¿Qué tan caliente puede ser un átomo? ¿Qué sucederá si se supera ese límite de temperatura máxima?

Como dijo Barak Shoshany , la temperatura es una propiedad macroscópica que describe una gran colección de átomos, en lugar de un solo átomo aislado.

La temperatura está relacionada con las energías cinéticas de los átomos en la colección. Cuando la temperatura de la colección de átomos se eleva lo suficiente, las colisiones entre los átomos transfieren energía a electrones externos sueltos, lo que resulta en ionización. Entonces, lo que le sucede a una colección de átomos que se calienta demasiado es que se convierte en plasma, como dijo Sushobhan Dhar . Y lo que les sucede a los átomos es que se convierten en iones.

En una colección de átomos, a cualquier temperatura particular, siempre hay una distribución de energías atómicas individuales. Y hay una distribución de energías de excitación electrónica. Los gases en una llama pueden tener una temperatura de 400-600 C. La mayor parte del color que ve (rojo, naranja o incluso azul) puede provenir de fotones que se emiten cuando los electrones en estados atómicos excitados (pero aún unidos) caen de vuelta a sus estados más bajos permitidos. Pero algunos electrones tendrán suficiente energía para escapar. Entonces la colección tendrá algunos iones.

No hay una sola temperatura a la que una colección de átomos se convierta en plasma. Más bien, a medida que aumenta la temperatura, más y más átomos se ionizan. En general, las personas hablan de plasmas que tienen temperaturas de miles de grados. Pero, incluso entonces, algunos átomos serán neutros, algunas veces.

Nota sobre los plasmas: los plasmas se definen realmente por la ionización de los átomos, no por la temperatura. Y los átomos pueden ionizarse a temperaturas muy bajas mediante la aplicación de fuertes campos eléctricos. Esta es la razón por la cual su pantalla de plasma no estalla en llamas 🙂 Por lo tanto, la alta temperatura puede implicar un plasma, pero el plasma no necesariamente implica alta temperatura.

La definición común de temperatura solo se aplica a sistemas de muchas partículas; ver temperatura termodinámica en Wikipedia. Por lo tanto, una sola partícula no puede tener temperatura.

Si tiene algún sistema de partículas, puede pensar que la temperatura del sistema en su conjunto puede considerarse como la temperatura de una sola partícula en ese sistema. Después de todo, si tiene, por ejemplo, una tina llena de agua a temperatura uniforme, entonces tiene sentido que cada gota particular de agua dentro de la tina tenga la misma temperatura. (Esto se debe a que la temperatura es una “propiedad intensiva”; consulte Propiedades intensivas y extensivas).

Sin embargo, esto no tiene sentido para partículas individuales porque la definición de la temperatura es estadística y, por lo tanto, solo se aplica en el límite termodinámico , donde el número de partículas en el sistema es muy grande.

Por el contrario, una gota de agua contiene un número astronómico de partículas (¡aproximadamente [matemáticas] 10 ^ {21} [/ matemáticas] átomos!), Por lo que tiene sentido considerar la temperatura de una sola gota de agua dentro de una tina de agua. agua.

Puede, si lo desea, calcular la temperatura de un sistema de partículas y dividirla por el número de partículas para obtener la “temperatura promedio por partícula” en ese sistema, lo que a primera vista podría parecer tener más sentido porque la temperatura es una estadística cantidad, pero que yo sepa no hay un uso real de esta cantidad en física, ya que la temperatura es una propiedad intensiva como se explicó anteriormente, y por supuesto, esto no funcionaría en una sola partícula aislada que no es parte de un sistema.

(Esto es similar a mi respuesta a ¿La temperatura tiene algún significado cuando se usa para describir una sola partícula?)

Ver también las respuestas de Barak: termodinámica.

En realidad, es posible definir la temperatura de un solo átomo, porque un átomo tiene grados internos de libertad (niveles de energía de electrones) y puede tener una energía interna diferente. Para construir su temperatura, use la ecuación [matemática] \ frac {1} {T} = \ frac {\ parcial S} {\ parcial E} [/ matemática], por lo que necesita construir la función de entropía utilizando [matemática] S = k_B \ ln \ Omega [/ math] donde [math] \ Omega [/ math] es el número de estados diferentes por debajo de una energía dada.

Ahora, la respuesta a la pregunta “qué tan caliente puede estar un átomo” depende de manera crucial de la definición de átomo: es cualquier configuración de núcleo + electrones un átomo, o se requiere que los electrones estén unidos, y si al menos un electrón se convierte gratis, ya no llamas al sistema un átomo. En el último caso, la temperatura máxima se puede encontrar calculando las cantidades anteriores para la energía a la que un electrón se desata. Si permite llamar a cualquier configuración de núcleo + electrones (también si los electrones no están unidos al potencial del núcleo), entonces la termodinámica no eleva la temperatura.

No hubiera publicado esto, pero este video parece estar en desacuerdo con algunas de las respuestas aquí:

La esencia del video:

El video responde a la pregunta “¿Qué tan caliente puede ponerse?” o “¿Cuál es la temperatura más alta posible?”. Lo cual es diferente de esta pregunta: “Qué tan caliente puede estar un átomo”, pero cubre un punto importante sobre la temperatura de Planck.

Según el video, a medida que aumenta la temperatura, los átomos pierden electrones, luego el núcleo mismo se desintegra y, a temperaturas aún más altas, las partículas subatómicas se desintegran en partículas fundamentales.

Entonces, dependiendo de cómo defina un átomo, la temperatura podría ser:
a. La temperatura a la cual los átomos pierden electrones
si. La temperatura a la que se rompe el núcleo del átomo.

Ambos ocurren mucho antes de que alcance la temperatura de Planck. Entonces un átomo no existiría a la temperatura de Planck.

Si bien el video no responde a esta pregunta, sí contradice la respuesta más votada. Si tiene razones para creer que Plank Temperature es la respuesta correcta, publíquelo como comentario.

La temperatura se refiere a la energía cinética promedio de un grupo de moléculas, un solo átomo no puede tener temperatura. Lo que intenta preguntar, creo, es qué tan caliente puede ser un objeto.

Teóricamente, no hay límite superior de temperatura. La temperatura describe la energía transportada por los átomos, y siempre que ingrese más energía en un sistema, la temperatura podría continuar aumentando.

Sin embargo, hay una temperatura por encima de la cual, en teoría, el modelo físico actual no podría aplicarse. Esta es la temperatura de Planck, que es aproximadamente 1.416833 e32 Celsius.

El calor es de naturaleza relativa … ¡un átomo puede estar caliente con un cubo de hielo y al mismo tiempo estar frío con agua!

¡tú entiendes!

Supongo que los electrones ganan suficiente energía para escapar de las fuerzas del núcleo dejando fuera los átomos ionizados y, básicamente, el material se convierte en plasma.