آمار فرمی-دیراک: تفاوت میان نسخه‌ها

آمار فرمی-دیراک در سامانه‌ای با تعادل دمایی، بر ذرات یکسان که گردش ([[اسپین]]) [[نیمه‌صحیح]] دارند اعمال می‌شود. همچنین فرض می‌شود که اندرکنش متقابل ذرات در این سامانه ناچیز است. این باعث می‌شود که بتوان این تعداد زیاد از ذرات را در وضعیت [[حالت پایه|حالت پایه‌ی]] یک تک‌ذره توصیف کرد. نتیجهٔ توزیع فرمی-دیراک بر روی این ذرات یعنی هیچ دو ذره‌ای نمی‌توانند حالت کوانتومی مشابه هم داشته باشند؛ که این نتیجه‌گیری تاثیرتأثیر بزرگی بر روی ویژگی‌های سامانه دارد. از آنجایی که آمار فرمی-دیراک بر روی ذراتِ با گردش (اسپین) نیمه‌صحیح اعمال می‌شود، باید این ذرات را [[فرمیون]] خواند. این آمار بیشتر به الکترون‌هایی که خود فرمیون با گردش ۱/۲ اند اعمال می‌شود. آمار فرمی-دیراک خود زیرمجموعه‌ای از [[مکانیک آماری]] است و از اصول [[مکانیک کوانتوم]] پیروی می‌کند.

در سامانه‌ای با فرمیون‌های یکسان، تعداد متوسط فرمیون‌های با حالت تک‌ذرهٔ <math>i</math> در توزیع فرمی-دیراک به شکل زیر بیان می شودمی‌شود:

که ''k'' [[ثابت بولتزمن]] است، ''T'' [[دما]]ی مطلق، <math>\epsilon_i \ </math> انرژی یک ذره منفرد در حالت ''i'' و <math>\mu\ </math> [[پتانسیل شیمیایی]] است. در ''0=T''، پتانسیل شیمیایی برابر با [[انرژی فرمی]] است. در حالتی که الکترون هاالکترون‌ها در یک نیمه هادی قرار دارند <math>\mu\ </math> را [[تراز فرمی]] می‌نامیم.

توزیع فرمی-دیراک زمانی جواب درست می‌دهد که تعداد فرمیون‌ها آنقدر زیاد باشد که تغییر <math>\mu\ </math> ناشی از اضافه کردن یک فرمیون قابل صرف نظر کردن باشد. از آنجایی که توزیع فرمی-دیراک از اصل طرد پاولی مشتق شده درنتیجهدر نتیجه داریم: <math>0 <\bar{n}_i <1</math><ref>Note that <math> \bar{n}_i </math> is also the probability that the state <math>i</math> is occupied, since no more than one fermion can occupy the same state at the same time and <math>0 <\bar{n}_i <1</math>.</ref>

Image:FD e mu.jpg|'''وابستگی به انرژی.''' هرچه ''T'' بالاتر باشد، شیب نمودار ملایم تر است. برای {{nowrap|1=<math> \bar{n}</math> = 0.5}} وقتی {{nowrap|1=<math> \epsilon \;</math> = <math>\mu \; </math>.}} نشان داده نشده استنشده‌است زیرا <math>\mu \ </math> برای ''T'' بالاتر افزایش می‌یابد.<ref name='Kittel1971dist245'>{{harv|Kittel|1971|p=245, Figs. 4 and 5}}</ref>{{سخ}}<center>

توزیع فرمی-دیراک که در بالا ارائه شد، توزیع ذرات یکسان فرمیون را در انرژی تک ذره بیان می دارد حالتی که گویی تنها یک فرمیون می‌تواند آن حالت انرژی را داشته باشد. در نتیجه با استفاده از توزیع فرمی-دیراک می توانمی‌توان توزیع انرژی فرمیون‌های مشابه را چنان نشان داد که گویی بیش از یک فرمیون می‌تواند همان انرژی را داشته باشد.

تعداد متوسط فرمیون‌ها با انرژی <math>\epsilon_i \ </math> را می توانمی‌توان با ضرب <math> \bar{n}_i \ </math> توزیع فرمی-دیراک در <math> g_i \ </math> (تعداد حالات با انرژی <math>\epsilon_i \ </math>) بدست آورد:

که <math>F(\epsilon) \ </math> تابع فرمی نام دارد و همان تابعی است که در توزیع فرمی-دیراک <math> \bar{n}_i </math> مورد استفاده قرار می گیردمی‌گیرد.