Física universitaria — segundo año · Bachelor Year 2
29El factor de Boltzmann
Súbase una montaña y el aire se enrarece: a tres mil metros la presión ha bajado a 0.7bar, y en la cima del Everest a un tercio de su valor al nivel del mar. Nada confina la atmósfera por arriba; la sujeta la gravedad y la esparce la agitación térmica, y el compromiso entre ambas es una exponencial, n∝e−mgz/kBT — el cociente entre la energía potencial de una molécula y kBT decide lo rara que es allá arriba. La misma exponencial gobierna la fracción de átomos en un nivel excitado, el número de moléculas lo bastante rápidas para escapar de un planeta, la imanación de un paramagnético, las poblaciones que un láser debe invertir y los cuantos que cuenta la ley de Planck: es el factor de Boltzmann, la fórmula más útil de toda la física estadística. Este capítulo lo motiva con la atmósfera, lo enuncia en general y saca de él, sin más que sumas e integrales gaussianas, el sistema de dos niveles y su capacidad calorífica, la equipartición de la energía, la distribución de celeridades moleculares y la ley de Curie del paramagnetismo — con, de paso, la energía media de un oscilador cuántico, que es la fórmula de Planck.
Desde una cima, la calima de la atmósfera baja y el azul profundo de arriba: la densidad del aire cae en un factor e cada 8km — el factor de Boltzmann de la energía potencial de una molécula en la gravedad terrestre.
29.1 La atmósfera isoterma
Proposición 29.1(Ley barométrica)
En una atmósfera de gas perfecto (de masa molecular m) a temperatura uniforme T en la gravedad uniforme g, la presión y la densidad numérica caen exponencialmente con la altitud:
P(z)=P0e−z/H,n(z)=n0e−mgz/kBT,H=mgkBT,
con la altura de escalaH≈8.4km para el aire a 288K. El exponente es el cociente entre la energía potencial mgz de una molécula y la energía térmica kBT.
Demostración. Hidrostática, dP/dz=−ρg=−nmg, y la ley del gas perfecto P=nkBT: dP/dz=−(mg/kBT)P, una exponencial. La atmósfera real se enfría con la altitud (unos 6.5K/km en los diez kilómetros más bajos), lo que hace la caída algo más rápida; el modelo isotermo es bueno hasta un 20%. ∎
La atmósfera isoterma: la presión y la densidad caen en 1/e por cada altura de escalaH=kBT/mg; un gas más ligero tendría una H mayor — pero por debajo de 100km la turbulencia mantiene el aire mezclado, y todos los gases comparten la H media.
29.2 El factor de Boltzmann
Teorema 29.2(Factor de Boltzmann)
Un sistema en equilibrio térmico con un termostato a la temperatura T se encuentra en un estado microscópico dado de energía E con una probabilidad proporcional a
e−E/kBT.
De ahí que, para un conjunto de estados discretos de energías Ei,
pi=Ze−Ei/kBT,Z=i∑e−Ei/kBT,
donde la suma Z (la función de partición) normaliza las probabilidades; dos estados (o dos niveles de igual degeneración) están poblados en la razón N2/N1=e−(E2−E1)/kBT; y para una variable continua (una posición, una velocidad) la densidad de probabilidad es proporcional a e−E/kBT en esa variable. A 300K, kBT=4.1×10−21J=0.026eV: todo lo que cuesta mucho más que esto es raro, y todo lo que cuesta mucho menos se excita libremente.
Demostración. La ley barométrica es el factor para la energía potencial mgz; admitimos su generalidad, pero he aquí el argumento (hecho riguroso en el volumen del tercer año). El termostato R es grande; cuando nuestro sistema pequeño está en un estado de energía E, el termostato tiene la energía Etot−E, y puede estar en ΩR(Etot−E) estados microscópicos, todos igual de probables (el postulado fundamental para un conjunto aislado). Así que p(E)∝ΩR(Etot−E). Con la definición de Boltzmann de la entropía, SR=kBlnΩR, y 1/T=dSR/dER para el termostato, lnΩR(Etot−E)≈lnΩR(Etot)−E/kBT porque E≪Etot; tómese la exponencial. ∎
Ejemplo 29.3(Poblaciones de los niveles atómicos)
El primer nivel excitado del hidrógeno está 10.2eV por encima del fundamental: a 300K, e−395 — ni un átomo en el universo; a 6000K, la superficie del Sol, e−19.7≈3×10−9 (por una degeneración de 4): bastante, en la enorme columna de gas del Sol, para las rayas de absorción de Balmer, que son más intensas en estrellas cercanas a 10000K. La raya D del sodio (2.1eV) en una llama a 2500K: e−9.8=6×10−5 de los átomos están excitados, lo que da la llama amarilla de una pizca de sal. Y el medio láser de Capítulo 23: el factor dice que su nivel superior está vacío en el equilibrio, y el bombeo debe pelear contra él.
29.3 Niveles discretos: el sistema de dos niveles y el oscilador
Proposición 29.4(Energía media a partir de la función de partición)
Con β=1/kBT,
⟨E⟩=i∑piEi=−∂β∂lnZ,C=dTd⟨E⟩.
Demostración.∂βZ=−∑Eie−βEi; divídase por Z. ∎
Proposición 29.5(Sistema de dos niveles)
N sistemas independientes con dos niveles 0 y ε (espines en un campo, átomos con un nivel excitado, defectos con dos posiciones):
El nivel superior está vacío a temperatura baja y a lo sumo medio lleno a temperatura alta (nunca invertido en el equilibrio); la capacidad calorífica se anula en ambos extremos y pasa por un máximo de 0.44NkB cerca de kBT=0.42ε — la anomalía de Schottky, la firma de una brecha en el espectro.
Demostración.Z=1+e−x; p2=e−x/(1+e−x); derívese ⟨E⟩ respecto de T. ∎
El sistema de dos niveles: poblaciones frente a la temperatura (el nivel superior se llena hasta la mitad, nunca más) y la capacidad calorífica de Schottky, una joroba allí donde kBT iguala a la brecha.
Proposición 29.6(El oscilador cuántico y la fórmula de Planck)
Un oscilador armónico de frecuencia ν tiene los niveles En=nhν (más una constante); a la temperatura T,
Esta es la energía media de un modo del campo de radiación que la ley de Planck (Capítulo 26) multiplica por el número de modos, y la energía media de una vibración en un sólido: a temperatura alta el kBT clásico, y a temperatura baja un modo congelado.
Demostración. Serie geométrica y después −∂βlnZ. ∎
Ejemplo 29.7(Capacidad calorífica de los sólidos)
Trátese cada átomo de un sólido como tres osciladores de la misma frecuencia ν (Einstein, 1907): C=3NkBx2ex/(ex−1)2 con x=hν/kBT. Por encima de θE=hν/kB, C→3NkB=3R por mol — la ley de Dulong y Petit (25J/mol/K), que cumplen el plomo, el cobre y el hierro a temperatura ambiente; muy por debajo, C se desploma. El diamante (θE≈1300K) solo tiene 6J/mol/K a 300K, lo que la física clásica no supo explicar, y la capacidad calorífica de todo sólido se anula a baja temperatura — el primer éxito del cuanto fuera de la radiación.
29.4 Equipartición y distribución de Maxwell
Teorema 29.8(Equipartición de la energía)
Toda variable q que entra cuadráticamente en la energía, E=aq2+…, y recorre todos los valores reales, aporta 21kBT a la energía media en el equilibrio:
⟨aq2⟩=21kBT.
Un gas monoatómico (tres traslaciones) tiene U=23NkBT y CV=23R por mol; un gas diatómico añade dos rotaciones, CV=25R, y su vibración (dos términos cuadráticos, pero cuantizada con hν≫kBT a temperatura ambiente) sigue congelada hasta unos miles de kelvin.
Demostración. La densidad de probabilidad en q vale ∝e−aq2/kBT, una gaussiana:
⟨aq2⟩=∫e−aq2/kBTdq∫aq2e−aq2/kBTdq=21kBT
(derívese ∫e−λq2dq=π/λ respecto de λ). El resultado necesita el continuo: cuando los niveles distan más de kBT, el factor congela la variable, como para el oscilador de antes. ∎
Teorema 29.9(Distribución de celeridades de Maxwell)
En un gas a T, las componentes de la velocidad son gaussianas independientes de varianza kBT/m, y la celeridad v=∣v∣ tiene la densidad de probabilidad
f(v)=4π(2πkBTm)3/2v2e−mv2/2kBT,
con las celeridades más probable, media y cuadrática media
vp=m2kBT,⟨v⟩=πm8kBT,vcm=m3kBT,
en las razones 1:1.13:1.22. Para el nitrógeno a 300K: 422, 476, 517m/s; para el hidrógeno, 3.7 veces más; la cola de la distribución, ∝e−mv2/2kBT, es la que deja que las moléculas más rápidas se evaporen, reaccionen o abandonen un planeta.
Demostración. La energía cinética 21m(vx2+vy2+vz2) da un factor e−mvx2/2kBTe−mvy2/2kBTe−mvz2/2kBT: tres gaussianas independientes, normalizada cada una por m/2πkBT. La distribución de celeridades recoge todas las velocidades de la corteza de radio v y volumen 4πv2dv. Después, vp sale de df/dv=0, y los momentos de ∫0∞v3e−av2dv=1/2a2, ∫0∞v4e−av2dv=83π/a5; vcm se sigue también de la equipartición, 21m⟨v2⟩=23kBT. ∎
La distribución de celeridades de Maxwell para el nitrógeno a tres temperaturas: el máximo se mueve como T, la curva se ensancha y la cola de altas celeridades es la que más crece — la cola que decide el escape y las velocidades de reacción.
Ejemplo 29.10(Quién abandona el planeta)
La velocidad de escape de la Tierra vale 11.2km/s. En la exosfera, cerca de 1000K, el helio tiene vp=2.0km/s: la fracción de átomos por encima de la velocidad de escape es del orden de e−(11.2/2.0)2=e−31≈10−13 — pequeña, pero renovada en cada colisión durante miles de millones de años: el helio se fuga, y su abundancia en el aire es de solo 5ppm pese a su producción constante por desintegración radiactiva. Para el nitrógeno el exponente es siete veces mayor, e−220: el nitrógeno se queda. En la Luna (vesc=2.4km/s), incluso el nitrógeno a 400K (vp=490m/s) tiene e−24 por tiempo de colisión: en la edad del sistema solar no sobrevive atmósfera alguna.
29.5 Paramagnetismo y ley de Curie
Proposición 29.11(Paramagnético de espín 1/2)
N momentos magnéticos independientes que solo pueden apuntar a favor o en contra del campo B, con energías ∓μB, tienen a la temperatura T el momento medio y la imanación
⟨μz⟩=μtanhkBTμB,M=nμtanhkBTμB⟶{nμ2B/kBTnμ(μB≪kBT):ley de Curie,(μB≫kBT):saturacioˊn.
La susceptibilidad χ=μ0M/B=μ0nμ2/kBT varía como 1/T (ley de Curie); con μ=μB=9.27×10−24J/T, μB/kBT=2.2×10−3 a 1T y 300K, así que los paramagnéticos corrientes apenas se imanan; a 1K el mismo campo da 0.67 y empieza la saturación.
Demostración.p±∝e±μB/kBT: ⟨μz⟩=μ(ex−e−x)/(ex+e−x) con x=μB/kBT; tanhx≈x para x pequeña. ∎
Imanación de un paramagnético de espín 1/2: lineal en B/T a campos pequeños (Curie) y saturada cuando μB supera a kBT — lo que se alcanza a un tesla solo por debajo de un kelvin, lo que hace de la curva un termómetro para los experimentos más fríos.
Observación 29.12(Lo que el factor no hace)
El factor de Boltzmann describe el equilibrio a una temperatura; no dice nada de las velocidades de proceso (con qué rapidez se alcanza el equilibrio — aunque una energía de activación Ea da ritmos ∝e−Ea/kBT, la ley de Arrhenius que se vio para la difusión en sólidos). Se aplica a subsistemas independientes o al conjunto; para partículas cuánticas idénticas a densidad alta (electrones en un metal, fotones, helio cerca del cero absoluto) lo sustituyen las distribuciones de Fermi–Dirac y de Bose–Einstein del volumen del tercer año, de las que es el límite diluido.
Método 29.13(Estimaciones de Boltzmann)
(1) Calcúlese E/kBT; kBT=0.026eV a 300K y 1eV a 11600K. (2) Razones de poblaciones: e−ΔE/kBT (por las degeneraciones). (3) Niveles discretos: Z, luego ⟨E⟩=−∂βlnZ y después C. (4) Variables continuas cuadráticas: 21kBT cada una, si no están congeladas. (5) Celeridades: vp=2kBT/m y la cola gaussiana. (6) Espines: tanh(μB/kBT), el 1/T de Curie.
29.6 Ejercicios
Ejercicio 29.1★
Altura de escala del aire a 288K (M=29g/mol); presión a 3000m, a 8849m y a 10km (compárese con los 0.26bar medidos); altura de escala del helio solo; y la de la atmósfera marciana (CO2, 210K, g=3.7m/s2).
Solución
Solución de Ejercicio 29.1.
H=kBT/mg=8.4km; 0.70, 0.35, 0.30bar (los 0.26 reales: el aire se enfría con la altura); helio 61km; Marte 10.7km.
Ejercicio 29.2★
Poblaciones: el nivel n=2 del hidrógeno (10.2eV, degeneración 4 frente a 1) a 300K, 6000K y 10000K; el nivel de 2.1eV del sodio en una llama a 2500K; un nivel de rotación molecular a 1×10−3eV a 300K; y un nivel de espín nuclear desdoblado 1×10−7eV en un imán a 300K.
Solución
Solución de Ejercicio 29.2.
Hidrógeno: 4e−395≈10−171; 4e−19.7=10−8; 4e−11.8=3×10−5. Sodio: e−9.8=6×10−5. Rotación: e−0.04=0.96, casi iguales. Espín nuclear: 1−4×10−6 — la polarización minúscula con la que trabaja la resonancia magnética.
Ejercicio 29.3★
Celeridades de Maxwell (vp, ⟨v⟩, vcm) para N2 a 300K y 77K, para H2 a 300K y para una partícula de humo de 1×10−18kg. Fracción de moléculas más rápidas que 2vp (cerca del 4.6%) y que 3vp (cerca de 4×10−4): coméntese la cola.
Solución
Solución de Ejercicio 29.3.
N2 a 300K: 422, 476, 517m/s; a 77K: 214, 241, 262m/s; H2: 1580, 1780, 1930m/s; partícula de humo: 9cm/s (su tiritona browniana). Por encima de 2vp, una molécula de cada veinte; por encima de 3vp, una de cada 2500 — todavía 1022 por metro cúbico.
Ejercicio 29.4★
Momentos de espín 1/2 con μ=μB, n=1×1028m−3, B=1T: x=μB/kBT a 300K y a 1K; M/Msat; Msat; y la susceptibilidad a 300K. Compárese con la imanación de saturación del hierro (1.7×106A/m).
Solución
Solución de Ejercicio 29.4.
x=2.2×10−3 y 0.67; M/Msat=2.2×10−3 y 0.59; Msat=nμ=9.3×104A/m; χ=μ0nμ2/kBT=2.6×10−4. Los 1.7×106A/m del hierro son cooperativos, no un efecto de Boltzmann.
Ejercicio 29.5★★
Dos niveles. (a) Dedúzcanse p1, p2 y ⟨E⟩ a partir de Z. (b) Muéstrese que N2<N1 a cualquier temperatura positiva; ¿qué significaría N2>N1 para T? (c) Entropía S=−NkB∑pilnpi del sistema para T→0 y T→∞. (d) Un defecto de un cristal puede estar en dos posiciones separadas 0.05eV: ocupación de la superior a 300K y a 77K.
Schottky. (a) Dedúzcase C(T) del sistema de dos niveles. (b) Localícese su máximo numéricamente (x=2.40) y su valor. (c) Límites a baja y a alta T, con su significado físico. (d) Los espines nucleares del cobre en 1T tienen ε≈1×10−7eV: ¿a qué temperatura queda su pico de Schottky y por qué importa para los criostatos más fríos?
Solución
Solución de Ejercicio 29.6.
(a) Derivada de Nε/(ex+1). (b) x=2.40, C=0.44NkB. (c) ∝x2e−x→0: congelado; ∝1/T2→0: ambos niveles llenos, sin nada que absorber. (d) kBT=0.42ε: 0.5mK; por debajo de un milikelvin los espines nucleares acaparan casi toda la capacidad calorífica y frenan cualquier enfriamiento.
Ejercicio 29.7★★
La equipartición y su fracaso. (a) Dedúzcase ⟨aq2⟩=kBT/2 con la integral gaussiana. (b) CV de un gas monoatómico y de uno diatómico rígido. (c) La vibración del nitrógeno tiene hν/kB=3400K: con la energía media del oscilador, CV a 300K, 1000K y 3000K. (d) Sólido de Einstein: C en T=θE, θE/4 y 4θE en unidades de 3R; el diamante a temperatura ambiente.
Maxwell en detalle. (a) Muéstrese que las componentes de la velocidad son gaussianas independientes y dedúzcase f(v). (b) Calcúlense vp, ⟨v⟩ y vcm. (c) Energía cinética media: compruébese con la equipartición. (d) El flujo de moléculas que golpean una pared vale 41n⟨v⟩ por unidad de área y de tiempo (admitido): número de moléculas de N2 que golpean 1cm2 por segundo a 1bar y 300K; y el ritmo con que un agujerito de 1µm deja entrar aire en una cámara de vacío (efusión).
Solución
Solución de Ejercicio 29.8.
(a) y (b) Teorema 29.9. (c) 23kBT. (d) 41n⟨v⟩=2.9×1027m−2s−1: 3×1023 por centímetro cuadrado y segundo; por 7.9×10−13m2: 2.3×1015 moléculas por segundo, una fuga de 1×10−5Pam3/s.
Ejercicio 29.9★★
Escape. (a) Fracción de un gas de Maxwell más rápida que v: muéstrese que vale aproximadamente (2/π)xe−x2 para x=v/vp≫1. (b) Helio a 1000K por encima de 11.2km/s; y nitrógeno. (c) Luna, vesc=2.4km/s, 400K: nitrógeno, y qué temperatura lo retendría durante la edad del sistema solar (tómense 1017 tiempos de colisión: fracción de escape por debajo de 10−17). (d) ¿Por qué conserva Titán (2.6km/s, 94K) una atmósfera espesa de nitrógeno?
Solución
Solución de Ejercicio 29.9.
(a) Intégrese f por partes; el término dominante es (2/π)xe−x2. (b) Helio con x=5.5: 5×10−13; nitrógeno con x=14.5: e−211. (c) x=4.9: 10−10 por tiempo de colisión — desaparecido; 10−17 exige x≈6.6, T≲230K. (d) x=11: e−121; bastante frío.
Ejercicio 29.10★★★
Otros potenciales. (a) En una centrifugadora que gira a ω, la energía potencial efectiva vale −21mω2r2: perfil de densidad n(r). (b) Hexafluoruro de uranio, dos isótopos con Δm=3u, ω=2π×1000Hz, r=10cm, 300K: factor de enriquecimiento de una etapa. (c) Esferas coloidales (de masa aparente m′=2.6×10−17kg) en agua a 293K: altura de escala de su equilibrio de sedimentación; ¿cómo dio esto el número de Avogadro? (d) Un gas de electrones en un campo E: ¿por qué es el perfil de Boltzmann eeEx/kBT la base de la longitud de apantallamiento de Debye λD=ε0kBT/ne2 de un plasma (esbócese el argumento)?
Solución
Solución de Ejercicio 29.10.
(a) n=n0emω2r2/2kBT. (b) eΔmω2r2/2kBT=e0.24=1.27. (c) H=kBT/m′g=16µm; contar esferas a varias alturas da kB y, con él, NA=R/kB. (d) Los iones siguen e∓eφ/kBT alrededor de una carga; linealizado en la ecuación de Poisson esto da φ′′=φ/λD2: el potencial queda apantallado más allá de λD.
Ejercicio 29.11★★★
Planck a partir de Boltzmann. (a) Calcúlense Z y ⟨E⟩ para los niveles nhν. (b) Los dos límites y su significado. (c) Multiplíquese por la densidad de modos 8πν2/c3 (dada) y recupérese la ley de Planck; muéstrese que la ley de Rayleigh–Jeans es la equipartición aplicada a cada modo. (d) ¿Por qué falla el recuento clásico, en una frase?
Solución
Solución de Ejercicio 29.11.
(a) Z=1/(1−e−x), ⟨E⟩=hν/(ex−1). (b) kBT: equipartición; hνe−hν/kBT: congelado. (c) uν=(8πν2/c3)⟨E⟩; Rayleigh–Jeans da kBT a cada modo. (d) Un modo no puede excitarse con menos de un cuanto.
Ejercicio 29.12★★★
Desimanación adiabática. La entropía de N espines 1/2 vale S=NkB[ln(2coshx)−xtanhx], x=μB/kBT. (a) Muéstrese que solo depende de B/T, con S→NkBln2 para B/T→0 y S→0 para B/T→∞. (b) Una sal a 1K se imana isotérmicamente de 0 a 1T: entropía retirada (por espín, con μ=μB). (c) El campo se reduce después adiabáticamente hasta 0.01T: temperatura final. (d) ¿Qué limita el método y cómo sirve de termómetro la misma curva de tanh?
Solución
Solución de Ejercicio 29.12.
(a) Solo x=μB/kBT; ln2 y 0. (b) x=0.67: S/NkB=0.51, luego se retiran 0.18kB por espín. (c) Con B/T constante: 10mK. (d) El campo propio de los espines (milésimas de tesla) sustituye a B al final y limita el enfriamiento; medir M=nμtanh(μB/kBT) da T.
Ludwig Boltzmann (1844–1906), cuyo factor e−E/kBT es el objeto de este capítulo y cuya fórmula S=kBlnΩ está grabada en su tumba de Viena.
29.7 Problema: la atmósfera isoterma, la fuga del helio y un termómetro de espines
Problema 29.1
Problema de fin de semana — tres usos de una sola exponencial
A partir de la hidrostática y de la ley del gas perfecto, dedúzcase P(z)=P0e−z/H y dese H para el aire a 288K.
Identifíquese el factor de Boltzmann en el resultado: ¿qué energía y qué temperatura?
Presión a 3000m, 5500m y 8849m; la altitud a la que la presión se reduce a la mitad.
Masa de la atmósfera por metro cuadrado (a partir de P0=1.013×105Pa) y masa total; compruébese que ∫0∞ρdz=ρ0H.
Número de moléculas de la atmósfera.
Si cada gas siguiera su propia H, ¿cuál sería la razón O2/N2 a 50km comparada con la del suelo? ¿Por qué es de hecho uniforme la composición hasta 100km?
La troposfera real se enfría 6.5K/km: ¿es la presión a 10km mayor o menor que la estimación isoterma? Explíquese.
Densidad numérica al nivel del mar y a 100km (modelo isotermo, 288K): coméntese lo del “borde del espacio”.
Parte II — La fuga del helio. La exosfera, por encima de 500km, está a unos 1000K y sin colisiones: una molécula que suba más deprisa que la velocidad de escape se marcha.
Velocidad de escape de la Tierra a esa altitud.
Celeridades más probable y media del helio y del nitrógeno a 1000K.
Fracción de átomos de helio con v>vesc (úsese (2/π)xe−x2); lo mismo para el nitrógeno.
El flujo de helio que escapa vale aproximadamente 41nHe⟨v⟩× (esa fracción) ×21; con nHe=1×1012m−3 en la exobase, estímese la pérdida por metro cuadrado y segundo, y por año para toda la Tierra.
El helio del aire son 5ppm en volumen: helio total de la atmósfera y su tiempo de residencia frente a la pérdida calculada.
La radiactividad de la corteza produce unos 3×106kg de helio al año: ¿está el helio atmosférico en régimen estacionario, y qué enseña la comparación con la pregunta 11?
En el máximo solar la exosfera llega a 2000K: ¿en qué factor sube la fracción de helio que escapa?
¿Por qué no tiene atmósfera la Luna, y Titán (escape a 2.6km/s, 94K) la tiene espesa?
Parte III — Un termómetro de espines. Una sal paramagnética contiene n=2×1027m−3 espines 1/2 con μ=μB, en un campo B.
Poblaciones de los dos niveles e imanación M(B,T).
Con B=0.1T: M a 300K, 4K y 0.05K; ¿dónde vale la ley de Curie?
¿Por qué es M un termómetro y en qué intervalo es más sensible? ¿Qué se mide en la práctica?
Energía media y capacidad calorífica de los espines (Schottky); temperatura del pico con 0.1T.
Entropía de los espines a temperatura alta y a temperatura nula; ¿qué “orden” aparece cuando T→0?
Desimanación adiabática de 1K y 1T hasta 0.01T: temperatura final; ¿por qué hacer B→0 no puede dar T→0?
Un termómetro de espines nucleares usa μN=μB/1836: a 1T, ¿hasta qué temperatura vale la ley de Curie y por qué se usa un termómetro así en el intervalo de los microkelvin?
Compárese con la anchura Doppler de una raya espectral (a partir de la distribución de Maxwell) como termómetro de gases: ¿qué magnitud y cómo escala con T?
Resúmase: los tres sistemas y la única fórmula.
Solución
Solución de Problema 29.1.
1.dP/dz=−nmg=−(mg/kBT)P; H=8.4km.
2.e−mgz/kBT: la energía potencial de una molécula y la temperatura del aire.
6.HO2=7.6, HN2=8.7km: la razón a 50km sería e−50/7.6+50/8.7=0.44 de su valor en el suelo; la turbulencia mezcla más deprisa de lo que separa la difusión.
7. Menor: el aire frío es más denso y la presión cae más deprisa.
8.2.5×1025m−3; e−11.9: 1.7×1020m−3 — no hay borde, solo un convenio.
9.11.26370/6870=10.8km/s.
10. Helio 2040 y 2300m/s; nitrógeno 770 y 870m/s.
11.x=5.3: 4×10−12; nitrógeno e−196: ninguno.
12.41×1012×2300×4×10−12×21≈103 átomos por metro cuadrado y segundo; para toda la Tierra y un año, 2×1025 átomos — 0.1kg.
13.5×10−6×1.1×1044=5.5×1038 átomos, 3.7×1012kg; frente a 0.1kg al año, el tiempo de residencia sería absurdo.
14. El régimen estacionario exige una pérdida de 3×106kg al año: un tiempo de residencia de cerca de un millón de años, que es el valor aceptado — así que la estimación térmica a 1000K se queda muy corta: la fuga la dominan los episodios más calientes y los procesos no térmicos (iónicos).
15.x=3.75: e−14 en vez de e−28 — un factor 106: la pérdida es extraordinariamente sensible a la temperatura de la exosfera.
16. La Luna es caliente y ligera: todo escapa en tiempo geológico; Titán es frío, con x=11 para el nitrógeno.
17.p±=e±x/2coshx; M=nμtanhx.
18.x=μB/kBT: 4.2A/m, 310A/m, 1.6×104A/m (saturación 1.9×104A/m); Curie para x≪1, es decir, T≫70mK.
19.M depende solo de T una vez conocido B; con la mayor pendiente cerca de x≈1, T≈μB/kB=70mK; se mide la susceptibilidad con una bobina.
20.⟨E⟩=−NμBtanhx; C=NkBx2/cosh2x, con el máximo en x=1.2: 56mK.
21.NkBln2 y 0: todos los espines se alinean con el campo.
22.10mK; el campo propio de los espines, de una milésima de tesla, sustituye a B y fija el suelo.
23.x=1 para μNB/kB=0.37mK: Curie vale hasta un milikelvin, y el termómetro es útil hasta los microkelvin.
24.Δν/ν=8kBTln2/mc2∝T: la anchura de una raya mide la temperatura del gas.
25. Atmósfera, gas que escapa y espines: e−E/kBT con E=mgz, 21mv2 y ∓μB.