Introdução à Temperatura na Física Quântica (para leigos)

Esse post serve como introdução para os leigos entenderem o post anterior (abaixo). Se você é familiarizado com os conceitos de distribuição de Fermi-Dirac e potencial químico não há razão para ler esse post.

DISTRIBUIÇÃO DE FERMI-DIRAC

Na física quântica, ao invés de podermos colocar elétrons dentro de uma caixa com qualquer energia, somente alguns valores de energia são permitidos. Daí o nome "quântica": a diferença de energia entre dois desses valores é um número fixo e os elétrons só podem ganhar ou ceder energia nessas quantidades, como se fossem "pacotinhos" fixos. Esses pacotinhos são chamados de quantas.

Se a temperatura é zero, essas caixas são preenchidas de baixo para cima, isto é, os elétrons ocupam primeiro a "vaga" de mais baixa energia. Com isso se temos um número como 10 elétrons, e a temperatura é zero, sabemos que os elétrons estão ocupando com certeza os 10 níveis de mais baixa energia, e que o 10º nível de energia é a "borda" das vagas ocupadas. Essa "borda" é chamada de Energia de Fermi. Se considerarmos o fato de que elétrons se repelem, as coisas se complicam. Vamos fingir por enquanto que isso não acontece.

Quando a temperatura é diferente de zero, o que acontece é que alguns elétrons podem estar ocupando energias acima da "borda". Com isso, o número de elétrons abaixo da energia de fermi fica diminuído e têm-se alguns elétrons acima da energia de Fermi. Com isso, o que antes era uma borda bem definida se torna um borrão. A forma desse borrão pode ser determinada através das leis da estatística e da física quântica.

Figura mostrando um ponto quântico a temperatura não-nula. Basicamente temos uma caixa, cuja "borda" entre as vagas ocupadas (região azul) e as desocupadas (região branca) é um borrão (Distribuição de Fermi-Dirac)

A forma desse borrão é chamada de Distribuição de Fermi-Dirac.

Potencial Químico

Essa é mais complicada. É bastante comum alunos que se formam em física sem entender exatamente qual é o significado desse termo.

Basicamente, se levarmos em conta a repulsão entre elétrons (interação Coulombiana), a cada elétron que adicionamos na nossa caixa nós alteramos um pouquinho a energia de todos os outros elétrons. Dessa forma, quando colocarmos mais um elétron na caixa, a energia necessária para colocá-lo lá não é simplesmente o "pacotinho" de energia que tínhamos antes, mas temos que vencer também a "vontade" dos elétrons de se afastarem. Logo, levar um elétron que já estava dentro da caixa a atravessar a "borda" (energia de Fermi) é mais fácil do que tentar colocar um elétron de fora para dentro da caixa na vaga logo acima da borda.

Agora ficou fácil. A energia que é necessária para se colocar um elétron na caixinha é o potencial químico, representado na figura pela letra grega μ (leia-se "mi", escreva-se "mu"). Essa "dificuldade" em se colocar mais um elétron é chamada Bloqueio de Coulomb (Coulomb Blockade).

PARABÉNS. VOCÊ APRENDEU EM 5 MINUTOS TRÊS CONCEITOS IMPORTANTÍSSIMOS (E DIFISSILIMOS) EM FÍSICA. AGORA VOCEÊ SABE O QUE É

1) DISTRIBUIÇÃO DE FERMI-DIRAC

2) POTENCIAL QUÍMICO

3) BLOQUEIO DE COULOMB



P.S.: Existem outras distribuições para outros sistemas físicos. Exemplos são a distribuição de Bose-Einstein e de Maxwell-Boltzmann. Eu não vou discutir as diferenças aqui senão vai ficar confuso.