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Por que o Sol Brilha?

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O Sol é a estrela que ilumina a Terra e aquece o planeta, permitindo a existência da vida como a conhecemos. Serão descritas as suas características e discutida a questão de quando o Sol terminará de queimar o seu combustível e será extinto. Três hipóteses sobre o calor solar serão tratadas: as reações químicas, o efeito da força gravitacional e a energia do núcleo do átomo. As reações nucleares que ocorrem no Sol serão abordadas juntamente com as suas validações experimentais.

Unicamp, Brazil, 11 de setembro de 2019

https://www.unicamp.br/unicamp/eventos/2019/09/10/por-que-o-sol-brilha

https://www.unicamp.br/unicamp/noticias/2019/09/12/palestra-de-divulgacao-cientifica-com-fisico-italiano-lota-auditorio-na-unicamp

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Por que o Sol Brilha?

  1. 1. Francesco Vissani vissani@lngs.infn.it Laboratori Nazionali del Gran Sasso & Gran Sasso Science Institute, L’Aquila
  2. 2. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 3
  3. 3. • O que podemos fazer para ter o Sol amanhã também? • Como tirar proveito das pessoas preocupadas com o futuro do Sol? • ... • Como usar a luz do Sol? • Qual é o papel do Sol para o nosso mundo? • ... • O que realmente sabemos sobre o Sol? • Quanto tempo vai durar? 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 4
  4. 4. • Raio: (100 vezes a Terra) • Distância: (400 vezes a distância Terra-Lua) • Massa: (300.000 vezes a Terra) 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 5
  5. 5. Raio do Sol, cerca de 100 vezes o raio da Terra. Massa é cerca de 1 milhão de vezes maior O Sol comparado a outras estrelas da Via Láctea11/11/19 6
  6. 6. 7
  7. 7. Il nostro ogni stella miliardi abitanti, ci A Via Láctea (nossa galáxia) tem cerca de 200 bilhões de estrelas. Se cada uma delas hospedasse um planeta como o nosso, com tantos habitantes quanto a Terra, nosso Sol, sozinho, poderia fornecer cerca de 300 kW para cada um deles. Isso significa 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 8
  8. 8. 11/11/19 9
  9. 9. y= (1 ano expresso em segundos) eV= (electronvolt, uma unidade para medir energia, usada na física atômica) kW-h= (quilowatt-hora, usado para medir energia) 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 10
  10. 10. • O Sol emite muita potência, P⨀ . • Qual é a quantidade total de energia, E? • Se soubermos isso, podemos estimar o tempo T em que a emissão solar durará E=T × P⨀ ⟺ T = E / P⨀ 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 11
  11. 11.  Hipótese da energia química  Hipótese da energia gravitacional  Hipótese da energia nuclear  Testes observacionais 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 12
  12. 12. Hipótese da energia química 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 13
  13. 13. Suponha que o Sol realmente arda Considere por exemplo a gasolina que produz 40 MJ/kg ≃CH2 São necessários 3 kg de O por 1 kg de CH2 para permitir as reações de queima C+O2→CO2 , H2+O→H2O A energia química do Sol total seria: E = 2 × 1030 × 40 / (3+1) = 2×1037 Joule 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 14
  14. 14. Vamos ver se é o suficiente ... 2×1037 J ------------- = apenas 2000 anos 4×1026 W A resposta é um enfático NÃO!
  15. 15. Hipótese da energia gravitacional 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 16
  16. 16. Um dos maiores físicos de todos os tempos, lorde Kelvin, atribuiu um papel muito importante aos cometas e meteoros; ele propôs que eles seriam a razão da energia solar. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 17
  17. 17. Kelvin ficaria feliz em ver esta foto, feita com a ajuda de um telescópio infravermelho moderno. 11/11/19 18
  18. 18. Energia armazenada no Sol Se adicionarmos ao Sol, como está, várias massas m1, m2, m3…. sua energia gravitacional aumentará em DEgrav = GN Msol (m1+ m2+ m3…. ) / Rsol A partir dessa observação, pode-se estimar que a energia total armazenada no Sol é da ordem de Egrav = GN ( Msol )2 / Rsol = 4 × 1041 J 20.000 vezes mais que a energia química. Assim, concluímos com Kelvin que o Sol tem cerca de 20.000 × 2.000 anos = 40 milhões de anos. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 21
  19. 19. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 22
  20. 20. O principal alvo dessas palavras era Charles Darwin, que, com base em suas ideias sobre seres vivos e geologia, havia escrito que a Terra e o Sol deveriam ter pelo menos 300 milhões de anos, bem acima da estimativa de Kelvin. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 23
  21. 21. Hipótese da energia nuclear 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 24
  22. 22. certos núcleos de átomos emitem radioatividade de vários tipos, a saber, radiação de energia muito alta o raio alfa é um núcleo de hélio; um raio beta é um elétron 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 25
  23. 23. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 26
  24. 24. núcleos se transformam Essasemissõesproduzemtransformaçõesdosnúcleosdoátomo,ouseja,transmutaçõesentre diferenteselementos,quenuncaacontecemnaquímica 11/11/19 27
  25. 25. a hipótese da energia nuclear para o Sol 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 28 William D. Harkins Jean B. Perrin Arthur S. Eddington
  26. 26. a hipótese da energia nuclear para o Sol 4 H → He 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 29 William D. Harkins Jean B. Perrin Arthur S. Eddington
  27. 27. detalhes da ideia • a famosa equação de Einstein E= 𝚫m × c2 indica quanta energia E corresponde a uma certa variação de massa 𝚫m • a massa de um átomo de hélio é cerca de 0,7% menor que quatro átomos de hidrogênio (Aston) • uma fração do Sol pode converter em energia: 0,007 × Msol × c2 = 1045 J 2.000 times more than estimated by gravitational energy hypothesis! 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 30
  28. 28. detalhes da ideia • a famosa equação de Einstein E= 𝚫m × c2 indica quanta energia E corresponde a uma certa variação de massa 𝚫m • a massa de um átomo de hélio é cerca de 0,7% menor que quatro átomos de hidrogênio (Aston) • uma fração do Sol pode converter em energia: 0,007 × Msol × c2 = 1045 J 2.000 times more than estimated by gravitational energy hypothesis! 2.000 vezes mais do que o estimado pela hipótese da energia gravitacional! 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 31
  29. 29. • Fenômenos nucleares • Uma nova partícula: o neutrino • O Sol produz muitos neutrinos • Prova final 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 32
  30. 30. núcleos se transformam masaoestudaratentamenteaemissãoderaiosbeta,quecausaatransformaçãodonêutronem próton,umproblemafoipercebido... 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 34
  31. 31. elétronpróton nêutron 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 35
  32. 32. elétronpróton nêutron 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 36
  33. 33. elétronpróton nêutron
  34. 34. neutrone protone neutrino elettrone 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 38 nêutron próton elétronneutrino
  35. 35. neutrone neutrone protone protone neutrino neutrino elettrone antielettrone Fermi entende que neutrinos e prótons podem interagir nêutron nêutron próton próton elétron antielétron neutrino elétron 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 39
  36. 36. O experimento que demonstrou isso foi realizado por Reines & Cowan em 1956 usando um reator nuclear. Em 1995, esse importante resultado foi reconhecido pelo prêmio Nobel de Física concedido somente a Reines. 11/11/19 40
  37. 37. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 41
  38. 38. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 42
  39. 39. [ 2×M(1H) – M(2H) ] × c2 = Eg + En p p D e+ ne 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 43
  40. 40. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 44
  41. 41. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 45
  42. 42. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 46
  43. 43. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 47
  44. 44. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 48
  45. 45. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 49
  46. 46. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 50
  47. 47. 11/11/19 51Francesco VISSANI, Gran Sasso
  48. 48. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 52
  49. 49. algumas palavras sobre o futuro 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 54  sabemos muito, mas não tudo; por exemplo, precisamos explorar "metais" e o segundo ciclo solar (aqui acima)  enquanto isso, a teoria nos diz coisas interessantes, como a taxa de aumento da luminosidade: 10% em um bilhão de anos
  50. 50. Uma coisa que aprendi em uma longa vida: que toda a nossa ciência, confrontada com a realidade, é primitiva e infantil - e, no entanto, é a coisa mais preciosa que temos (Albert Einstein) 11/11/19 55
  51. 51. 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 56
  52. 52. Neutrinos interact very little with the matter: indeed, it exits from the Sun almost unaffected! We can see just few of them on statistical basis, if we can dispose a big amount of material, that allows its conversion into observable radiation – e.g., when a neutrino hits an atomic electron, releasing to this particle its kinetic energy. electron 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 57
  53. 53. pp-neutrino-flux × their-area × observation-time× target-electrons= (7×1014/m2 s) × (10-49 m2)×(3×107 s )×(3×1031)= 60,000 events a year, potentially observable Let us see expectations for a detector of 100 ton This could give the misleading impression that it is easy to see pp neutrinos, but one should keep in mind that a glass of water has one radioactive disintegrationpersecond! [PS The image is only to make the point: drink water, it is healthy!] 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 58
  54. 54. GalloRossoetal2017based onVinyolesetal2017 13/05/19 59
  55. 55. • “Rutherford”’s experiment proved that the nucleus 100 thousand times smaller than the atom • Le forze di repulsione elettriche tra protoni spiegano l’enorme energia della radioattivita’ 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 60
  56. 56. • “Rutherford”’s experiment proved that the nucleus 100 thousand times smaller than the atom • The electric repulsion among protons explains why radioactive fragments emerge with huge energy 11/11/19 Francesco VISSANI, Gran Sasso 61

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