Этот вопрос относится к области уравнений состояния материалов. Я хочу знать, что такое газ Ферми на самом деле. Я искал в нескольких местах приличное описание, но не нашел того, что имеет для меня смысл.
Википедия дает определение идеального ферми-газа как
Это квантово-механическая версия идеального газа для случая фермионных частиц.
Думаю, я ищу более осязаемое или понятное описание газа Ферми, если оно есть...
Подобно идеальному газу, ферми-газ состоит из невзаимодействующих частиц. Обычно это идеализация — немногие газы состоят из полностью невзаимодействующих частиц, — но это не более идеализация, чем классический идеальный газ.
Различия между статистикой Максвелла-Больцмана (которая дает классический идеальный газ), статистикой Бозе-Эйнштейна (которая дает бозе-газ) и статистикой Ферми-Дирака (ферми-газ) легче всего увидеть при низких температурах и плотностях. При высоких температурах и плотностях статистика как BE, так и FD выглядит как статистика MB — эти условия подавляют большинство новых квантовых эффектов.
При низких температурах классический идеальный газ будет иметь множество состояний, в которых частицы разбросаны по энергиям и температурам. Это следствие того, что частицы отличимы друг от друга. С другой стороны, он содержит состояния, в которых все частицы находятся в состоянии с наименьшей энергией (основном).
В BE-статистике все частицы неразличимы, и в результате экстремальные распределения (например, все частицы в основном состоянии) становятся более вероятными. При небольшой разнице энергий между основным состоянием и первым возбужденным состоянием может случиться так, что огромная часть частиц останется в основном состоянии. Это конденсация Бозе-Эйнштейна, и это характерная особенность бозе-газа по сравнению с классическим идеальным газом.
В статистике FD никакие две частицы не могут находиться в одном и том же состоянии. Это накладывает серьезное ограничение на выделение частиц с энергиями, так что даже при нулевой температуре занято много возбужденных состояний. Это называется давлением вырождения и является характерной чертой ферми-газа.
Все три этих газа — классический идеальный газ, бозе-газ и ферми-газ — состоят из частиц, которые движутся, как и следовало ожидать. Различия проявляются в основном при низких температурах и плотностях, и все они являются следствием того, как частицы могут находиться в различных энергетических состояниях и различимы ли они.
Майкл
Джозеф