Kemisk potential

elektroner i solidsEdit

elektroner i fasta ämnen har en kemisk potential, definierad på samma sätt som den kemiska potentialen hos en kemisk art: förändringen i fri energi när elektroner tillsätts eller tas bort från systemet. När det gäller elektroner uttrycks den kemiska potentialen vanligtvis i energi per partikel snarare än energi per mol, och energin per partikel ges konventionellt i enheter av elektronvolt (eV).

kemisk potential spelar en särskilt viktig roll i fast tillståndsfysik och är nära relaterad till begreppen arbetsfunktion, Fermi-energi och Fermi-nivå. Till exempel har kisel av N-typ en högre intern kemisk potential för elektroner än kisel av p-typ. I en p–n-korsningsdiod vid jämvikt varierar den kemiska potentialen (intern kemisk potential) från p-typ till n-typsidan, medan den totala kemiska potentialen (elektrokemisk potential eller Fermi-nivå) är konstant genom hela dioden.

som beskrivits ovan, när man beskriver kemisk potential, måste man säga”i förhållande till vad”. När det gäller elektroner i halvledare specificeras Ofta Intern kemisk potential i förhållande till någon lämplig punkt i bandstrukturen, t.ex. till botten av ledningsbandet. Det kan också specificeras ”relativt vakuum”, för att ge en kvantitet som kallas arbetsfunktion, men arbetsfunktionen varierar från yta till yta även på ett helt homogent material. Total kemisk potential, å andra sidan, specificeras vanligtvis i förhållande till elektrisk Mark.

i atomfysik sägs den kemiska potentialen hos elektronerna i en atom ibland vara den negativa av atomens elektronegativitet. På samma sätt kallas processen för kemisk potentialutjämning ibland som processen för elektronegativitetsutjämning. Denna anslutning kommer från Mulliken electronegativity scale. Genom att infoga de energiska definitionerna av joniseringspotentialen och elektronaffiniteten i Mulliken-elektronegativiteten ser man att Mulliken-kemiska potentialen är en ändlig skillnad approximation av den elektroniska energin med avseende på antalet elektroner., dvs.

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

sub-nuclear particlesEdit

under de senaste åren har termisk fysik tillämpat definitionen av kemisk potential på system i partikelfysik och dess tillhörande processer. Till exempel i en kvark–gluonplasma eller annan QCD-materia finns det vid varje punkt i rymden en kemisk potential för fotoner, en kemisk potential för elektroner, en kemisk potential för baryonnummer, elektrisk laddning och så vidare.

När det gäller fotoner är fotoner bosoner och kan mycket enkelt och snabbt visas eller försvinna. Därför är fotons kemiska potential vid termodynamisk jämvikt alltid och överallt noll. Anledningen är att om den kemiska potentialen någonstans var högre än noll, skulle fotoner spontant försvinna från det området tills den kemiska potentialen gick tillbaka till noll; på samma sätt, om den kemiska potentialen någonstans var mindre än noll, skulle fotoner spontant visas tills den kemiska potentialen gick tillbaka till noll. Eftersom denna process sker extremt snabbt (åtminstone sker det snabbt i närvaro av tät laddad Materia) är det säkert att anta att fotonkemisk potential aldrig skiljer sig från noll.

elektrisk laddning är annorlunda eftersom den är bevarad, dvs den kan varken skapas eller förstöras. Det kan dock diffundera. Den ”kemiska potentialen för elektrisk laddning” styr denna diffusion: elektrisk laddning, som allt annat, tenderar att diffundera från områden med högre kemisk potential till områden med lägre kemisk potential. Andra konserverade kvantiteter som baryonnummer är desamma. Faktum är att varje konserverad kvantitet är förknippad med en kemisk potential och en motsvarande tendens att diffundera för att utjämna den.

När det gäller elektroner beror beteendet på temperatur och sammanhang. Vid låga temperaturer, utan positroner närvarande, kan elektroner inte skapas eller förstöras. Därför finns det en elektronkemisk potential som kan variera i rymden och orsaka diffusion. Vid mycket höga temperaturer kan emellertid elektroner och positroner spontant dyka upp ur vakuumet (parproduktion), så den kemiska potentialen hos elektroner i sig blir en mindre användbar mängd än den kemiska potentialen hos de konserverade kvantiteterna som (elektroner minus positroner).

de kemiska potentialerna för bosoner och fermioner är relaterade till antalet partiklar och temperaturen genom Bose–Einstein–statistik respektive Fermi-Dirac-statistik.

Ideal vs.

den kemiska potentialen för komponent i i lösning för (vänster) ideal och (höger) verkliga lösningar

generellt ges den kemiska potentialen som en summa av ett idealiskt bidrag och ett överskott bidrag:

Jag är den perfekta + Jag är den idealiska+jag är den överflödiga , {\displaystyle \mu _{i} = \mu _{i}^{\text{ideal}}+\mu _{i}^{\text{överskott}},}

i en ideallösning är den kemiska potentialen hos art i (Aci) beroende av temperatur och tryck. den kemiska potentialen hos ren art i definieras som den kemiska potentialen hos ren Art I. Med tanke på denna definition är den kemiska potentialen hos art i i en idealisk lösning

exporterar jag perfekt till 0 + R T ln exporterar ( X i), {\displaystyle \mu _{i}^{\text{ideal}}\ca \mu _{i0}+rt\ln(x_{i}),}

där R är gaskonstanten och X i {\displaystyle x_{i}}

är molfraktionen av arter som jag innehöll i lösningen. Observera att approximationen endast är giltig för x i {\displaystyle x_{i}}

närmar sig inte noll.

denna ekvation förutsätter att den bara beror på molfraktionen (x i {\displaystyle x_ {i}}

endast beror på molfraktionen ( x i {\displaystyle x_ {i}}

) som finns i lösningen . Detta försummar intermolekylär interaktion mellan art i med sig själv och andra arter . Detta kan korrigeras för genom factoring i aktivitetskoefficienten för Art i, definierad som yi. Denna korrigering ger μ i = m i 0 ( T , P ) + R T ln ⁡ ( x i ) + R T ln ⁡ ( γ jag ) = μ i 0 ( T , P ) + R T ln ⁡ ( x jag γ jag ) . {\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}).}