Potențialul chimic

electronii în solidsEdit

electronii în solide au un potențial chimic, definit la fel ca potențialul chimic al unei specii chimice: schimbarea energiei libere atunci când electronii sunt adăugați sau eliminați din sistem. În cazul electronilor, potențialul chimic este de obicei exprimat în energie pe particulă, mai degrabă decât în energie pe mol, iar energia pe particulă este dată convențional în unități de electronvolt (eV).

potențialul chimic joacă un rol deosebit de important în fizica solidelor și este strâns legat de conceptele funcției de lucru, energiei Fermi și nivelului Fermi. De exemplu, siliciul de tip N are un potențial chimic intern mai mare de electroni decât siliciul de tip P. Într–o diodă de joncțiune p-n la echilibru potențialul chimic (potențialul chimic intern) variază de la tipul p la partea de tip n, în timp ce potențialul chimic total (potențial electrochimic, or, nivelul Fermi) este constant în întreaga diodă.

după cum s-a descris mai sus, atunci când se descrie potențialul chimic, trebuie spus „relativ la ce”. În cazul electronilor din semiconductori, potențialul chimic intern este adesea specificat în raport cu un punct convenabil din structura benzii, de exemplu, la partea inferioară a benzii de conducere. De asemenea, poate fi specificat „în raport cu vidul”, pentru a produce o cantitate cunoscută sub numele de funcție de lucru, cu toate acestea, funcția de lucru variază de la suprafață la suprafață chiar și pe un material complet omogen. Potențialul chimic Total, pe de altă parte, este de obicei specificat în raport cu solul electric.în fizica atomică, potențialul chimic al electronilor dintr-un atom este uneori declarat a fi negativ al electronegativității atomului. La fel, procesul de egalizare a potențialului chimic este uneori denumit procesul de egalizare a electronegativității. Această conexiune provine de la scara de electronegativitate Mulliken. Prin inserarea definițiilor energetice ale potențialului de ionizare și afinității electronilor în electronegativitatea Mulliken, se vede că potențialul chimic Mulliken este o aproximare a diferenței finite a energiei electronice în raport cu numărul de electroni., de exemplu,

μ Mulliken = − χ Mulliken = − I P + E 2 = δ N ] N = N 0 . {\displaystyle \ mu _ {\text {Mulliken}}= – \ chi _ {\text {Mulliken}} = – {\frac {IP+EA}{2}}=\stânga}{\delta N}}\dreapta]_{n=n_{0}}.}

particule subnucleare

în ultimii ani, fizica termică a aplicat definiția potențialului chimic sistemelor din fizica particulelor și proceselor sale asociate. De exemplu, într–o plasmă quark-gluon sau altă materie QCD, în fiecare punct din spațiu există un potențial chimic pentru fotoni, un potențial chimic pentru electroni, un potențial chimic pentru numărul de barioni, sarcina electrică și așa mai departe.

în cazul fotonilor, fotonii sunt bosoni și pot apărea sau dispărea foarte ușor și rapid. Prin urmare, la echilibrul termodinamic, potențialul chimic al fotonilor este întotdeauna și peste tot zero. Motivul este că, dacă potențialul chimic undeva ar fi mai mare decât zero, fotonii ar dispărea spontan din acea zonă până când potențialul chimic s-ar întoarce la zero; la fel, dacă potențialul chimic undeva ar fi mai mic decât zero, fotonii ar apărea spontan până când potențialul chimic s-ar întoarce la zero. Deoarece acest proces are loc extrem de rapid (cel puțin, apare rapid în prezența materiei încărcate dens), este sigur să presupunem că potențialul chimic foton nu este niciodată diferit de zero.

sarcina electrică este diferită deoarece este conservată, adică nu poate fi nici creată, nici distrusă. Cu toate acestea, poate difuza. „Potențialul chimic al sarcinii electrice” controlează această difuzie: sarcina electrică, ca orice altceva, va tinde să difuzeze din zone cu potențial chimic mai mare în zone cu potențial chimic mai mic. Alte cantități conservate, cum ar fi numărul de barioni, sunt aceleași. De fapt, fiecare cantitate conservată este asociată cu un potențial chimic și o tendință corespunzătoare de a difuza pentru a o egaliza.

în cazul electronilor, comportamentul depinde de temperatură și context. La temperaturi scăzute, fără pozitroni prezenți, electronii nu pot fi creați sau distruși. Prin urmare, există un potențial chimic de electroni care ar putea varia în spațiu, provocând difuzie. Cu toate acestea, la temperaturi foarte ridicate, electronii și pozitronii pot apărea spontan din vid (producția de perechi), astfel încât potențialul chimic al electronilor de la sine devine o cantitate mai puțin utilă decât potențialul chimic al cantităților conservate precum (electroni minus pozitroni).

potențialul chimic al bosonilor și fermionilor este legat de numărul de particule și de temperatură prin Statisticile Bose–Einstein și respectiv Statisticile Fermi–Dirac.

Ideal vs. soluții non-idealedit

potențialul chimic al componentei i în soluție pentru soluții (stânga) ideale și (dreapta) reale

În general, potențialul chimic este dat ca o sumă a unei contribuții ideale și o contribuție în exces:

μ i = μ i ideal + μ m în exces , {\displaystyle \mu _{i}=\mu _{i}^{\text{ideal}}+\mu _{i}^{\text{exces}},}

Într-o soluție ideală, chimice potențial de specia i (µi) este dependentă de temperatură și de presiune. xixti0 (T, P) este definit ca potențialul chimic al speciei pure i. Având în vedere această definiție, potențialul chimic al speciei i într-o soluție ideală este

hectolix i ideal, 0 + r t ln, {\displaystyle \mu _{i}^{\text{ideal}}\aprox \mu _{i0}+rt\ln ( x_{i}),}

unde R este constanta gazului și X i {\displaystyle x_{i}}

este fracția molară a speciei i conținută în soluție. Rețineți că aproximarea este valabilă numai pentru x i {\displaystyle x_{i}}

nu se apropie de zero.

această ecuație presupune că i {\displaystyle \mu _{i}}

depinde numai de fracția molară (x i {\displaystyle x_{i}}

) conținută în soluție . Aceasta neglijează interacțiunea intermoleculară dintre specia i cu ea însăși și alte specii . Acest lucru poate fi corectat prin factorizarea coeficientului de activitate al speciei i, definit ca yi. Această corecție randamentele 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}).}