Physics · Livro 5 · Bachelor Year 3

Física universitária — 3.º ano

Física universitária — 3.º ano · Bachelor Year 3

18O ensemble grande canônico

Uma gota de água no ar úmido não cresce nem encolhe; o oxigênio se liga à hemoglobina nos pulmões e se desliga nos músculos; uma bateria empurra elétrons através de um telefone porque eles são “mais caros” em um eletrodo do que no outro. Em cada caso, a moeda que se equilibra não é a temperatura, mas o potencial químico μ\mu: o custo em energia livre de mais uma partícula. Este capítulo abre a segunda válvula do reservatório — partículas além de energia — e constrói o ensemble grande canônico, cuja recompensa é uma eficiência espantosa: a ocupação de um único nível quântico, fermiônico ou bosônico, sai em duas linhas, e com ela as fórmulas mestras do próximo capítulo. As aplicações vão das isotermas de adsorção das máscaras de gás e dos catalisadores automotivos à equação de Saha, com a qual uma doutoranda de Harvard leu, em 1925, as temperaturas das estrelas e descobriu, contra toda expectativa, que o universo é feito de hidrogênio.

18.1 As partículas entram na negociação

Teorema 18.1 (Distribuição grande canônica)

Um sistema que troca energia e partículas com um reservatório a temperatura TT e potencial químico μ\mu ocupa o seu estado ss (energia EsE_s, número de partículas NsN_s) com probabilidade

Ps=eβ(EsμNs)Ξ,Ξ=seβ(EsμNs),\mathcal P_s = \frac{\eu^{-\beta(E_s - \mu N_s)}}{\Xi} , \qquad \Xi = \sum_s\eu^{-\beta(E_s - \mu N_s)} ,

a grande função de partição. A partir de Ξ\Xi: N=kBTlnΞ/μ\langle N\rangle = k_{\text{B}}T\,\partial\ln\Xi/\partial\mu, e o grande potencial Φ=kBTlnΞ\Phi = -k_{\text{B}}T\ln\Xi obedece a Φ=PV\Phi = -PV.

Demonstração parcial. Como no Teorema 17.1, expanda a entropia do reservatório nas duas retiradas: Sres(EEs,NNs)SresEs/T+μNs/TS_{\text{res}}(E - E_s, N - N_s) \approx S_{\text{res}} - E_s/T + \mu N_s/T, usando S/N=μ/T\partial S/\partial N = -\mu/T (Teorema 16.6). As médias saem por derivação; Φ=PV\Phi = -PV fica admitido (segue da extensividade).

Definição 18.2 (O que μ\mu significa)

μ\mu é o custo, em energia livre, de acrescentar uma partícula a TT e VV fixos. As partículas fluem espontaneamente de μ\mu alto para μ\mu baixo — difusão, osmose, evaporação, reações químicas e correntes elétricas são todos gradientes de μ\mu relaxando. No equilíbrio entre duas fases ou dois lugares quaisquer, μ\mu é igual dos dois lados — a terceira igualdade (com TT e PP) que rege a coexistência. Para a classical ideal gas,

μ=kBTln ⁣(nλT3)<0(gaˊs diluıˊdo):\mu = k_{\text{B}}T\,\ln\!\big(n\lambda_T^3\big) < 0 \quad\text{(gás diluído)} :

acrescentar uma partícula a um gás diluído abaixa a energia livre, porque o ganho de entropia supera qualquer custo em energia — o sinal que move a evaporação para o ar seco. E uma bateria é uma máquina de μ\mu: a tensão dela é a queda de potencial químico por elétron entre os eletrodos, U=Δμ/eU = \Delta\mu/e — os volts são a taxa de câmbio da química do elétron, e por isso as pilhas dão volts de um só dígito.

18.2 Um nível de cada vez: o truque mestre

Teorema 18.3 (Ocupação de um único nível quântico)

Tome como “o sistema” um único nível de partícula única, de energia ϵ\epsilon, em contato grande canônico com o gás de todos os outros. Férmions (ocupação 00 ou 11):

Ξ=1+eβ(ϵμ)    nˉFD=1eβ(ϵμ)+1.\Xi = 1 + \eu^{-\beta(\epsilon - \mu)} \;\Longrightarrow\; \bar n_{\text{FD}} = \frac{1}{\eu^{\beta(\epsilon - \mu)} + 1} .

Bósons (ocupação 0,1,2,0, 1, 2, \dots):

Ξ=11eβ(ϵμ)    nˉBE=1eβ(ϵμ)1,\Xi = \frac{1}{1 - \eu^{-\beta(\epsilon - \mu)}} \;\Longrightarrow\; \bar n_{\text{BE}} = \frac{1}{\eu^{\beta(\epsilon - \mu)} - 1} ,

exigindo μ<ϵmin\mu < \epsilon_{\min}. As duas se reduzem ao fator de Boltzmann eβ(ϵμ)\eu^{-\beta(\epsilon - \mu)} quando as ocupações são raras. Estas duas fórmulas, obtidas em duas linhas cada, são toda a entrada da estatística quântica: o próximo capítulo é a colheita delas.

Demonstração. Férmions: dois termos. Bósons: uma série geométrica, convergente apenas para μ<ϵ\mu < \epsilon. Nos dois casos, nˉ=kBTlnΞ/μ\bar n = k_{\text{B}}T\, \partial\ln\Xi/\partial\mu dá as formas enunciadas.

As três leis de ocupação contra ( - )/k_ BT: os férmions saturam em um por estado (um degrau suavizado em =), os bósons se empilham sem limite quando , e ambos se juntam à cauda diluída de Boltzmann à direita — o regime clássico é aquele em que um estado quase nunca é visitado.
As três leis de ocupação contra (ϵμ)/kBT(\epsilon - \mu)/k_{\text{B}}T: os férmions saturam em um por estado (um degrau suavizado em ϵ=μ\epsilon = \mu), os bósons se empilham sem limite quando ϵμ\epsilon \to \mu, e ambos se juntam à cauda diluída de Boltzmann à direita — o regime clássico é aquele em que um estado quase nunca é visitado.

18.3 Adsorção: sítios para alugar

Proposição 18.4 (A isoterma de Langmuir)

Uma superfície oferece sítios independentes, cada um vazio ou com uma molécula de gás de energia de ligação ϵ0-\epsilon_0; o gás acima, à pressão PP, é o reservatório. Cada sítio é um sistema grande canônico de dois estados, e a ocupação dele é

θ=1eβ(ϵ0μ)+1=PP+P0(T),P0(T)=kBTλT3eϵ0/kBT,\theta = \frac{1}{\eu^{\beta(-\epsilon_0 - \mu)} + 1} = \frac{P}{P + P_0(T)} , \qquad P_0(T) = \frac{k_{\text{B}}T}{\lambda_T^3}\, \eu^{-\epsilon_0/k_{\text{B}}T} ,

usando o μ\mu do gás ideal. A cobertura sobe linearmente a baixa pressão e satura em uma monocamada — a isoterma de Langmuir, a curva de trabalho dos catalisadores automotivos, do carvão ativado, das máscaras de gás e da ligação do oxigênio ao sangue (Exercício 18.6). A pressão de cruzamento P0P_0 cai exponencialmente com a energia de ligação e sobe abruptamente com a temperatura: aquecer uma superfície sacode os hóspedes dela para fora — e é por isso que assar vidraria sob vácuo é o que de fato a limpa.

Demonstração. A ocupação do sítio é a Teorema 18.3 (na forma fermiônica: um sítio guarda no máximo um) com ϵ=ϵ0\epsilon = -\epsilon_0; substitua eβμ=nλT3=PλT3/kBT\eu^{\beta\mu} = n\lambda_T^3 = P\lambda_T^3/k_{\text{B}}T.

Isotermas de Langmuir: cobertura contra pressão, saturando em uma monocamada. Aqueça a superfície e a mesma cobertura passa a exigir muito mais pressão — a adsorção é uma negociação de  que a superfície quente vive perdendo.
Isotermas de Langmuir: cobertura contra pressão, saturando em uma monocamada. Aqueça a superfície e a mesma cobertura passa a exigir muito mais pressão — a adsorção é uma negociação de μ\mu que a superfície quente vive perdendo.

18.4 Equilíbrios de ionização: a equação de Saha

Proposição 18.5 (A equação de Saha)

Num gás quente, a reação Hp+e\text{H} \rightleftharpoons \text{p} + \text{e} se equilibra quando μH=μp+μe\mu_{\text{H}} = \mu_{\text{p}} + \mu_{\text{e}}. Escrever cada μ\mu na forma do gás ideal (com o átomo creditado pela ligação dele, EI-E_{\text{I}}) dá

nenpnH=1λT,e3eEI/kBT(λT,e=h/2πmekBT)\frac{n_{\text{e}}\,n_{\text{p}}}{n_{\text{H}}} = \frac{1}{\lambda_{T,\text{e}}^3}\, \eu^{-E_{\text{I}}/k_{\text{B}}T} \qquad\Big(\lambda_{T,\text{e}} = h/\sqrt{2\pi m_{\text{e}}k_{\text{B}}T}\Big)

(a menos de fatores de degenerescência de spin da ordem da unidade). De novo duas moedas em disputa: o fator de Boltzmann taxa a ionização em EI=13.6eVE_{\text{I}} = 13.6\,\mathrm{eV}, enquanto o prefator — a entropia do elétron libertado, com o seu λT3\lambda_T^{-3} de estados acessíveis — a subsidia. O subsídio é tão grande às densidades estelares que o hidrogênio se ioniza de modo apreciável já perto de 10000K10\,000\,\mathrm{K}, onde kBTk_{\text{B}}T é apenas de 0.9eV0.9\,\mathrm{eV}: os equilíbrios são disputados em energia livre, não em energia — e os espectros das estrelas são o livro-caixa (Problema 18.1).

Demonstração parcial. Imponha μH=μp+μe\mu_{\text{H}} = \mu_{\text{p}} + \mu_{\text{e}} com μi=kBTln(niλT,i3)+εi\mu_i = k_{\text{B}}T\ln(n_i\lambda_{T,i}^3) + \varepsilon_i (εH=EI\varepsilon_{\text{H}} = -E_{\text{I}}, os outros nulos) e exponencie. Os comprimentos de onda térmicos do próton e do átomo quase se cancelam (massas iguais); os fatores de degenerescência ficam admitidos.

A ionização de Saha do hidrogênio à densidade fotosférica (esquemática): uma transição abrupta perto de 10\,000\, K, muito abaixo do ingênuo E_ I/k_ B 160\,000\, K — a entropia do elétron libertado paga a maior parte da conta.
A ionização de Saha do hidrogênio à densidade fotosférica (esquemática): uma transição abrupta perto de 10000K10\,000\,\mathrm{K}, muito abaixo do ingênuo EI/kB160000KE_{\text{I}}/k_{\text{B}} \approx 160\,000\,\mathrm{K} — a entropia do elétron libertado paga a maior parte da conta.

Método 18.6 (Ofício grande canônico)

(1) Qualquer coisa que troque partículas com um parceiro grande: dê ao parceiro um μ\mu e pese os estados por eβ(EμN)\eu^{-\beta(E - \mu N)}. (2) Sítios ou níveis independentes fatorizam: resolva um e multiplique. (3) Para um reservatório de gás clássico, eβμ=nλT3\eu^{\beta\mu} = n\lambda_T^3 converte μ\mu em pressão mensurável. (4) Reações e mudanças de fase: equilibre os μ\mu, um por espécie, energias de ligação incluídas — espere que os prefatores de entropia desloquem os equilíbrios para longe dos palpites ingênuos de Boltzmann. (5) Elétrons em sólidos: o μ\mu deles é o nível de Fermi, e diferenças de μ\mu são tensões — a ponte para o Capítulo 24.

18.5 Exercícios

Exercício 18.1

(a) Duas caixas do mesmo gás à mesma TT, mas com densidades diferentes, são conectadas: para que lado fluem as partículas, na linguagem de μ\mu? (b) Mostre, a partir do μ\mu do gás ideal, que o fluxo para em densidades iguais. (c) Água sob ar úmido: enuncie a condição de equilíbrio em termos dos μ\mu. (d) Por que a roupa seca mesmo abaixo de 100100\,^\circC quando o ar está seco (compare os μ\mu, não as temperaturas)?

Solução

Solução de Exercício 18.1.

(a) Da caixa mais densa para a mais rarefeita: de μ=kBTln(nλT3)\mu = k_{\text{B}}T\ln(n\lambda_T^3) alto para baixo. (b) Com TT igual, o λT\lambda_T é comum: μ\mu igual é nn igual. (c) μliq=μvap\mu_{\text{liq}} = \mu_{\text{vap}} — a definição de umidade de saturação. (d) No ar seco, o μ\mu do vapor (nn baixo) fica abaixo do do líquido: a água evapora ladeira abaixo no μ\mu mesmo sem nunca ferver.

Exercício 18.2

O potencial químico do ar. (a) Calcule λT\lambda_T para o N2_2 a 300K300\,\mathrm{K}. (b) Calcule nλT3n\lambda_T^3 a 1bar1\,\mathrm{bar} e o μ\mu resultante, em eV. (c) Por que μ<0\mu < 0 não é paradoxo algum (que termo de F=ETSF = E - TS domina quando se acrescenta uma molécula)? (d) A que densidade o μ\mu chegaria a zero, e o que anuncia nλT31n\lambda_T^3 \sim 1 (Exercício 18.11)?

Solução

Solução de Exercício 18.2.

(a) λT=1.9×1011m\lambda_T = 1.9 \times 10^{-11}\,\mathrm{m}. (b) nλT3=1.7×107n\lambda_T^3 = 1.7 \times 10^{-7}: μ=kBTln(1.7×107)=0.40eV\mu = k_{\text{B}}T\ln(1.7 \times 10^{-7}) = -0.40\,\mathrm{eV}. (c) O termo de entropia: uma molécula nova abre 1/nλT3\sim1/n\lambda_T^3 estados, e o TS-TS vence qualquer custo cinético. (d) n=λT31.5×1032m3n = \lambda_T^{-3} \approx 1.5 \times 10^{32}\,\mathrm{m}^{-3} — para o ar, milhares de vezes a densidade do líquido; nλT31n\lambda_T^3 \sim 1 é a fronteira da degenerescência quântica (Exercício 18.11).

Exercício 18.3

Deduza a ocupação de Fermi–Dirac a partir do Ξ\Xi de dois termos, passo a passo; verifique os limites ϵμ\epsilon \ll \mu, ϵμ\epsilon \gg \mu, e o valor em ϵ=μ\epsilon = \mu. Onde esta função já apareceu neste livro (Exercício 16.8)?

Solução

Solução de Exercício 18.3.

Ξ=1+eβ(ϵμ)\Xi = 1 + \eu^{-\beta(\epsilon-\mu)}; nˉ=kBTμlnΞ=eβ(ϵμ)/(1+eβ(ϵμ))\bar n = k_{\text{B}}T\, \partial_\mu\ln\Xi = \eu^{-\beta(\epsilon-\mu)}/(1 + \eu^{-\beta(\epsilon-\mu)}), a forma enunciada. Limites: 11 bem abaixo de μ\mu, cauda de Boltzmann bem acima, exatamente 12\tfrac12 em ϵ=μ\epsilon = \mu. É a ocupação térmica de dois níveis do sólido de Schottky — a mesma curva, com outro rótulo.

Exercício 18.4

Volts são química. (a) Uma célula de lítio dá 3.0V3.0\,\mathrm{V}: exprima a diferença de potencial químico por elétron em eV e por mol em kJ. (b) Por que todas as baterias do dia a dia têm um só dígito de volts (o que fixa a escala das diferenças químicas de μ\mu)? (c) Uma bateria de carro de chumbo-ácido empilha seis células: por que empilhar em vez de procurar uma reação de 12eV12\,\mathrm{eV}? (d) Na linguagem de μ\mu, o que faz uma bateria quando está “descarregada”?

Solução

Solução de Exercício 18.4.

(a) 3.0eV3.0\,\mathrm{eV} por elétron; ×NAe\times N_{\text{A}}e: 290kJ/mol\approx290\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}. (b) Os potenciais químicos diferem por energias de ligação — elétron-volts: as baterias herdam a escala de energia da química. (c) Nenhum par químico oferece um degrau de 12eV12\,\mathrm{eV} (ele despedaçaria o eletrólito); empilhar em série soma quedas de μ\mu com segurança. (d) Os potenciais químicos eletrônicos dos eletrodos dela se igualaram: sem gradiente não há empurrão, por mais matéria que reste.

Exercício 18.5 ★★

Bósons num nível. (a) Some a série geométrica de Ξ\Xi e deduza nˉBE\bar n_{\text{BE}}. (b) Por que o μ\mu tem de ficar abaixo do nível mais baixo — o que diverge em caso contrário, e o que a divergência prenuncia (Capítulo 19)? (c) Calcule nˉ\bar n para (ϵμ)/kBT=0.1(\epsilon - \mu)/k_{\text{B}}T = 0.1, 11, 33 e compare com Boltzmann. (d) Os fótons têm μ=0\mu = 0: dê a razão física (o número deles não se conserva — as paredes absorvem e emitem à vontade).

Solução

Solução de Exercício 18.5.

(a) Série geométrica de razão eβ(ϵμ)<1\eu^{-\beta(\epsilon-\mu)} < 1; derive. (b) Em μϵmin\mu \to \epsilon_{\min} a série diverge: o nível pode absorver população ilimitada — o empilhamento macroscópico que se torna a condensação de Bose–Einstein. (c) nˉ=9.51\bar n = 9.51, 0.580.58, 0.0520.052 contra os 0.900.90, 0.370.37, 0.0500.050 de Boltzmann: idênticos na cauda diluída, muito realçados perto de μ\mu. (d) Como as paredes criam e destroem fótons à vontade, o equilíbrio não pode depender do número deles: o custo em energia livre de mais um fóton é nulo, μ=0\mu = 0.

Exercício 18.6 ★★

Langmuir na prática. (a) Pela isoterma, que pressão alcança θ=0.5\theta = 0.5? E 0.90.9? (b) A mioglobina liga O2_2 num único sítio: a saturação segue Langmuir na pressão parcial do oxigênio — por que se observa uma curva hiperbólica (não sigmoidal) para a mioglobina, mas um S cooperativo para a hemoglobina de quatro sítios? (c) O monóxido de carbono se liga aos mesmos sítios com ϵ0\epsilon_0 maior por 0.13eV\approx0.13\,\mathrm{eV}: a pressões parciais iguais e 310K310\,\mathrm{K}, calcule a razão de ocupação CO:O2_2 e explique o envenenamento por CO. (d) Por que funciona a oxigenoterapia hiperbárica, na linguagem das isotermas?

Solução

Solução de Exercício 18.6.

(a) P=P0P = P_0; P=9P0P = 9P_0. (b) Um único sítio independente dá a hipérbole P/(P+P0)P/(P + P_0) — a mioglobina; os quatro sítios em interação da hemoglobina carregam cooperativamente, tornando a curva mais íngreme, no S que carrega por completo nos pulmões e descarrega nos tecidos. (c) e0.13/0.0267130\eu^{0.13/0.0267} \approx 130: a pressões parciais iguais, o CO ganha os sítios por um fator cem — um traço de CO expulsa o oxigênio do sangue. (d) Elevar a pressão parcial do O2_2 eleva o μ\mu dele e reinclina a disputa: a isoterma é disputada em μ\mu, e o oxigênio hiperbárico simplesmente dá o lance maior.

Exercício 18.7 ★★

Flutuações de número. (a) Mostre que VarN=kBTN/μ\operatorname{Var}N = k_{\text{B}}T\,\partial\langle N\rangle/\partial\mu. (b) Para o gás ideal clássico, deduza VarN=N\operatorname{Var}N = \langle N\rangle: Poisson. (c) Concilie com as flutuações de densidade do Exercício 16.12. (d) Para um único nível fermiônico, calcule Varn=nˉ(1nˉ)\operatorname{Var}n = \bar n(1 - \bar n): onde os números de férmions são mais silenciosos, e por quê?

Solução

Solução de Exercício 18.7.

(a) Derive N=kBTμlnΞ\langle N\rangle = k_{\text{B}}T\,\partial_\mu \ln\Xi mais uma vez. (b) Neβμ\langle N\rangle \propto \eu^{\beta\mu}: μN=βN\partial_\mu\langle N\rangle = \beta\langle N\rangle, e portanto VarN=N\operatorname{Var}N = \langle N\rangle. (c) A gaussiana de variância nˉ\bar n daquele exercício é esta afirmação de Poisson, vista num subvolume. (d) Varn=nˉ(1nˉ)\operatorname{Var}n = \bar n(1 - \bar n): nula quando o nível está com certeza vazio ou com certeza cheio — o bloqueio de Pauli silencia as flutuações no fundo de um mar de Fermi.

Exercício 18.8 ★★

Osmose a partir de μ\mu. Uma membrana deixa passar a água, mas não o soluto (concentração cc por volume, diluído). (a) Igualando o μ\mu da água dos dois lados da membrana, mostre que o lado de água pura tem de ficar sobrepressurizado em Π=ckBT\Pi = ck_{\text{B}}T (van ’t Hoff) — aceite que o soluto dissolvido baixa o μ\mu da água em kBTc/nw-k_{\text{B}}T\,c/n_{\text{w}} por molécula de água. (b) Calcule Π\Pi para o soro fisiológico (c3×1026m3c \approx 3 \times 10^{26}\,\mathrm{m}^{-3} de partículas totais). (c) Hemácias em água pura: para que lado a água flui, e com que resultado? (d) Por que as árvores não precisam de bombas nem de milagres para erguer a seiva por dezenas de metros (gradientes osmóticos e capilares de μ\mu)?

Solução

Solução de Exercício 18.8.

(a) O soluto dilui a entropia da água e baixa o μ\mu dela; a pressão eleva o μ\mu: o balanço fixa Π=ckBT\Pi = ck_{\text{B}}T. (b) Π=3×1026×1.38×1023×3101.3MPa\Pi = 3 \times 10^{26} \times 1.38 \times 10^{-23} \times 310 \approx 1.3\,\mathrm{MPa} — treze atmosferas dentro das suas veias, rotineiramente equilibradas. (c) O μ\mu da água pura excede o do interior da célula: a água inunda e as células estouram (hemólise) — e é por isso que as infusões são salinas, nunca água pura. (d) Os gradientes de μ\mu da raiz à folha (solutos, evaporação na folha) puxam a água para cima como diferenças de pressão osmótica e capilar: dezenas de metros sem uma única peça móvel.

Exercício 18.9 ★★

Equilíbrio num campo. Na gravidade, o equilíbrio de uma coluna de gás exige que o potencial químico total μ(h)=kBTln(nλT3)+mgh\mu(h) = k_{\text{B}}T\ln(n\lambda_T^3) + mgh seja uniforme. (a) Deduza daí a lei barométrica em uma linha. (b) Generalize para uma centrífuga de velocidade angular ω\omega (potencial 12mω2r2-\tfrac12 m\omega^2r^2) e obtenha o perfil radial. (c) As centrífugas de enriquecimento de urânio giram a ωr600m/s\omega r \sim 600\,\mathrm{m}/\mathrm{s}: calcule o enriquecimento de equilíbrio de 238^{238}UF6_6 sobre 235^{235}UF6_6 por estágio, exp[Δmω2r2/2kBT]\exp[\Delta m\,\omega^2 r^2/2k_{\text{B}}T] com Δm=5×1027kg\Delta m = 5 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg} e T=320KT = 320\,\mathrm{K}. (d) Por que se encadeiam muitos estágios?

Solução

Solução de Exercício 18.9.

(a) μ\mu uniforme: kBTlnn(h)+mgh=k_{\text{B}}T\ln n(h) + mgh = const., ou seja, a exponencial barométrica. (b) n(r)e+mω2r2/2kBTn(r) \propto \eu^{+m\omega^2r^2/2k_{\text{B}}T}: as espécies pesadas se acumulam na borda. (c) exp[Δmω2r2/2kBT]=exp[5×1027×3.6×105/(2×4.4×1021)]e0.21.2\exp[\Delta m\,\omega^2r^2/2k_{\text{B}}T] = \exp[5 \times 10^{-27} \times 3.6 \times 10^{5}/(2 \times 4.4 \times 10^{-21})] \approx \eu^{0.2} \approx 1.2 por estágio. (d) Ir dos 0.7%0.7\% naturais ao grau de reator ou de arma exige muitos fatores 1.21.2 compostos: daí as cascatas de milhares de centrífugas — e daí a contagem de cascatas ser diplomacia nuclear.

Exercício 18.10 ★★★

Saha, à mão. (a) Faça a demonstração pelo balanço de μ\mu da Proposição 18.5. (b) Defina a fração ionizada xx à densidade total de hidrogênio nn e mostre que x2/(1x)=eEI/kBT/nλT,e3x^2/(1 - x) = \eu^{-E_{\text{I}}/k_{\text{B}}T}/n\lambda_{T,\text{e}}^3. (c) Fotosfera solar: T=5800KT = 5800\,\mathrm{K}, n1023m3n \approx 10^{23}\,\mathrm{m}^{-3}: mostre que a fração ionizada do hidrogênio é de apenas 104\sim10^{-4} — a superfície do Sol é neutra. (d) Em T=10000KT = 10\,000\,\mathrm{K} (mesmo nn): recalcule e comente a inclinação.

Solução

Solução de Exercício 18.10.

(a) Como no texto: exponencie o balanço de μ\mu com os potenciais químicos de gás ideal e o deslocamento de EI-E_{\text{I}} do átomo. (b) Com ne=np=xnn_{\text{e}} = n_{\text{p}} = xn e nH=(1x)nn_{\text{H}} = (1-x)n: o quociente enunciado. (c) A 5800K5800\,\mathrm{K}: λT,e1.0nm\lambda_{T,\text{e}} \approx 1.0\,\mathrm{nm}, e27.2=1.5×1012\eu^{-27.2} = 1.5 \times 10^{-12}, 1/nλ31.1×1041/n\lambda^3 \approx 1.1 \times 10^{4}: x2/(1x)1.6×108x^2/(1-x) \approx 1.6 \times 10^{-8}, x1.3×104x \approx 1.3 \times 10^{-4} — a fotosfera solar é 99.99%99.99\% hidrogênio neutro. (d) A 10000K10\,000\,\mathrm{K} (mesmo nn): x6%x \approx 6\% — duas ordens e meia para um fator 1.71.7 de temperatura; às densidades eletrônicas mais baixas da fotosfera, a subida vem ainda antes. As transições de Saha são despenhadeiros.

Exercício 18.11 ★★★

Quando os gases ficam quânticos. A degenerescência começa em nλT31n\lambda_T^3 \sim 1. (a) Para o ar a 300K300\,\mathrm{K}: quão longe do limiar (Exercício 18.2)? (b) Para os elétrons de condução do cobre (n=8.5×1028m3n = 8.5 \times 10^{28}\,\mathrm{m}^{-3}): ache a temperatura abaixo da qual nλT3>1n\lambda_T^3 > 1 — e conclua que os elétrons de um metal são degenerados a qualquer temperatura de laboratório. (c) Para átomos de rubídio a n=1020m3n = 10^{20}\,\mathrm{m}^{-3}: a temperatura limiar quântica (a escala do BEC do Capítulo 19). (d) Ordene os três e enuncie a regra: partículas leves e densidades altas ficam quânticas primeiro.

Solução

Solução de Exercício 18.11.

(a) 1.7×1071.7 \times 10^{-7}: sete ordens abaixo do limiar — o ar é seguramente clássico. (b) Ponha nλT3=1n\lambda_T^3 = 1: Tdeg=h2n2/3/2πmkB6×104KT_{\text{deg}} = h^2n^{2/3}/2\pi mk_{\text{B}} \approx 6 \times 10^{4}\,\mathrm{K} para os elétrons do cobre — todo metal em que você já tocou carrega um gás de elétrons profundamente quântico. (c) Para o rubídio a 1020m310^{20}\,\mathrm{m}^{-3}: Tdeg107KT_{\text{deg}} \sim 10^{-7}\,\mathrm{K} — a fronteira dos cem nanokelvins do Capítulo 19. (d) Elétrons em metais: sempre quânticos; átomos de laboratório: só a nanokelvins; ar: nunca — a degenerescência vai como n2/3/mn^{2/3}/m.

Exercício 18.12 ★★★

O universo perde os pósitrons. No universo primitivo quente, e++e2γ\eu^+ + \eu^- \rightleftharpoons 2\gamma mantinha os pares em equilíbrio com μe++μe=0\mu_{e^+} + \mu_{e^-} = 0 (fótons: μ=0\mu = 0). (a) Para um plasma simétrico, isso dá μe±0\mu_{e^\pm} \approx 0: mostre que a densidade de pares é então n±λT3emec2/kBTn_\pm \approx \lambda_T^{-3}\eu^{-m_{\text{e}}c^2/k_{\text{B}}T} assim que kBTmec2k_{\text{B}}T \ll m_{\text{e}}c^2. (b) Calcule a temperatura em que mec2=kBTm_{\text{e}}c^2 = k_{\text{B}}T e a escala de tempo cósmica correspondente (aceite t1st \sim 1\,\mathrm{s} a 1010K10^{10}\,\mathrm{K}). (c) Mostre que um resfriamento adicional modesto (um fator de poucas unidades) faz a densidade de pares desabar por muitas ordens de grandeza: os pósitrons se aniquilam e resta apenas o minúsculo excesso primordial de elétrons. (d) Os fótons liberados reaquecem o banho de radiação: que radiação relíquia carrega o recibo (Capítulo 27)?

Solução

Solução de Exercício 18.12.

(a) Com μ=0\mu = 0, a densidade de pares é a expressão suprimida por Boltzmann λT3eβmec2\lambda_T^{-3}\eu^{-\beta m_{\text{e}}c^2} assim que os pares são não relativísticos. (b) mec2/kB=5.9×109Km_{\text{e}}c^2/k_{\text{B}} = 5.9 \times 10^{9}\,\mathrm{K}, alcançada cerca de um segundo depois do começo. (c) Resfriar de 6×109K6 \times 10^{9}\,\mathrm{K} a 2×109K2 \times 10^{9}\,\mathrm{K} multiplica o expoente por três: a densidade desaba, só na exponencial, de e2\eu^{-2} \to e6\eu^{-6}, e por ordens a mais com o prefator — em segundos os pósitrons somem, aniquilados contra todos menos uma parte em um bilhão dos elétrons. (d) Os fótons de aniquilação se juntaram ao banho de radiação e o reaqueceram um pouco; o remanescente esticado dele é a radiação cósmica de fundo — o recibo a 2.7K2.7\,\mathrm{K} do evento.

18.6 Problema: lendo as temperaturas das estrelas

Problema 18.1

Problema de fim de semana — Saha, Payne e do que o universo é feito

Os espectros estelares foram catalogados ao longo da década de 1890 nas classes O, B, A, F, G, K, M pela intensidade das linhas de absorção — com as linhas de Balmer do hidrogênio mais fortes na classe A e misteriosamente fracas tanto nas estrelas mais quentes quanto nas mais frias. Em 1925, Cecilia Payne aplicou a novíssima equação de Saha e mostrou que todo o zoológico era uma só substância a temperaturas diferentes — e que as estrelas são esmagadoramente hidrogênio, uma conclusão tão herética que a obrigaram a suavizá-la na tese. Este problema refaz o raciocínio dela. Dados: a absorção de Balmer parte de n=2n = 2, a E2E1=10.2eVE_2 - E_1 = 10.2\,\mathrm{eV} acima do estado fundamental; EI=13.6eVE_{\text{I}} = 13.6\,\mathrm{eV}; densidades eletrônicas fotosféricas ne1020m3n_{\text{e}} \sim 10^{20}\,\mathrm{m}^{-3}.

Parte I — Dois fatores em disputa.

  1. A absorção de Balmer precisa de hidrogênio neutro em n=2n = 2: escreva o fator de Boltzmann da população de n=2n = 2 (degenerescências: g2/g1=4g_2/g_1 = 4).
  2. Avalie-o a 50005000, 1000010000 e 20000K20\,000\,\mathrm{K}: para que lado esse fator empurra a intensidade da linha quando TT sobe?
  3. Agora o fator de Saha: quando TT sobe, o que acontece com a fração neutra e, portanto, com as linhas de Balmer?
  4. Explique qualitativamente por que o produto — excitado e ainda neutro — tem de ter um máximo a alguma temperatura intermediária.
  5. Usando a equação de Saha com ne=1020m3n_{\text{e}} = 10^{20}\,\mathrm{m}^{-3}, estime a temperatura de meia ionização do hidrogênio.
  6. Junte o máximo: perto de que temperatura as linhas de Balmer devem ser mais fortes, e que classe espectral (estrelas A, 10000K\sim10\,000\,\mathrm{K}) isso seleciona?

Parte II — A sequência espectral decifrada.

  1. As estrelas M (3000K3000\,\mathrm{K}) mostram bandas moleculares fortes (TiO) e hidrogênio fraco: explique as duas coisas com os dois fatores.
  2. As estrelas O (40000K40\,000\,\mathrm{K}) mostram linhas de hélio e de novo hidrogênio fraco: explique (o que aconteceu com o hidrogênio, e por que o hélio, EI=24.6eVE_{\text{I}} = 24.6\,\mathrm{eV}, tem agora a vez dele?).
  3. O Sol (G, 5800K5800\,\mathrm{K}) mostra linhas fortes de cálcio ionizado (EI,Ca=6.1eVE_{\text{I,Ca}} = 6.1\,\mathrm{eV}) e ainda assim hidrogênio fraco: mostre, com a lógica de Saha, por que o cálcio já está ionizado enquanto o hidrogênio ainda é neutro e está em sua maioria em n=1n = 1.
  4. Antes de Payne, os astrônomos liam a intensidade da linha como abundância: o que as poderosas linhas de cálcio e as débeis linhas de Balmer do Sol os levaram a concluir sobre a composição dele?
  5. A ideia de Payne: corrigir a intensidade de cada linha pelo “fator de visibilidade” de Boltzmann–Saha dela. Quando ela o fez, que hierarquia de abundâncias verdadeiras emergiu?
  6. O resultado dela — hidrogênio um milhão de vezes mais abundante que o cálcio, estrelas feitas sobretudo de hidrogênio e hélio — por que foi resistido (o que sugeria a química centrada na Terra), e quando ela foi reabilitada?

Parte III — Números sobre o máximo.

  1. Calcule o fator de Boltzmann de n=2n = 2 exatamente a 9600K9600\,\mathrm{K}.
  2. Com a estimativa de Saha do item 5, tome a fração neutra a 96009600, 1500015000 e 25000K25\,000\,\mathrm{K} como sendo grosso modo 0.50.5, 10310^{-3} e 10510^{-5}: forme o produto (fração excitada ×\times fração neutra) nas suas três temperaturas e localize o máximo dele.
  3. Por que o pico de Balmer é abrupto do lado quente (qual exponencial vence) e gradual do lado frio?
  4. A fotosfera de uma anã branca tem nen_{\text{e}} mil vezes maior: para que lado se move a temperatura de meia ionização, e por quê (Le Chatelier na linguagem de μ\mu)?
  5. Duas estrelas de temperatura idêntica, mas de pressões diferentes, mostram assim intensidades de linha diferentes: que propriedade estelar (gigante contra anã — a gravidade superficial) isso permite aos espectroscopistas ler?
  6. Os levantamentos modernos fixam as temperaturas estelares em ±1%\pm1\% a partir de razões de linhas: enuncie a cadeia postulado \to Boltzmann \to Saha \to termômetro.

Parte IV — O que isso resolveu.

  1. A sequência OBAFGKM era um caos alfabético reordenado empiricamente: depois de Saha, que variável física isolada a ordena?
  2. Enuncie por que o mesmo elemento pode dominar um espectro a uma temperatura e sumir a outra sem mudança alguma de abundância — a lição central que Payne ensinou à astronomia.
  3. Hidrogênio em três quartos de toda a massa bariônica: cite dois outros pilares deste livro que repousam sobre essa abundância (a fusão estelar, Capítulo 27; o céu de 21 cm, Capítulo 12).
  4. Otto Struve chamou a tese de Payne de “a mais brilhante tese de doutorado já escrita em astronomia”: a partir deste problema, justifique o elogio em uma frase.
  5. A mesma física de Saha, rodada ao contrário em escala cósmica, prevê a temperatura em que o hidrogênio de todo o universo se combinou pela primeira vez (3000K\sim3000\,\mathrm{K}, à densidade cósmica bem mais baixa): nomeie o evento e a relíquia dele (Capítulo 27).
  6. Os equilíbrios de ionização também fazem funcionar as lâmpadas fluorescentes e o processamento por plasma: enuncie em uma frase por que um estado ionizado ao estilo de 10000K10\,000\,\mathrm{K} pode existir num tubo cujo vidro fica frio (que dois subsistemas deixam de se equilibrar?).
  7. Resuma o resultado nomeado: uma única condição de equilíbrio, μH=μp+μe\mu_{\text{H}} = \mu_{\text{p}} + \mu_{\text{e}}, transforma o alfabeto espectral num termômetro que vai de 30003000 a 40000K40\,000\,\mathrm{K}, põe o pico de Balmer nas estrelas A e revela um universo feito de hidrogênio.
Solução

Solução de Problema 18.1.

1. n2/n1=4e10.2eV/kBTn_2/n_1 = 4\,\eu^{-10.2\,\text{eV}/k_{\text{B}}T}. 2. 2×10102 \times 10^{-10}, 2.9×1052.9 \times 10^{-5}, 1.1×1021.1 \times 10^{-2}: subindo abruptamente — mais quente é melhor para excitar n=2n = 2. 3. Saha ioniza o hidrogênio até fazê-lo sumir: acima de 10000K\sim10\,000\,\mathrm{K} a fração neutra desaba, levando consigo as linhas de Balmer. 4. Um fator sobe com TT e o outro cai: o produto deles tem de ter um máximo entre os dois regimes. 5. Impor λT,e3eEI/kBT=ne=1020m3\lambda_{T,\text{e}}^{-3}\eu^{-E_{\text{I}}/ k_{\text{B}}T} = n_{\text{e}} = 10^{20}\,\mathrm{m}^{-3}T9600KT \approx 9600\,\mathrm{K}. 6. Perto de 10000K10\,000\,\mathrm{K} — exatamente as estrelas A, cujos espectros são a vitrine do hidrogênio. 7. A 3000K3000\,\mathrm{K} nada chega a n=2n = 2 (e39\eu^{-39}), enquanto moléculas frágeis como o TiO sobrevivem e absorvem em bandas: as estrelas frias são moleculares, escuras em hidrogênio. 8. O hidrogênio está ionizado até a invisibilidade; o hélio, com a escada de 24.6eV24.6\,\mathrm{eV} dele, só agora tem kBTk_{\text{B}}T e condições de Saha para povoar e reter os estados absorvedores dele. 9. A ionização de 6.1eV6.1\,\mathrm{eV} do cálcio é bem mais barata que a de 13.6eV13.6\,\mathrm{eV} do hidrogênio: a 5800K5800\,\mathrm{K}, Saha ioniza o cálcio quase por completo (as linhas de Ca+^+ então absorvem a partir do estado fundamental dele — sem imposto de Boltzmann), enquanto o hidrogênio neutro fica em n=1n = 1, cego para Balmer. 10. Que o Sol é feito sobretudo de cálcio e ferro, parecendo-se com a crosta da Terra — a hipótese reinante que Payne herdou. 11. Dividindo cada intensidade pelo fator de visibilidade dela, as diferenças selvagens desabaram: a maioria dos elementos saiu em proporções parecidas — exceto o hidrogênio (e o hélio), que emergiu cerca de um milhão de vezes mais abundante. 12. Supunha-se que a química cósmica espelhasse a rocha terrestre; Russell pressionou-a a chamar o resultado do hidrogênio de “quase certamente irreal” — e publicou ele mesmo a mesma conclusão, com crédito, quatro anos depois. Payne tinha razão. 13. 4e10.2/0.827=4e12.31.8×1054\eu^{-10.2/0.827} = 4\eu^{-12.3} \approx 1.8 \times 10^{-5}. 14. Produtos 9×106\approx 9 \times 10^{-6}, 1.5×1061.5 \times 10^{-6}, 3.5×1073.5 \times 10^{-7}: o máximo fica em 9600K\approx9600\,\mathrm{K} — o pico das estrelas A, reproduzido com duas exponenciais. 15. Do lado quente, a exponencial de Saha aniquila de vez a população neutra; do lado frio, o fator de Boltzmann apenas míngua: despenhadeiro acima, ladeira abaixo. 16. Um nen_{\text{e}} maior empurra a recombinação (mais parceiros para capturar): a meia ionização se move para mais quente — espremendo a reação para o lado ligado, Le Chatelier na linguagem de μ\mu. 17. A gravidade superficial: anãs compactas (pressão alta) e gigantes inchadas (baixa) se separam a uma mesma temperatura — classes de luminosidade lidas da física das linhas. 18. Estados equiprováveis a priori \to populações de Boltzmann \to ionização de Saha \to razões de intensidade invertidas para dar TT: um termômetro sem peças móveis, a qualquer distância. 19. A temperatura — um só eixo, dos 3000K3000\,\mathrm{K} das M aos 40000K40\,000\,\mathrm{K} das O, substitui todo o alfabeto. 20. Visibilidade é população, e populações são exponenciais em TT: a intensidade de uma linha espectral mede primeiro a termodinâmica da estrela e só depois, uma vez corrigida, a química dela. 21. A fusão do hidrogênio como fonte de energia estelar e a cartografia de 21 cm das galáxias: as duas se apoiam na abundância de Payne. 22. Com duas fórmulas de ensemble ela converteu quarenta anos de taxonomia espectral em termometria e repesou a composição do universo — numa tese de doutorado. 23. A recombinação cósmica: a meia ionização do próprio universo a 3000K\sim3000\,\mathrm{K}, cuja luz liberada, esticada por um fator mil, é a radiação de fundo em micro-ondas a 2.7K2.7\,\mathrm{K}. 24. Os elétrons (quentes, na escala de 104K10^{4}\,\mathrm{K}) e o gás mais as paredes (frios) trocam energia devagar demais para se equilibrar: duas temperaturas coexistem num só tubo — um estado estacionário fora do equilíbrio, e é por isso que a lâmpada brilha sem derreter. 25. Uma única condição, μH=μp+μe\mu_{\text{H}} = \mu_{\text{p}} + \mu_{\text{e}}, ordena OBAFGKM só pela temperatura, estaciona o máximo de Balmer nas estrelas A perto de 9600K9600\,\mathrm{K} e — uma vez corrigidas as intensidades pela visibilidade — revela um universo de hidrogênio.

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