Potencjał chemiczny

elektrony w ciałach stałychedytuj

elektrony w ciałach stałych mają potencjał chemiczny, zdefiniowany tak samo jak potencjał chemiczny gatunku chemicznego: zmiana energii swobodnej, gdy elektrony są dodawane lub usuwane z układu. W przypadku elektronów potencjał chemiczny jest zwykle wyrażany w energii na cząstkę, a nie w energii na Mol, a energia na cząstkę jest zwykle podawana w jednostkach elektronowoltu (eV).

potencjał chemiczny odgrywa szczególnie ważną rolę w fizyce ciała stałego i jest ściśle związany z pojęciami funkcji pracy, energii Fermiego i poziomu Fermiego. Na przykład krzem typu n ma większy wewnętrzny potencjał chemiczny elektronów niż krzem typu P. W diodzie złącza p – n w równowadze potencjał chemiczny (wewnętrzny potencjał chemiczny) zmienia się od strony typu p do strony typu N, podczas gdy całkowity potencjał chemiczny (potencjał elektrochemiczny lub poziom Fermiego) jest stały w całej diodzie.

jak opisano powyżej, opisując potencjał chemiczny, należy powiedzieć „w stosunku do czego”. W przypadku elektronów w półprzewodnikach, wewnętrzny potencjał chemiczny jest często określony względem pewnego dogodnego punktu w strukturze pasma, np. do dna pasma przewodnictwa. Może być również określony „względem próżni”, aby uzyskać Ilość znaną jako funkcja pracy, jednak funkcja pracy różni się od powierzchni do powierzchni nawet na całkowicie jednorodnym materiale. Z drugiej strony, całkowity potencjał chemiczny jest zwykle określony w stosunku do gruntu elektrycznego.

w fizyce atomowej potencjał chemiczny elektronów w atomie jest czasami uważany za ujemny elektroujemności atomu. Podobnie proces wyrównywania potencjału chemicznego jest czasami określany jako proces wyrównywania elektroujemności. Połączenie to pochodzi ze skali mullikena elektroujemności. Wstawiając energetyczne definicje potencjału jonizacji i powinowactwa elektronowego do wielowątkowości, widać, że wielowątkowy potencjał chemiczny jest skończonym przybliżeniem różnicy energii elektronicznej w odniesieniu do liczby elektronów., tj.

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}}.

cząstki Subjądrowe

w ostatnich latach fizyka cieplna zastosowała definicję potencjału chemicznego w układach w fizyce cząstek elementarnych i związanych z nimi procesach. Na przykład, w plazmie kwarkowo–gluonowej lub innej materii QCD, w każdym punkcie przestrzeni istnieje potencjał chemiczny fotonów, potencjał chemiczny elektronów, potencjał chemiczny liczby barionowej, ładunek elektryczny itd.

w przypadku fotonów fotony są bozonami i mogą bardzo łatwo i szybko pojawić się lub zniknąć. Dlatego w równowadze termodynamicznej potencjał chemiczny fotonów jest zawsze i wszędzie zerowy. Powodem jest to, że gdyby gdzieś potencjał chemiczny był wyższy od zera, fotony znikałyby spontanicznie z tego obszaru, aż potencjał chemiczny wróciłby do zera; podobnie, gdyby gdzieś potencjał chemiczny był mniejszy od zera, fotony pojawiałyby się spontanicznie, aż potencjał chemiczny wróciłby do zera. Ponieważ proces ten zachodzi niezwykle szybko (przynajmniej w obecności gęstej naładowanej Materii), Można bezpiecznie założyć, że potencjał chemiczny fotonu nigdy nie różni się od zera.

ładunek elektryczny jest inny, ponieważ jest zachowany, tzn. nie może być ani wytworzony, ani zniszczony. Może jednak rozproszyć się. „Potencjał chemiczny ładunku elektrycznego” kontroluje tę dyfuzję: ładunek elektryczny, jak Wszystko inne, będzie miał tendencję do dyfuzji z obszarów o wyższym potencjale chemicznym do obszarów o niższym potencjale chemicznym. Inne zachowane ilości, takie jak liczba barionowa, są takie same. W rzeczywistości każda zachowana ilość jest związana z potencjałem chemicznym i odpowiednią tendencją do dyfuzji, aby ją wyrównać.

w przypadku elektronów zachowanie zależy od temperatury i kontekstu. W niskich temperaturach, bez obecności pozytonów, elektrony nie mogą być tworzone ani niszczone. W związku z tym istnieje elektronowy potencjał chemiczny, który może różnić się w przestrzeni, powodując dyfuzję. W bardzo wysokich temperaturach elektrony i pozytony mogą samoistnie pojawić się poza próżnią (produkcja par), więc potencjał chemiczny elektronów sam w sobie staje się mniej użyteczną ilością niż potencjał chemiczny konserwowanych ilości, takich jak (elektrony minus pozytony).

potencjał chemiczny bozonów i fermionów jest związany z liczbą cząstek i temperaturą odpowiednio przez statystykę Bosego–Einsteina i statystykę Fermiego–Diraca.

Ideal vs. nieidealne rozwiązaniaedit

potencjał chemiczny składnika i w roztworze dla (lewego) idealnego i (prawego) rzeczywistego roztworu

ogólnie potencjał chemiczny jest podany jako suma wkładu idealnego i nadwyżka wkładu:

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

w idealnym roztworze potencjał chemiczny gatunku i (µi) zależy od temperatury i ciśnienia. µi0 (T, P) definiuje się jako potencjał chemiczny czystych gatunków i. Biorąc pod uwagę tę definicję, potencjał chemiczny gatunku i w idealnym roztworze wynosi

μ i ideal ≈ μ i 0 + R T ln ⁡ ( x i ) , {\displaystyle \mu _{i}^{\text{ideal}}\approx \mu _{I0}+RT\LN(x_{i}),}

gdzie R jest stałą gazową, a X i {\displaystyle x_{i}}

jest ułamkiem molowym gatunku i zawartego w roztworze. Należy zauważyć, że przybliżenie jest ważne tylko dla x i {\displaystyle x_{i}}

nie zbliża się do zera.

to równanie zakłada, że μ i {\displaystyle \ mu _ {i}}

zależy tylko od ułamka molowego ( x i {\displaystyle x_{i}}

) zawartego w rozwiązaniu . Pomija to intermolecular interakcję między gatunkami i z samym sobą i innymi gatunkami . Można to skorygować poprzez uwzględnienie współczynnika aktywności gatunku i, zdefiniowanego jako yi. Korekta ta daje 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}).}