Fótons representam quantos de energia eletromagnética. Considere uma cavidade cúbica de
de lado com as paredes a 150 K e determine o número médio de fótons na cavidade. Dados:
Passo 1
Beleza, vamos lá! O exercício pede para a gente encontrar o número médio de fótons dentro de uma cavidade cúbica de 1,00 cm de lado, com as paredes a uma temperatura de 150 K. Estamos lidando com radição eletromagnética e, mais especificamente, com fótons, que são as partículas dessa radiação. Para resolver isso, vamos usar conceitos de física térmica e quantização da energia, além de algumas integrais que já foram fornecidas.
Passo 2
Primeiro, precisamos lembrar que a energia dos fótons está relacionada à temperatura da cavidade. A equação fundamental que nos ajuda aqui é a distribuição de Bose-Einstein para os fótons, que nos dá o número médio de fótons em termos da temperatura e da energia das partículas.
A integral fornecida no problema:
representa uma parte crucial para calcular o número médio de fótons. Aqui,
é a frequência dos fótons,
é a constante de Planck,
é a constante de Boltzmann, e
é a temperatura.
Passo 3
Para encontrar o número médio de fótons
, usamos a relação que envolve a densidade de fótons
dentro da cavidade e o volume
da cavidade. A densidade de fótons pode ser encontrada a partir da integral fornecida.
A densidade de fótons é dada por:
Onde
é o volume da cavidade. Como a cavidade é cúbica com lado de 1,00 cm, temos:
Passo 4
Agora, substituímos os valores conhecidos na equação da densidade de fótons:
Passo 5
Finalmente, para encontrar o número médio de fótons
na cavidade, multiplicamos a densidade de fótons pelo volume:
Resposta
O número médio de fótons na cavidade é
fótons.
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