費米氣體

在物理學中，費米氣體（Fermi gas），又稱為自由電子氣體（free electron gas）、費米原子氣體，是一個量子統計力學中的理想模型，指的是一群不相互作用的費米子。

氣體共振圖譜

費米氣體是理想氣體的量子力學版本。在金屬內的電子、在半導體內的電子或在中子星裏的中子，都可以被視為近似於費米氣體。處於熱力平衡的費米氣體裏，費米子的能量分佈，是由它們的數目密度（number density）、溫度、與尚存在能量量子態集合，依照費米-狄拉克統計的方程式而表徵。鮑利不相容原理闡明，不允許兩個或兩個以上的費米子佔用同一個量子態。因此，在絕對零度，費米氣體的總能量大於費米子數量與單獨粒子基態能量的乘積，並且，費米氣體的壓力，稱為「簡併壓力」，不等於零。這與經典理想氣體的現象有很明顯的不同。簡併壓力使得中子星或白矮星能夠抵抗萬有引力的壓縮，因而得到穩定平衡，不致向內爆塌。

在低溫下，玻色原子氣體可以形成玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation, BEC），這是由愛因斯坦在1925年的理論而預言的。費米子由於鮑利不相容原理，不能形成BEC。但可通過Feshbach共振，利用磁場調節費米原子間的相互作用，使費米子配對轉變成玻色型粒子而形成BEC。

由於前述定義忽略了粒子與粒子之間的相互作用，費米氣體問題約化為研究一群獨立的費米子的物理行為的問題。這問題本身相當容易解析。一些更深奧，更進階，更精密的理論，牽涉到粒子與粒子之間的互相作用的理論（像費米液體理論或相互作用的微擾理論），時常會以費米氣體問題為研究的開端。

參考資料

• (美)沈星揚. 超流体. 北京:科學出版社. 1982.

參閱

• 費米能
• 盒中氣體
• 玻色氣體
• 全同粒子