<<قسمت قبل

پتانسیل شیمیایی ذرات بنیادی

در سال‌ها اخیر، علم فیزیک گرمایی از مفهوم پتانسیل شیمیایی برای سیستم‌های موجود در فیزیک ذرات و فرایندهای مرتبط با آن استفاده می‌کند. عموما، پتانسیل شیمیایی میل ذرات به پراکنده شدن را اندازه می‌گیرد. این خصوصیت بر روی پتانسیل شیمیایی به عنوان تابعی از موقعیت فضایی تمرکز دارد. ذرات تمایل دارند تا از ناحیه‌های با پتانسیل بالا به ناحیه‌های با پتانسیل پایین‌تر پراکنده شوند. با در نظر گرفتن تابع انرژی درونی، پتانسیل شیمیایی به طور مساوی در هر دو ذرات فرمیون و بوزون کاربرد دارد. به بیان دیگر، در نظریه، هر ذره بنیادی می‌تواند یک مقدار پتانسیل شیمیایی داشته باشد، که بستگی دارد به چگونگی ایجاد تغییرات انرژی درونی توسط ذرات با توجه به سیستمی که در حال مطالعه است. کاربرد مفاهیم پتانسیل شیمیایی برای سیستم‌های در صفر مطلق خود یک جاذبه‌‌ی قابل توجه دارد.

برای سیستم‌های نسبیتی (سیستم‌های مطابق با نظریه نسبیت یعنی سیستم‌هایی که جرم سکون بسیار کوچکتر از انرژی گرمایی معادل است) پتانسیل شیمیایی مربوط می‌شود به تقارن‌ها و بارها. هر مقدار بدون تغییر (conserved quantity) در ارتباط است با یک پتانسیل شیمیایی.

در یک گاز از فوتون‌ها در تعادل با ذرات جرم، تعداد فوتون‌های ثابت نیستند و بنابراین در این حالت، پتانسیل شیمیایی صفر است. همچنین برای یک گاز از فوتون‌ها، همچنین هیچ پتانسیل شیمیایی وجود ندارد. البته، اگر دمای چنین سیستمی در حال افزایش به بیش از آستانه‌ی جفت سازی الکترون باشد، سپس در نظر گرفتن یک پتانسیل شیمیایی برای بار الکتریکی می‌تواند معقول باشد. این مطلب چگالی بار الکتریکی یک سیستم را کنترل می‌کند و پس از این زیادی الکترون‌ها نسبت به پوزیترون‌ها ولی نه تعداد فوتون‌ها. در مفهوم در حالتی که یک گاز فونون وجود دارد، دما به مقداری بالا هست که ذرات دیگر را که ندرتا به هم مربوط هستند را جفت سازی کند. ماده کوارکی یک مثال اولیه است از سیستمی که بسیاری از چنین پتانسیل‌های شیمیایی در آن ظاهر می‌شود.

پتانسیل شیمیایی داخلی، خارجی و کل

وقتی میان دو مکان اختلاف پتانسیل شیمیایی وجود دارد، مقداری از آن ممکن است به دلیل پتانسیل در ارتباط با میدان‌های نیروی خارجی باشد (اختلاف انرژی پتانسیل الکتریکی، اختلاف انرژی پتانسیل الکتریکی و ...)، در حالیکه بقیه به دلیل عوامل داخلی (چگالی، دما و ...) است. پتانسیل شیمیایی حقیقی گاهی انرژی پتانسیل شیمیایی کل نیز خوانده می‌شود، که خود می‌تواند به پتانسیل شیمیایی داخلی و پتانسیل شیمیایی خارجی تقسیم شود.

که در اینجا

یعنی، پتانسیل خارجی مجموع پتانسیل الکتریکی، پتانسیل گرانشی و ... می‌باشد. (q و m بترتیب بار و جرم اجزاء، V و h بترتیب ولتاژ و ارتفاع محفظه است و g شتاب حاصل از گرانش است)

اگرچه عبارت "پتانسیل شیمیایی" معمولا به "پتانسیل شیمیایی کل" اطلاق می‌شود، این مطلب به صورت جهانی مشاهده نمی‌شود. در بعضی از زمینه‌ها، به ویژه در الکتروشیمی، عبارت "پتانسیل شیمیایی" در عوض برای مفهوم پتانسیل شیمیایی داخلی استفاده می‌شود، در حالیکه عبارت پتانسیل الکتروشیمیایی برای مفهوم پتانسیل شیمیایی کل استفاده می‌شود. البته، در فیزیک حالت جامد، صریحا قرارداد عکس در مفهوم الکترون‌ها استفاده می‌شود، که در آن "پتانسیل شیمیایی" به مفهوم پتانسیل شیمیایی کل و "پتانسیل الکتروشیمیایی" به معنی پتانسیل شیمیایی داخلی است.