FÍSICA MODERNA 1 IVAN SANTOS. EFEITO FOTOELÉTRICO O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material metálico, quando exposto a um tipo de.

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1 FÍSICA MODERNA 1 IVAN SANTOS

2 EFEITO FOTOELÉTRICO O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material metálico, quando exposto a um tipo de luz com freqüência relativamente alta. O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material metálico, quando exposto a um tipo de luz com freqüência relativamente alta. A emissão ocorre pelo fato de os elétrons que estavam presos às órbitas dos átomos receberem energia suficiente para abandoná- las. A emissão ocorre pelo fato de os elétrons que estavam presos às órbitas dos átomos receberem energia suficiente para abandoná- las. A emissão acontece quando um fóton é absorvido por apenas um elétron, se a energia desse fóton absorvido for maior que a energia de ligação entre o elétron e o núcleo do átomo acontece à emissão e sua energia cinética é a diferença entre a energia do fóton e a energia de ligação do elétron com o núcleo. Quando aumentamos a intensidade da luz observamos que um maior número de elétrons sai de suas órbitas. A emissão acontece quando um fóton é absorvido por apenas um elétron, se a energia desse fóton absorvido for maior que a energia de ligação entre o elétron e o núcleo do átomo acontece à emissão e sua energia cinética é a diferença entre a energia do fóton e a energia de ligação do elétron com o núcleo. Quando aumentamos a intensidade da luz observamos que um maior número de elétrons sai de suas órbitas. A energia cinética do elétron é dada pela equação: A energia cinética do elétron é dada pela equação: Ecim é a energia cinética; h constante de Planck; f é a freqüência,w é a energia de ligação entre o elétron e o núcleo. Ecim é a energia cinética; h constante de Planck; f é a freqüência,w é a energia de ligação entre o elétron e o núcleo. Ec= h.f - W I lustração do efeito fotoelétrico. A explicação deste efeito deu o prêmio Nobel de física à Albert EinsteinAlbert Einstein Simulação de um elétron sendo arrancado de sua órbita.

3 O EFEITO FOTOELÉTRICO O Problema: A luz composta de pacotes de energia (fótons), ao atingir uma chapa metálica gera uma corrente elétrica, pois libera elétrons da placa. Alguns raios provocam o efeito fotoelétrico outros não. (elétrons saltados do átomo) A Explicação de Einstein: O efeito fotoelétrico não depende da intensidade – (Amplitude) O efeito fotoelétrico depende da energia da onda – (Freqüência) O efeito fotoelétrico depende da função trabalho do material, ou seja, a energia do foton deve ser maior que a função trabalho. Quanto maior a freqüência do foton incidente maior a energia cinética do elétron ejetado. Por isso os raios infravermelhos não provocavam o efeito fotoelétrico enquanto os raios ultravioletas sim. Albert Einstein, recebeu o prêmio Nobel de Física em 1921por explicar o efeito fotoelétrico.

4 FÓTONS DE LUZ A luz consegue se propagar no espaço, isso se deve ao fato dela ser uma onda eletromagnética e sua energia luminosa é emitida em forma de fótons de energia que são pequenos pacotes da mesma. Com isso temos o quantum energético que é uma quantidade elementar, indivisível, de energia eletro- magnética. Dessa forma a luz também se propaga de maneira irregular e é absorvida da mesma forma, portanto a luz não possui energia em todas as regiões varridas por ela. A luz consegue se propagar no espaço, isso se deve ao fato dela ser uma onda eletromagnética e sua energia luminosa é emitida em forma de fótons de energia que são pequenos pacotes da mesma. Com isso temos o quantum energético que é uma quantidade elementar, indivisível, de energia eletro- magnética. Dessa forma a luz também se propaga de maneira irregular e é absorvida da mesma forma, portanto a luz não possui energia em todas as regiões varridas por ela. A energia eletromagnética que para a luz visível vária de cor de acordo com sua freqüência, essa variação de cor é mesma das cores do arco-íris. Quando associamos a quantidade de energia a cada fóton de luz vemos que é proporcional freqüência da radiação, dado pela equação: A energia eletromagnética que para a luz visível vária de cor de acordo com sua freqüência, essa variação de cor é mesma das cores do arco-íris. Quando associamos a quantidade de energia a cada fóton de luz vemos que é proporcional freqüência da radiação, dado pela equação: Onde E é a quantidade de energia, h é a constante de Planck (h = 6,62.10-34) e f é a freqüência. Onde E é a quantidade de energia, h é a constante de Planck (h = 6,62.10-34) e f é a freqüência. Onda eletromagnética E = h.f

5 Freqüência de corte para alguns metais Sódio – 5,5.10 14 hz Sódio – 5,5.10 14 hz Potássio – 4,22.10 14 hz Potássio – 4,22.10 14 hz Cobre – 1,13.10 15 hz Cobre – 1,13.10 15 hz Prata – 1,14.10 15 hz Prata – 1,14.10 15 hz Platina – 1,53.10 15 hz Platina – 1,53.10 15 hz

6 EFEITO COMPTOM Efeito Compton ou o Espalhamento de Compton, é a diminuição de energia (aumento de comprimento de onda) de um fóton de raio-X ou de raio gama, quando ele interage com a matéria. Não pode explicar alguma variação no comprimento de onda. A luz deve agir como se ela consistisse de partículas como condição para explicar o espalhamento de Compton. O experimento de Compton convenceu físicos que a luz pode agir como uma corrente de partículas cuja energia é proporcional à frequência.

7 ACELERADOR DE PARTÍCULAS Os aceleradores de partículas são equipamentos que fornecem energia a feixes de partículas subatômicas eletricamente carregadas. Todos os aceleradores de partículas possibilitam a concentração de alta energia em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma precisa. Exemplos comuns de aceleradores de partículas existem nas televisões e geradores de raios-X, na produção de isótopos radioativos, na radioterapia do câncer, na radiografia de alta potência para uso industrial e na polimerização de plásticos. Além das partículas mais básicas, elétrons, prótons e nêutrons, outras também podem ser aceleradas. Por exemplo: existe a possibilidade de se acelerar partículas compostas; ou seja, partículas alfa, que são constituídas por dois prótons e dois nêutrons.Devido a disposição geométrica dos campos eletromagnéticos responsáveis pela aceleração das partículas, basicamente são classificados em dois tipos: cíclicos e lineares. Os aceleradores lineares fazem a partícula seguir uma trajetória reta onde a energia final obtida é proporcional à soma das diferenças de potencial geradas a partir dos mecanismos de aceleração dispostos ao longo da trajetória

8 Os aceleradores cíclicos são construídos para promover a trajetória curvada das partículas pela ação dos campos magnéticos em espiral ou circular.Este tipo de acelerador força a partícula a passar diversas vezes pelos sistemas de aceleração. A energia final das partículas depende da amplitude da diferença de potencial aplicada e do número de voltas que estas dão no dispositivo. Os tipos de aceleradores cíclicos mais utilizados são o cíclotron e o síncrotron.

9 DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA Na física clássica, alguns fenômenos são descritos como ondulatórios e outros como corpusculares, mas para a física quântica os dois são necessários para descrever fenômenos físicos. O efeito fotoelétrico mostra isso, que a luz ou qualquer outra partícula pode se comportar de duas forma, onda ou partícula. Com isso, para uma partícula em movimento, a intensidade da onda,num dado ponto, é proporcional à probabilidade de se encontrar a partícula nesse ponto. Tomando um fóton de luz monocromática temos a quantidade de movimento dada por: Q é quantidade de movimento; h é a constante de Planck; e λ é comprimento de onda. Igualmente a uma partícula em movimento, com quantidade de movimento e energia cinética, associamos uma onda de freqüência e comprimento de onda dados por: O nde λ é o comprimento de onda, Q é a quantidade de movimento ; f é a freqüência; E é a energia cinética e h é a constante de Planck. Notamos que a partícula se movimenta com uma velocidade muito inferior com relação à velocidade da luz, com isso temos que massa é igual à do repouso: Se o valor da velocidade for próximo ao da luz no vácuo (c= 3.108 m/s), temos: m0/1-(v/c)² corresponde a massa da partícula quando ela está com determinada velocidade V Q = _h_ λ λ = _h_ e f =_E_ Q h Q = m 0. V

10 As quatro interações do universo Gravitacional – mais fraca, porém a de maior alcance (responsável pela estabilidade do universo) – mediador é o graviton. Gravitacional – mais fraca, porém a de maior alcance (responsável pela estabilidade do universo) – mediador é o graviton. Forte – curtas distâncias, no interior do núcleo (responsável pela estabilidade nuclear) – mediador é o gluon. Forte – curtas distâncias, no interior do núcleo (responsável pela estabilidade nuclear) – mediador é o gluon. Fraca – Ao emitir radiação o núcleo é desintegrado por probabilidade(Verificada no decaimento radioativo) – mediador é o bóson. Fraca – Ao emitir radiação o núcleo é desintegrado por probabilidade(Verificada no decaimento radioativo) – mediador é o bóson. Eletromagnética – A teoria clássica já estava de acordo com a relatividade e casou perfeitamente com a física quântica (Responsável pela existência do átomo e movimento de elétrons em torno do núcleo) – Mediador é o fóton. Eletromagnética – A teoria clássica já estava de acordo com a relatividade e casou perfeitamente com a física quântica (Responsável pela existência do átomo e movimento de elétrons em torno do núcleo) – Mediador é o fóton.

11 EXERCÍCIOS 1 (UFC) - Quanto ao numero de fótons existentes em 7 joule de luz verde, 1 joule de luz vermelha e 1 joule de luz azul, podemos afirmar, corretamente, que 1 (UFC) - Quanto ao numero de fótons existentes em 7 joule de luz verde, 1 joule de luz vermelha e 1 joule de luz azul, podemos afirmar, corretamente, que a)Existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz vermelha e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul. a)Existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz vermelha e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul. b)Existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz verde e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul. b)Existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz verde e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul. c)Existem mais fótons em 1 joule de luz azul que em 1 joule de luz verde e existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz azul. c)Existem mais fótons em 1 joule de luz azul que em 1 joule de luz verde e existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz azul. d)Existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz vermelha. d)Existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz vermelha. e)Existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz azul e existem mais fótons em 1 joule de luz azul que em 1 joule de luz verde. e)Existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz azul e existem mais fótons em 1 joule de luz azul que em 1 joule de luz verde. Resolução A energia total associada a n fótons de freqüência f e dada por: E = n hf Para a mesma energia E, o numero de fótons é inversamente proporcional a sua freqüência f n=_E_ hf sendo: f azul > f verde > f vermelha Resulta: n azul < n verde < n vermelha Resposta: Alternativa B

12 2 (ITA)- Incidi-se luz num material fotoelétrico e não se observa a emissão de elétrons. Para que ocorra a emissão de elétrons do mesmo material, basta que se aumente(m): a) a intensidade de luz. a) a intensidade de luz. b) a freqüência da luz. b) a freqüência da luz. c) o comprimento de onda da luz. c) o comprimento de onda da luz. d) a intensidade e a freqüência da luz. d) a intensidade e a freqüência da luz. e) a intensidade e o comprimento de onda da luz. e) a intensidade e o comprimento de onda da luz. Resolução Temos que aumentar a freqüência da luz para fornecer maior energia ao elétrons para que eles possam escapar da atração do núcleo Resposta: Alternativa B

13 3 (ITA)- Num experimento que usa efeito fotoelétrico, ilumina-se sucessivamente a superfície de um metal com luz de dois comprimentos de onda diferentes, λ1 e λ2, respectivamente.Sabe-se que as velocidades máximas dos fotoelétrons emitidos são, respectivamente, V1 e V2, em que V1 = 2V2. Designado por c o módulo da velocidade da luz no vácuo, e por h a constante de Planck, pode-se, então afirmar que a função do trabalho Φ do metal é dada por 3 (ITA)- Num experimento que usa efeito fotoelétrico, ilumina-se sucessivamente a superfície de um metal com luz de dois comprimentos de onda diferentes, λ1 e λ2, respectivamente.Sabe-se que as velocidades máximas dos fotoelétrons emitidos são, respectivamente, V1 e V2, em que V1 = 2V2. Designado por c o módulo da velocidade da luz no vácuo, e por h a constante de Planck, pode-se, então afirmar que a função do trabalho Φ do metal é dada por a) (2λ1 - λ2)h c/(λ1λ2). a) (2λ1 - λ2)h c/(λ1λ2). b) ( λ2 -2λ1)h c/(λ1λ2). b) ( λ2 -2λ1)h c/(λ1λ2). c) (λ2 -4λ1)h c/(3λ1λ2). c) (λ2 -4λ1)h c/(3λ1λ2). d) (4λ1 - λ2)h c/(3λ1λ2). d) (4λ1 - λ2)h c/(3λ1λ2). e) (2λ1 - λ2)h c/(3λ1λ2). e) (2λ1 - λ2)h c/(3λ1λ2). Resolução A energia cinética Ec do elétron emitido é dada por: E=hf – Φ= (c/λ) –Φ Sendo V1 = 2V2.resulta E1 = 4E2, pois a energia cinética é proporcional ao quadrado da velocidade. Resposta: Alternativa D

14 4 Em relação aos conceitos da Física Moderna, marque V para as afirmativas verdadeiras e F para as falsas. ( ) A energia cinética de um elétron emitido pelo efeito fotoelétrico é proporcional à amplitude da onda eletromagnética que incide sobre a placa. ( ) A radioatividade é um fenômeno que ocorre na eletrosfera de átomos instáveis. ( ) A luz apresenta propriedades de grandezas descontínuas assim como de grandezas contínuas. ( ) A massa de um elétron é constante, seja medida em relação ao núcleo de um átomo ou a um sistema de referência em que o elétron esteja em repouso. ( ) Existem partículas com cargas elétricas fracionárias em relação à carga elétrica do elétron. Assinale a seqüência correta. A) F, V, V, F, V B) V, V, V, F, F C) V, F, F, V, F D) F, F, V, F, V E) F, F, V, F, F partícula onda F F V F V Proton = 2qu + 1 qd Qu = 2/3 e Qd = -1/3 e

15 5 A coluna da esquerda apresenta interações fundamentais e a da direita, fenômenos relacionados a elas. Numere a coluna da direita de acordo com a da esquerda. 1 - Fraca ( ) Estabilidade nuclear 2 – Forte( ) Processos de decaimento 3 - Eletromagnética ( ) Aglomeração de galáxias 4 - Gravitacional ( ) Existência do átomo Assinale a seqüência correta. A) 1, 4, 3, 2 B) 2, 1, 3, 4 C) 2, 1, 4, 3 D) 4, 1, 2, 3 E) 3, 2, 1, 4 1 2 3 4

16 6 Em um acelerador cíclotron de raio R = 0,5 m, o campo magnético 6 Em um acelerador cíclotron de raio R = 0,5 m, o campo magnético uniforme de 1 T é aplicado sobre um dêuteron, que, ao ser acelerado uniforme de 1 T é aplicado sobre um dêuteron, que, ao ser acelerado por um campo elétrico variável de freqüência de 13 MHertz, terá como por um campo elétrico variável de freqüência de 13 MHertz, terá como energia cinética: energia cinética: A) 6,25 MeV A) 6,25 MeV B) 12,5 MeV B) 12,5 MeV C) 1 peV C) 1 peV D) 6,25 μeV D) 6,25 μeV E) 12,5 μeV E) 12,5 μeV

17 Resolução Considerações: 1º) dêuteron é formado pelo núcleo do deutério (isótopo do hidrogênio que possui 1 próton, 1 elétron e 1 neutro), ou seja, possui 1 próton e 1 neutro. Alternativa A

18 Erro da questão!!!???

19 7 (UFMS) Um importante passo no desenvolvimento das teorias sobre a natureza da luz foi dado por um fenômeno chamado efeito fotoelétrico, descoberto por H. Hertz, em 1897. Esse efeito consiste na emissão de elétrons por uma placa metálica, quando a luz incide sobre ela. Assinale a(s) proposição(ões) correta(s) sobre o efeito fotoelétrico. (01) Aumentando-se a intensidade luminosa da luz incidente sobre uma placa metálica, a energia dos elétrons ejetados também aumenta. (02) Quanto maior for a função trabalho de um metal, para uma freqüência fixa de luz incidente, maior será a energia cinética dos elétrons ejetados do metal. (04) O efeito fotoelétrico pode ser explicado usando-se a teoria corpuscular da luz. (08) Existe uma freqüência limite da luz incidente abaixo da qual os elétrons não são ejetados da placa metálica. (16) A energia da luz incidente sobre a placa metálica independe da freqüência da luz. Soma: 12

20 8 O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons pela matéria sob a ação de fótons (luz). Os elétrons emitidos possui variadas energias, sendo os mais energéticos aqueles que estavam menos ligados ao material. Considerando um feixe de luz coerente (única freqüência), incidindo sobre a superfície de um material, e que esteja produzindo o efeito fotoelétrico, é correto afirmar: (001) A energia máxima em que os elétrons são emitidos não depende da freqüência do feixe de luz incidente. (002) Quanto maior for a intensidade do feixe da luz incidente, maior a taxa de emissão de elétrons. (004) A energia de um feixe de luz não depende do comprimento de onda da luz. (008) A emissão de elétrons é explicada pela teoria ondulatória da luz. (016) Os elétrons são emitidos porque absorvem energia dos fótons durante a colisão.