指導老師:高文民 班級:微電三甲 學號:4A23A015 姓名:詹峻銓

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1 指導老師:高文民 班級:微電三甲 學號:4A23A015 姓名:詹峻銓
恩里科·費米的偉大 指導老師:高文民 班級:微電三甲 學號:4A23A015 姓名:詹峻銓

2 恩里科·費米 （1901年9月29日－1954年11月28日） 美籍義大利裔物理學家，因為「證明了可由中子輻照而產生的新放射性元素的存在，以及有關慢中子(透過核分裂產物衰變所釋放的中子，並非直接來自鈾燃料) 引發的核反應的發現」， 榮獲1938年諾貝爾物理學獎。同時也是教導出最多諾貝爾物理學獎得主的人。

3 費米被公認為二十世紀的首席物理大師之一，對於理論物理學和實驗物理學均做出了重大貢獻。
他首創了β衰變理論，是弱相互作用理論的前導，負責設計建造了世界首座自持續鏈式裂變核反應爐。他還是曼哈頓計劃的主要領導者。他與羅伯特·奧本海默共同被尊稱為原子彈之父。 早期時間費米主要的研究課題是電動力學和光譜學，但是隨後他把研究重點放在了原子核本身而不是核外電子上。1934年他在原先的輻射理論和泡利的中微子理論基礎上提出了β衰變的費米理論。在人工放射性被發現後不久，他實驗演示了幾乎所有元素在中子轟炸下都會發生核變化。這個工作促使了慢中子和核裂變的發現。

4 在1939年奧托·哈恩和F.斯特拉斯曼發現核裂變後，費米馬上意識到次級中子和鏈式反應的可能性。1942年12月2日他在芝加哥大學體育場的壁球館試驗成功了首座受控核反應爐。在二戰期間第一枚原子彈的建造過程中（曼哈頓計劃），他是主要領導者之一。1945年7月16日5點30分，原子彈在內華達州的沙漠引爆成功時，費米在原子彈試爆現場附近，在氣浪來臨之前、之中、之後各灑了一把碎紙片，並根據紙片飛出的距離將該次核爆炸的TNT當量估算為一萬噸。後來證明這與測量結果（兩萬噸TNT當量）相差不遠，在同一個數量級上。 第二次世界大戰之後，費米的主要研究方向是高能物理，他在介子核相互作用和宇宙射線的來源等方面都做出了開創性的工作。 費米發現了一種新的統計定律—費米-狄拉克統計。他發現這種統計適用於所有遵循泡利不相容原理的粒子，這些粒子現在被稱為費米子。費米-狄拉克統計和玻色子所遵循的玻色-愛因斯坦統計是量子世界的基本統計規律。 以他的名字命名的有費米黃金定則、費米-狄拉克統計、費米子、費米面、費米液體及費米常數等等

5 β衰變 中子 (udd) 衰變成質子 (uud)、電子和反中子，這叫做中子β衰變。 (β射線這個詞用於在核中衰變的電子，因為它們不知道它們是電子！)

6 第1步：中子(電荷為0)由上、下、下夸克所組成。
第2步：下夸克之一會變成上夸克，由於下夸克有 -1/3 的電荷而上夸克有2/3的電荷，它會以虛 W- 粒子帶走(-1)電荷所傳遞的過程進行。(如此電荷才會守恒！) 第3步：這個新的上夸克會從發射出的 W-彈離，中子現在變成了質子。 第4步：中子和反中子從虛 W- 玻色子脫出。 第5步：質子、中子和反中子彼此相互移開。 這過程的傳遞次序發生在約一秒中的十億的十億的十億分之一，是看不見的。

7 在核子的衰變中，原子核會分裂成更小的核子，這使我們了解：一群質子和中子被分成更小群質子和中子，但基本粒子的衰變不是指分裂成它的單位要素，因為"基本"意指它沒有單位要素，在這裡粒子衰變談到基本粒子轉變成別的基本粒子，這類的衰變很奇怪，因為最後產生的不是初始粒子一類，而是全新的粒子。 核子衰變 粒子衰變

8 費米-狄拉克統計 費米–狄拉克統計的適用對象是，熱平衡時自旋量子數為半奇數的粒子。除此之外，應用此統計規律的前提是，系統中各粒子之間的交互作用可以忽略不計。這樣，就可以用粒子在不同定態的分布狀況來描述大量微觀粒子組成的宏觀系統。不同的粒子分處於不同的能態上，這一特點對系統許多性質會產生影響。費米–狄拉克統計適用於自旋量子數為半奇數的粒子，這些粒子也被稱為費米子。由於電子的自旋量子數為1/2，因此它是費米–狄拉克統計最普遍的應用對象。費米–狄拉克統計是統計力學的重要組成部分，它利用了量子力學的一些原理。 恩里科·費米、保羅·狄拉克各自獨立地在發表了有關這一統計規律的兩篇學術論文。另有來源顯示，P·喬丹（Pascual Jordan）在1925年也對這項統計規律進行了研究，他稱之為「包立統計」，不過他並未及時地發表他的研究成果。狄拉克稱此項研究是費米完成的，他稱之為「費米統計」，並將對應的粒子稱為「費米子」。

9 根據費米–狄拉克分布，給定費米子組成的系統中處於量子態上的平均粒子數可以通過下面的式子計算
其中是波爾茲曼常數，為絕對溫度（熱力學溫標），為量子態上單個粒子的能量，是化學勢。當時，化學勢就是系統的費米能。半導體中電子的費米能，也被被稱為費米能級。要應用費米–狄拉克統計，系統必須滿足一定的條件：系統的費米子數量必須足夠大，以至於再加入一個費米子所引起化學勢的變化可以忽略不計。由於費米–狄拉克統計的推導過程中利用了包立不相容原理，即單個量子態上最多能有一個粒子，這樣的結果就是某個量子態上的平均量子數滿足。 根據費米–狄拉克分布，給定費米子組成的系統中處於量子態 i上的平均粒子數可以通過下面的式子計算

10 費米–狄拉克分布 平均粒子數和溫度的關係 平均粒子數和能量的關係，當溫度較高時，平均粒子數的變化更加平緩。當，。不過，圖中未能展現，當溫度更高時，會下降。

11 費米能階 絕對零度下，電子能夠填到最高的那一個能階便是費米能階。
用費米迪拉克分佈，就是無論任何溫度,電子佔據該能階的機率皆為二分之一,此能階稱為費米能階。 在絕對零度下，電子從最低能量開始一直到所能 具有的最大能量，這個最大能量稱為費米能量或者費米能階，也就是說在絕對零度時，費米能階以下的能量均有電子佔據，費米能階以下每個能態電子存在的機率為 1，反過來說費米能階以上的能量，電子佔據的機率為0。在高溫時，費米能階被電子佔據的機率下落到了0.5。

12 首先從單一原子開始，原子有分立的能階，當二個原子靠近時，每個能階分裂成一個上部和一個下部的階層，使得電子離開原來能階的位置。有更多的原子靠近形成固 體時，階層的數量就會增加，因而形成能帶。半導體包含許多能帶。最高的已佔滿電子的能階和最低空著電子的能階之間，形成一個大的能量差異，然後在能帶形成 以後，已佔用的能帶和空著的能帶之間很可能會形成一個能隙。 像在其他固體中，在半導體中電子具有從基態能階開始到某些能帶之間的能量 (也就是說這 些能階的範圍內)，相對應地我們可了解電子緊緊被原子核束縛，到讓電子成為自由電子的能量的能量差異，這能量差異是電子要完全逃脫束縛而成為自由所需最少 能量。每一能帶對應數量龐大的電子量子態，大多數低能階(比較接近原子核的)的量子態是被填滿的，一般稱為價帶。半導體和絕緣體能與金屬作區別，是因為價 帶與傳導帶有差距而半導體的差距比絕緣體更小，而半導體的價帶幾乎是填滿地在某些操作下提供電子足夠的能量電子將到達很多空的量子態的傳導帶而使電子能作 有效的應用。 我們可以提供電子在半導體中能量，將電子從價帶激發到傳導帶，這個能量的值取決於兩帶之間的能量差異，通常稱為能隙，而能隙的值可將材料是半導體或絕緣體作為一個分界 (大致4 eV)。

13 電子被激發到傳導帶也留下電子的空位，這個空位也可視為在價帶上空的量子態。傳導帶電子和價帶上的電子空位貢獻電的傳導。電子留下的空位實際上是不移動，但 是一個鄰近電子可能移動去填充這個空位，而移過來電子的位置又留下空位，這樣看上去好像是這個空位在移動一樣，它移動的方向與電子移動的方向相反，所以就 這空位的行為來看，好像是一個正電荷粒子一樣我們就稱其為電洞所以半導體在電的性質上可視為有雙載子(two carriers):電子與電洞。 電子遵守的費米-狄拉克統計 在某一溫度下，那一個能階電子佔據的機率，遵守電子遵守的費米-狄拉克統計 電子能量分佈與溫度的相關性，解釋了為什麼半導體的傳導與溫度有很強關連，因此在低溫下，半導體只有少量可利用的自由電子和電洞來進行工作。

14 感想 費米是個很偉大的科學家，發現了很多肉眼看不到的物體， 也推導出很多理論，照福後人許許多多的便利。
但是也讓我們感到很困擾，因為要背要看的書又更多了， 而且複雜又難懂，一些肉眼看不到的電子、中子…都需要利用自己的想想力，真是很高深的學問

15 資料來源