历、地位、意义等[语文科目]
费米实验室:大梦想才能赢得大收获(图)
上：实验室的新主任Pier Oddone在计划实验室的未来.
下：16层高的威尔逊大楼是费米实验室的行政大楼,实验室的创始人罗伯特·威尔逊相信：一个研究型实验室应该是学术界和国际文化的中心.大楼美丽的外形和内部同样美丽的粒子物理设施深深地吸引了物理学家.
据科学时报2005年6月22日报道：费米实验室拥有迄今为止世界上最大的加速器,但一台能量更大的加速器将于2008年在欧洲高能物理实验室建成,届时,美国政府将关闭费米实验室的这台加速器,实验室何去何从?即将出任实验室新主任的Pier Oddone选择了冒险：他希望耗资60亿美元的国际直线加速器落户费米实验室,他的目标是让费米实验室在下个十年中再次成为世界物理学的中心.
但日本也在积极争取成为直线加速器的新主人.新一代的加速器究竟会花落谁家呢?《自然》杂志的记者Geoff Brumifiel走进了费米实验室,看看它的希望有多大.
坐在自己的临时办公室里,今年60岁的物理学家Pier Oddone显得从容、自信.今年7月,他将掌管美国高能物理实验室的先锋——费米国家加速器实验室（简称费米实验室）.Oddone的到来正值实验室的多事之秋：实验室的大型加速器raison d\'être已计划于今后5年内关闭.但他对实验室的未来持乐观态度.
最高的能量寻找最小的粒子
Oddone将成为实验室的第15任主任.费米实验室是美国最大的高能物理实验室,在世界上是仅次于欧洲粒子物理研究所的第二大实验室.1967年11月21日,美国总统林顿·约翰逊签署法案,授权美国原子能委员会成立国家加速器实验室.1974年5月11日,为纪念原子时代卓越的物理学家、1938年诺贝尔物理学奖获得者恩里科·费米,实验室改名为费米国家加速器实验室.实验室的目标是探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界,了解宇宙是如何形成和运转的,提高人类对物质和能量的基本属性的理解.
费米实验室位于伊利诺伊州大草原边上的巴达维亚,拥有2100多名政府雇员,年度预算为3.07亿美元.实验室分别于1977年6月和1995年2月发现了基本粒子和力标准模型中的两个主要部分：底夸克和顶夸克.1983年,实验室耗资1.2亿美元建造了迄今为止世界上能量最强的碰撞器Tevatron.2001年7月,物理学家在Tevatron上第一次直接观察到了τ中微子,从而开启了物理研究的一个新时代.但在未来3年里,Tevatron将被欧洲高能物理实验室一个能量更大的对撞机——大型强子加速器(Large Hadron Collider,LHC)所取代.美国政府计划在LHC启用时就关闭Tevatron,费米实验室面临一个非常不确定的未来.
由于环形电子对撞机向更高发展时遇到同步辐射能量损失随束能量的四次方增长的困难,因此,国际高能物理界达成共识：在LHC后,采用大型直线对撞机（International Linear Collider,简称ILC）作为新一代的高能物理对撞机.ILC是一个庞然大物,它将建造在总长达30多公里的地下隧道里,使用最新的超导技术以5000亿电子伏特的能量击碎电子,预计到2016年前后才可建成,造价高达60亿美元.正是因为直线对撞机昂贵又费时,全球只能建造一台.
大梦想亦是大风险
Oddone梦想让直线对撞机落户费米实验室.他希望通过与国际同行的努力,最迟于2010年底开始在费米实验室建造直线对撞机.他知道对撞机的建设需要科学界的合作、国际外交的协调和美国政府对巨额经费的承诺.这个计划是一场冒险,它既可让实验室恢复昔日的辉煌,也会因目标或未来的不确定性而让实验室飘忽不定.
物理学家们在1979年开始建造Tevatron时就是怀着这样一个大梦想,他们的目标是想确证顶夸克是否存在.夸克是构成质子、中子和其它亚原子粒子的基本元素,理论上它是由三种不带整电荷的更基本的粒子组成,顶夸克和底夸克是其中最重的粒子.费米实验室曾在1977年用环型加速器探测到底夸克的存在.寻找更重的顶夸克意味着要用5亿至15亿电子伏特的能量击碎质子或反质子,设计Tevatron的目的就是做这件事.通过进一步的改造,对撞机在1995年捕捉到了顶夸克.新发现让物理学家们欢呼雀跃,却让实验室的管理者们开始头痛：下一步该怎么办?
费米实验室并不是惟一遭遇两难处境的美国粒子物理实验室.诺贝尔奖获得者Burton Richter是位于加州的斯坦福直线加速器中心的荣誉退休主任,他在1992年时也遇到过类似的问题.当时,实验室有一台曾在1968年第一个探测到夸克的电子加速器,但这台加速器的改造已经走到了尽头,没有再发展的空间了.因此,Richter决定将加速器转变为高能的X射线源,供生物学家、化学家和材料学家确定分子和材料的结构.斯坦福直线加速器中心也开始了多样化的研究,步入了天体物理学、射线探测和宇宙学的领域.今天,斯坦福直线加速器中心欣欣向荣,年度预算稳定增加.
但费米实验室没有选择多样性.它曾在20世纪90年代决定将Tevatron升级为能量更高的加速器.这一次,他们的梦想是寻找希格斯粒子,如果理论学家的预言是正确的,那么这将有助于解释为什么宇宙中的万物都有质量.捕获希格斯粒子是费米实验室下一个伟大的梦想.
Tevatron最后一次升级花了政府数亿美元,工程于2001年完工.但老化的Tevatron的事件并没有因此完结：在过去几年中它的基础已经开始松动、下陷,一些旨在提高其能量的技术出现了意想不到的问题.今天,在经过艰难的4年后,情况变得基本稳定,但Tevatron失去了最佳时间,只有少数人相信欧洲高能物理实验室的机器在2008年启动前,希格斯粒子会在Tevatron上被发现.
这将实验室的处境置于地狱的边缘.当大型强子对撞机启动后,Tevatron将被关闭,从而让许多物理学家无所事事,Richter说：“这将他们置于特殊的境地,现在的问题是如何从这种境地中走出来.”
只有全力以赴 才能梦想成真
费米实验室可以选择类似斯坦福加速器中心的多样化.费米实验室已将自己的触角伸展到充满宇宙的不带电的微中子,但微中子的研究不足以维持实验室现有的水平.实验室的许多物理学家对实验室使命的改变不屑一顾.CDF的发言人、物理学家Young Kee Kim说：“多样化是最容易的解决方案,但最艰难的路才是最有意义的.”“从我的观点来看,我们或者成为美国的高能中心,或者失去能量的前沿地位.”
Oddone同意这种观点.他说：“国际直线对撞机是实验室目前最大的机会.”在美国能源部的帮助下,费米实验室将提高它的加速器和对撞机研究,以期作为获得新设备的强大承诺.Oddone说,如果事情进展顺利,因为使用直线对撞机探测希格斯等奇异的粒子,费米实验室在下个十年中将再次成为世界物理学的中心.
但是,这只是一个大胆的假设.建造直线对撞机所需要的国际合作规模异常艰难,这里面充斥着经费的超限运作、团队间的明争暗斗和国际政治问题.即使对撞机事业向前进了,但它未必一定落户美国.日本文部省的高能加速器研究中心(KEK)的常务主任说,日本正在全力以赴地希望将对撞机能安置KEK.
未来的不确定性让实验室难以留住尚在实验室的几千名访问科学家.实际上,Tevatron的两个主要探测器CDF和DZero的运作已经面临人手不足的困境.DZero的发言人Jerry Blazey说：“许多人都想走,或者已经走了,目前我们最重要的是坚持住.”
现状让费米实验室越来越难以吸引从事线性对撞机模型研究的专家.在实验室的咖啡厅坐坐,你会发现情况好像会变得更严重.费米实验室正在尽最大努力营造良好的气氛.一种权宜之计是建一个能够让美国的研究人员可实时监测他们在欧洲高能物理研究中心的实验.负责计算机中心建造的Avi Yagil说：“我们将可以看见在欧洲实验室的科学家们看见的数据.”
Oddone认为费米实验室有人才、知识和空间来建造下一代的加速器,但除非全力以赴,否则梦想不会成真.他说：“是的,这是一个巨大的风险,问题是我们寻找的答案也有巨大的意义.”