Kémiai potenciál

elektronok szilárd anyagbanszerkesztés

a szilárd anyagokban lévő elektronok kémiai potenciállal rendelkeznek, ugyanúgy meghatározva, mint egy kémiai faj kémiai potenciálja: a szabad energia változása elektronok hozzáadásakor vagy eltávolításakor a rendszerből. Az elektronok esetében a kémiai potenciált általában részecskénkénti energiában fejezik ki, nem pedig mólonkénti energiában, a részecskénkénti energiát pedig hagyományosan elektronvolt (eV) egységekben adják meg.

a kémiai potenciál különösen fontos szerepet játszik a szilárdtestfizikában, és szorosan kapcsolódik a munkafunkció, a Fermi energia és a Fermi szint fogalmához. Például az n típusú szilíciumnak nagyobb az elektronok belső kémiai potenciálja, mint a p típusú szilíciumnak. Az egyensúlyi p–n csomópont diódában a kémiai potenciál (belső kémiai potenciál) a p-típustól az n-típusig változik, míg a teljes kémiai potenciál (elektrokémiai potenciál, vagy Fermi szint) állandó az egész diódában.

amint azt fentebb leírtuk, a kémiai potenciál leírásakor azt kell mondani, hogy”mihez viszonyítva”. A félvezetőkben lévő elektronok esetében a belső kémiai potenciált gyakran a sávszerkezet valamilyen kényelmes pontjához viszonyítva határozzák meg, például a vezetési sáv aljára. Meghatározható “a vákuumhoz viszonyítva” is, hogy a munkafunkció néven ismert mennyiséget kapjunk, azonban a munkafunkció felületről felületre változik még egy teljesen homogén anyagon is. A teljes kémiai potenciált viszont általában az elektromos talajhoz viszonyítva határozzák meg.

az atomfizikában az atomban lévő elektronok kémiai potenciálját néha azt mondják, hogy az atom elektronegativitásának negatívja. Hasonlóképpen, a kémiai potenciálkiegyenlítés folyamatát néha az elektronegativitás-kiegyenlítés folyamatának nevezik. Ez a kapcsolat a Mulliken elektronegativitási skálából származik. Az ionizációs potenciál és az elektron affinitás energetikai definícióinak beillesztésével a Mulliken elektronegativitásba látható, hogy a Mulliken kémiai potenciál az elektronikus energia véges különbség-közelítése az elektronok számához viszonyítva., azaz,

++ Mulliken = – ++ Mulliken = – I P + E a 2 = ++ N ] N = N 0 . {\displaystyle \ mu _ {\text{Mulliken}}= – \ chi _ {\text{Mulliken}}= – {\frac {IP + EA}{2}}= \ left} {\delta N}} \ right] _ {n=n_{0}}.}

Szubnukleáris részecskék

az elmúlt években a termikus fizika alkalmazta a kémiai potenciál meghatározását a részecskefizikai rendszerekre és a kapcsolódó folyamatokra. Például egy kvark-gluon plazmában vagy más QCD-anyagban a tér minden pontján kémiai potenciál van a fotonok számára, kémiai potenciál az elektronok számára, kémiai potenciál a barionszámhoz, elektromos töltés stb.

a fotonok esetében a fotonok bozonok, és nagyon könnyen és gyorsan megjelenhetnek vagy eltűnhetnek. Ezért a termodinamikai egyensúlyban a fotonok kémiai potenciálja mindig és mindenhol nulla. Ennek oka az, hogy ha a kémiai potenciál valahol magasabb volt, mint nulla, akkor a fotonok spontán eltűnnek erről a területről, amíg a kémiai potenciál vissza nem tér nullára; hasonlóképpen, ha a kémiai potenciál valahol nulla alatt van, akkor a fotonok spontán megjelennek, amíg a kémiai potenciál vissza nem tér nullára. Mivel ez a folyamat rendkívül gyorsan megy végbe (legalábbis sűrű töltött anyag jelenlétében gyorsan megy végbe), nyugodtan feltételezhetjük, hogy a foton kémiai potenciálja soha nem különbözik a nullától.

az elektromos töltés azért különbözik, mert konzervált, azaz nem lehet sem létrehozni, sem megsemmisíteni. Ez azonban diffúz lehet. Az” elektromos töltés kémiai potenciálja ” szabályozza ezt a diffúziót: az elektromos töltés, mint bármi más, hajlamos diffundálni a nagyobb kémiai potenciállal rendelkező területekről az alacsonyabb kémiai potenciállal rendelkező területekre. Más konzervált mennyiségek, mint például a barionszám, azonosak. Valójában minden konzervált mennyiség kémiai potenciállal és megfelelő diffúz hajlammal társul, hogy kiegyenlítse azt.

elektronok esetében a viselkedés a hőmérséklettől és a kontextustól függ. Alacsony hőmérsékleten, pozitronok nélkül, elektronok nem hozhatók létre vagy pusztulhatnak el. Ezért van egy elektronkémiai potenciál, amely térben változhat, diffúziót okozva. Nagyon magas hőmérsékleten azonban az elektronok és a pozitronok spontán módon megjelenhetnek a vákuumból (páros termelés), így az elektronok kémiai potenciálja önmagában kevésbé hasznos mennyiséggé válik, mint a konzervált mennyiségek kémiai potenciálja (elektronok mínusz pozitronok).

a bozonok és fermionok kémiai potenciálja a Bose–Einstein és a Fermi–Dirac statisztikák szerint a részecskék számával és hőmérsékletével függ össze.

ideális vs. nem ideális megoldásokszerkesztés

az i komponens kémiai potenciálja az oldatban (balra) ideális és (jobbra) valós megoldásokhoz

általában a kémiai potenciált egy ideális hozzájárulás összegeként adják meg, és túlzott hozzájárulás:

\\displaystyle\mu _{i} = \mu _{i}^{\text {ideal}} + \mu _{i}^{\text {excess}},}

ideális megoldás esetén az I. faj kémiai potenciálja a hőmérséklettől és a nyomástól függ. a(T, P) a tiszta fajok kémiai potenciálját jelenti I. E definíció alapján az I. faj kémiai potenciálja ideális oldatban

KB\mu _{i}^{\text {ideal}}\kb\mu _{i0} + rt \ln ( x_{I}),}

ahol R a gázállandó, és X i {\displaystyle x_ {i}}

az oldatban található I Fajok mólfrakciója. Vegye figyelembe, hogy a közelítés csak akkor érvényes, ha x i {\displaystyle x_{i}}

nem közelíti meg a nullát.

Ez az egyenlet azt feltételezi, hogy az I {\displaystyle \mu _{i}}

csak az oldatban található MOL frakciótól függ ( x i {\displaystyle x_{i}}

). Ez elhanyagolja az intermolekuláris kölcsönhatást az I. faj önmagával és más fajokkal . Ezt korrigálhatjuk az I. faj aktivitási együtthatójának faktorálásával, amelyet yi-ként határozunk meg. Ez a korrekció hozamok μ i = μ 0 i ( T , P ) + R T ln ⁡ ( x ) + R T ln ⁡ ( γ i ) = μ 0 i ( T , P ) + R T ln ⁡ ( x i γ i ) . {\displaystyle \ mu _ {i}= \ mu _ {i0} (T,P)+RT\ln (x_{i})+RT\ln (\gamma _{i})=\mu _{i0} (T,P)+RT\ln (x_{i}\gamma _{i}).}