Chemische potentiaal

elektronen in vaste stoffen edit

elektronen in vaste stoffen hebben een chemische potentiaal, gedefinieerd op dezelfde manier als de chemische potentiaal van een chemische soort: de verandering in vrije energie wanneer elektronen worden toegevoegd of verwijderd uit het systeem. In het geval van elektronen wordt de chemische potentiaal meestal uitgedrukt in energie per deeltje in plaats van energie per mol, en de energie per deeltje wordt conventioneel gegeven in eenheden van elektronvolt (eV).

chemisch potentieel speelt een bijzonder belangrijke rol in de fysica van vaste stoffen en is nauw verwant met de concepten werkfunctie, Fermi-energie en Fermi-niveau. Bijvoorbeeld, N-type silicium heeft een hoger intern chemisch potentieel van elektronen dan P-type silicium. In een p-n junctiediode bij evenwicht varieert de chemische potentiaal (inwendige chemische potentiaal) van het p-type tot de N-type zijde, terwijl de totale chemische potentiaal (elektrochemisch potentiaal, of Fermi niveau) constant is in de diode.

zoals hierboven beschreven, moet men bij het beschrijven van het chemische potentieel zeggen “ten opzichte van wat”. In het geval van elektronen in halfgeleiders, interne chemische potentiaal wordt vaak gespecificeerd ten opzichte van een handig punt in de bandstructuur, bijvoorbeeld, aan de onderkant van de geleidingsband. Het kan ook worden gespecificeerd “ten opzichte van vacuüm”, om een hoeveelheid bekend als werkfunctie te leveren, echter, werkfunctie varieert van oppervlak tot oppervlak, zelfs op een volledig homogeen materiaal. De totale chemische potentiaal, daarentegen, wordt meestal gespecificeerd ten opzichte van de elektrische grond.

in de atoomfysica wordt soms gezegd dat het chemische potentieel van de elektronen in een atoom het negatief is van de elektronegativiteit van het atoom. Ook wordt het proces van chemische potentiaalvereffening soms aangeduid als het proces van elektronegativiteitvereffening. Deze verbinding komt van de Mulliken elektronegativiteit schaal. Door de energetische definities van de ionisatiepotentiaal en elektronenaffiniteit in te voegen in de elektronegativiteit van Mulliken, wordt gezien dat de chemische potentiaal van Mulliken een eindige verschil benadering van de elektronische energie met betrekking tot het aantal elektronen is.

μ Mulliken = − χ Mulliken = – I P + E a 2 = δ N] N = N 0 . {\displaystyle \ mu _{\text{Mulliken}}=- \ chi _{\text{Mulliken}} = – {\frac {IP + EA}{2}}= \ left} {\delta N}} \ right]_{N = N_{0}}.}

Subnucleaire particlesEdit

in de afgelopen jaren heeft de Thermische Fysica de definitie van chemisch potentieel toegepast op systemen in de deeltjesfysica en de bijbehorende processen. Bijvoorbeeld, in een quark-gluon plasma of andere QCD materie, is er op elk punt in de ruimte een chemisch potentieel voor fotonen, een chemisch potentieel voor elektronen, een chemisch potentieel voor baryongetal, elektrische lading, enzovoort.

in het geval van fotonen zijn fotonen bosonen en kunnen ze heel gemakkelijk en snel verschijnen of verdwijnen. Daarom is bij thermodynamisch evenwicht het chemische potentieel van fotonen altijd en overal nul. De reden is dat als de chemische potentie ergens hoger was dan nul, fotonen spontaan uit dat gebied zouden verdwijnen totdat de chemische potentie terugging naar nul; evenzo, als de chemische potentie ergens lager was dan nul, fotonen spontaan zouden verschijnen totdat de chemische potentie terugging naar nul. Aangezien dit proces zeer snel plaatsvindt (ten minste, het gebeurt snel in de aanwezigheid van dichte geladen materie), is het veilig om aan te nemen dat het foton chemische potentieel nooit verschilt van nul.

elektrische lading is anders omdat ze behouden blijft, d.w.z. ze kan niet worden gecreëerd of vernietigd. Het kan echter diffunderen. Het” chemische potentieel van elektrische lading ” controleert deze diffusie: elektrische lading zal, net als alles, de neiging hebben om te diffunderen van gebieden met een hoger chemisch potentieel naar gebieden met een lager chemisch potentieel. Andere geconserveerde hoeveelheden zoals baryon nummer zijn hetzelfde. In feite wordt elke geconserveerde hoeveelheid geassocieerd met een chemisch potentieel en een overeenkomstige neiging om te diffunderen om het uit te egaliseren.

bij elektronen hangt het gedrag af van temperatuur en context. Bij lage temperaturen, zonder positronen aanwezig, kunnen elektronen niet worden gecreëerd of vernietigd. Daarom is er een elektron chemisch potentieel dat kan variëren in de ruimte, waardoor diffusie. Bij zeer hoge temperaturen kunnen echter elektronen en positronen spontaan uit het vacuüm verschijnen( paarproductie), zodat de chemische potentiaal van elektronen zelf een minder nuttige hoeveelheid wordt dan de chemische potentiaal van de geconserveerde grootheden zoals (elektronen minus positronen).

het chemische potentieel van bosonen en fermionen is gerelateerd aan het aantal deeltjes en de temperatuur door respectievelijk Bose–Einstein–statistieken en Fermi-Dirac-statistieken.

ideaal vs. niet-ideale oplossingenedit

het chemische potentieel van component i in oplossing voor (linker) ideale en (rechter) reële oplossingen

over het algemeen wordt het chemische potentieel gegeven als een som van een ideale bijdrage en een overmaat bijdrage:

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

in een ideale oplossing is het chemische potentieel van soort I (µi) afhankelijk van temperatuur en druk. µi0 (T, P) wordt gedefinieerd als het chemische potentieel van zuivere soort i. Gegeven deze definitie, de chemische potentiaal van de soorten die ik in een ideale oplossing is

μ i ideaal ≈ μ i 0 + R T ln ⁡ ( x i ) , {\displaystyle \mu _{i}^{\text{ideale}}\ca \mu _{i0}+RT\ln(x_{i}),}

waar R is de gasconstante, en x i {\displaystyle x_{i}}

is de mol deel van de soorten die ik opgenomen in de oplossing. Merk op dat de benadering alleen geldig is voor x i {\displaystyle x_{i}}

nadert geen nul.

deze vergelijking veronderstelt dat μ i {\displaystyle \ mu _{i}}

alleen afhangt van de molfractie ( x i {\displaystyle x_{i}}

) in de oplossing. Dit verwaarloost de intermoleculaire interactie tussen soort i met zichzelf en andere soorten . Dit kan worden gecorrigeerd door de activiteitscoëfficiënt van soort i, gedefinieerd als yi, in aanmerking te nemen. Deze correctie levert μ i = μ i 0 ( T , P ) + R T ln ⁡ (x i ) + R t ln ⁡ (γ i ) = μ i 0 ( 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}).}