Fermigase - Quantenmechanische Nullpunktenergie
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Fermigas

Die Eigenschaften des Fermigases wurden 1935 von dem italienischen Physiker Enrico Fermi (1901-1954) beschrieben. Fermionen sind Teilchen, deren Spin halbzahlig ist. Sie unterliegen dem Pauliprinzip, können also niemals den selben quantenmechanischen Zustand einnehmen. Das führt dazu, dass in einem Fermigas nicht alle Teilchen in Ruhe sein können.

In einem sehr kalten Fermigas nehmen die Teilchen die Zustände ein, in denen ihre kinetische Energie so gering wie möglich ist. Dennoch können nur wenige Teilchen die minimal mögliche Energie haben. Die andern Teilchen müssen Zustände höherer Energie einnehmen. So kommt es, dass die einzelnen Teilchen in einem Fermi-Gas, selbst wenn das Gas extrem kalt ist, eine sehr hohe Energie haben können. Die höchste Energie, die ein Teilchen in einem kalten Fermigas einnimmt wird Fermienergie genannt.

Die Gesamtenergie eines Fermigases ist also auch am absoluten Temperaturnullpunkt recht groß. Versucht man das Fermigas zusammenzupressen, so wird diese Energie noch größer, so dass man Arbeit aufwenden muss, um das Volumen eines Fermigases einzuschränken. Dies ist ein quantenmechanischer Grund, warum man Materie nicht beliebig komprimieren kann. Die Festigkeit vieler Körper beruht zu einem großen Teil auf die Eigenschaften des Fermigases.

Die Existenz einer Nullpunktenergie, also von kinetischer Energie am absoluten Temperaturnullpunkt, ist eine wichtige Folge der Unschärferelation. Sie ist nicht auf Fermigase beschränkt, hat hier aber die größte Bedeutung für alltägliche Phänomene.

Elektronengas im Metall

Eine praktische Bedeutung gewinnt das Fermigas in Metallen. Die Leitungselektronen von Metallen bilden, da sie Fermionen sind, ein Fermigas. Die Fermienergie eines solchen Gases ist in der Regel deutlich höher als Zimmertemperatur. Daher werden die Elektronen in einem Metall von der Außentemperatur nur wenig beeinflusst.

Kompression eines Fermigases

Eine wichtige Eigenschaft eines Fermigases ist, dass es sich einer Kompression widersetzt. Die Energie, die in einem Fermigas gespeichert ist, hängt von dem Raum ab, der dem Gas zur Verfügung steht. Versucht man nun ein Fermigas zusammen zu pressen (komprimieren), so muss man dabei den Teilchen Energie zuführen. Fermigase können also nur unter Energieaufwand komprimiert werden.

Zum Thema Nullpunktenergie

Beachten Sie auch mein Webprojekt zur Frage: Was ist eigentlich Nullpunktenergie

Letzte Änderung: 11.02.2003