更新时间:2023-02-27 08:39
费米-狄拉克分布(Fermi-Dirac distribution)全同和独立的费米子系统中粒子的最概然分布。简称费米分布,量子统计中费米子所遵循的统计规律。这个统计规律的命名来源于恩里科·费米和保罗·狄拉克,他们分别独立地发现了这一统计规律。不过费米在数据定义比狄拉克稍早。费米–狄拉克统计的适用对象是,热平衡时自旋量子数为半奇数的粒子。除此之外,应用此统计规律的前提是,系统中各粒子之间的相互作用可以忽略不计。
费米子是 自旋为半整数( 即自旋为/2,=h/2π,h是普朗克常量)的粒子,如轻子和重子,全同费米子系统中粒子不可分辨,费米子遵从泡利不相容原理,每一量子态容纳的粒子数不能超过一个。对于粒子数、体积和总能量确定的费米子系统,当温度为T时 ,处在能量为E的量子态上的平均粒子数为
式中,k是玻耳兹曼常量,εf是化学势。在高温和低密度条件下,费米-狄拉克分布过渡到经典的麦克斯韦-玻尔兹曼分布。
1926年发现费米–狄拉克统计之前,要理解电子的某些性质尚较为困难。例如,在常温下,未施加电流的金属内部的热容比施加电流的金属少了大约100倍。此外,在常温下给金属施加一强电场,将造成场致电子发射(Field electron emission)现象,从而产生电流流经金属。研究发现,这个电流与温度几乎无关。当时的理论难以解释这个现象。
当时,由于人们主要根据的是经典静电学理论,因此在诸如金属电子理论等方面遇到的困难,无法得到令人满意的解答。他们认为,金属中所有电子都是等效的。也就是说,金属中的每个电子都以相同的程度对金属的热量做出贡献(这个量是波尔兹曼常数的一次项)。上述问题一直困扰着科学家,直到费米–狄拉克统计的发现,才得到较好地解释。
1926年,恩里科·费米、保罗·狄拉克各自独立地在发表了有关这一统计规律的两篇学术论文。。另有来源显示,P·乔丹(Pascual Jordan)在1925年也对这项统计规律进行了研究,他称之为“泡利统计”,不过他并未及时地发表他的研究成果。狄拉克称此项研究是费米完成的,他称之为“费米统计”,并将对应的粒子称为“费米子”。
1927年,阿诺·索末菲将费米–狄拉克统计应用到他对于金属电子的研究中。
1928年,福勒和L·W·诺德汉(Lothar Wolfgang Nordheim)在场致电子发射的研究中,也采用了这一统计规律。
直至现今,费米–狄拉克统计仍然是物理学的一个重要部分。