費米氣體

在物理學中 ， 費米氣體 （ Fermi gas ） ， 又稱爲自由電子氣體 （ free electron gas ） 、 費米原子氣體 ， 是一個量子統計力學中的理想模型 ， 指的是一群不相互作用的費米子 。 費米氣體是理想氣體的量子力學版本 。 在金屬內的電子 、 在半導體內的電子或在中子星裏的中子 ， 都可以被視爲近似於費米氣體 。 處於熱力平衡的費米氣體裏 ， 費米子的能量分佈 ， 是由它們的數目密度 （ number density ） 、 溫度 、 與尚存在能量量子態集合 ， 依照費米 - 狄拉克統計的方程式而表徵 。 泡利不相容原理闡明 ， 不允許兩個或兩個以上的費米子佔用同一個量子態 。 因此 ， 在絕對零度 ， 費米氣體的總能量大於費米子數量與單獨粒子基態能量的乘積 ， 並且 ， 費米氣體的壓力 ， 稱爲 「 簡併壓力 」 ， 不等於零 。 這與經典理想氣體的現象有很明顯的不同 。 簡併壓力使得中子星或白矮星能夠抵抗萬有引力的壓縮 ， 因而得到穩定平衡 ， 不致向內爆塌 。 在低溫下 ， 玻色原子氣體可以形成玻色 - 愛因斯坦凝聚 （ Bose - Einstein condensation, BEC ） ， 這是由愛因斯坦在1925年的理論而預言的 。 費米子由於泡利不相容原理 ， 不能形成BEC 。 但可通過Feshbach共振 ， 利用磁場調節費米原子間的相互作用 ， 使費米子配對轉變成玻色型粒子而形成BEC 。 由於前述定義忽略了粒子與粒子之間的相互作用 ， 費米氣體問題約化爲研究一群獨立的費米子的物理行爲的問題 。 這問題本身相當容易解析 。 一些更深奧 ， 更進階 ， 更精密的理論 ， 牽涉到粒子與粒子之間的互相作用的理論 （ 像費米液體理論或相互作用的微擾理論 ） ， 時常會以費米氣體問題爲研究的開端 。