Física Moderna Professor André.

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1 Física Moderna Professor André

2 Relatividade A Física Quântica A Física Nuclear

3 Relatividade Relatividade Restrita Equivalência massa e energia
Velocidade relativa Massa gravitacional e inercial Equivalência massa e energia Dilatação do tempo Contração do espaço “O tempo é relativo e não pode ser medido exatamente do mesmo modo e por toda parte.” Albert Einstein

4 Relatividade Restrita
1905 “ as leis da Física são as mesmas em todos os sistemas de referência inercial ”. “ a velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor para qualquer referencial inercial ”. c = m/s

5 Velocidade relativa Segundo a Física Clássica...
v = m/s c = m/s ...a velocidade da luz em relação ao observador é m/s

6 Velocidade relativa Segundo Einstein...
v = m/s c = m/s ...a velocidade da luz em relação ao observador é m/s Constante!!!

7 Massa É a medida quantitativa da inércia de um corpo FR = m.a
Massa gravitacional é a massa medida por uma balança Massa inercial é a massa expressa na 2ª Lei de Newton FR = m.a

8 Massa A massa pode ser calculada como:
Na Física Clássica a massa gravitacional e a massa inercial são iguais. Quer o corpo esteja em repouso, ou movimento. Na Física Moderna a massa de um corpo não é constante. Ela depende da velocidade do corpo. Justificativa: para acelerar um corpo a resultante das forças realiza um certo trabalho, que por sua vez fornece energia ao corpo. A massa pode ser calculada como:

9 Equivalência massa e energia
Para Einstein, a massa de um corpo nada mais é que uma quantidade de energia concentrada. Daí, temos a equação mais famosa da Física:

10 Dilatação do tempo Para móveis em altíssimas velocidades, na ordem da velocidade da luz no vácuo, o intervalo de tempo transcorre mais lentamente. O intervalo de tempo transcorrido para um observador que move em alta velocidade é: Paradoxo dos gêmeos!!!

11 Contração do espaço O comprimento relativístico é dado por:
Para móveis em altíssimas velocidades, na ordem da velocidade da luz no vácuo, o espaço transcorrido diminui. O comprimento relativístico é dado por:

12 A Física Quântica A natureza da luz O corpo negro
A teoria dos quanta O efeito fotoelétrico O átomo de Bohr A natureza da luz Dualidade onda-partícula Princípio da incerteza “Qualquer um que não se choque com a Mecânica Quântica, é porque não a entendeu.” Niels Bohr (1865 – 1962)

13 Final do século XIX!!! Um dos problemas que atraía a atenção dos físicos estava relacionado à distribuição de energia na radiação emitida por um corpo aquecido.

14 Radiações térmicas e Corpo Negro
Um corpo em qualquer temperatura emite radiações eletromagnéticas. O Corpo Negro é idealizado para o estudo das radiações emitidas. Ele absorve toda radiação incidente tendo reflexidade nula, daí seu nome.

15 A teoria de Planck Em dezembro de 1900, Max Planck ( ) apresentou à Sociedade Alemã de Física um estudo teórico sobre a emissão de radiação de um corpo negro, no qual deduz uma equação plenamente em acordo com os resultados experimentais. Entretanto, “para conseguir uma equação a qualquer custo”, teve que considerar a existência, na superfície do corpo negro, de cargas elétricas oscilantes emitindo energia radiante não de modo contínuo, como sugere a teoria clássica, mas sim em porções descontínuas, “partículas” que transportam, cada qual, uma quantidade E bem definida de energia.

16 E = h f Os fótons e o quantum
As “partículas” de energia sugeridas por Planck foram denominadas “fótons”. A energia E de cada fóton é denominada quantum (no plural quanta ). O quantum E de energia radiante de frequência f é dado por: Nessa fórmula, h é a constante de proporcionalidade denominada constante de Planck, dada por: h = 6,63 · 10–34 J·s. E = h f

17 Uma nova Física A solução de Planck para a questão do corpo negro,considerando que a energia é quantizada, permitiu explicar outros conceitos físicos a nível microscópico. Embora o desenvolvimento efetivo da nova teoria só tenha ocorrido a partir de 1920, dezembro de 1900 é considerado o marco divisório entre a Física Clássica e a Física Quântica – a teoria física dos fenômenos microscópicos.

18 O Efeito fotoelétrico Quando uma radiação eletromagnética incide sobre a superfície de um metal, elétrons podem ser arrancados dessa superfície. Os elétrons arrancados são chamados fotoelétrons. Luz incidente elétron e e e e e e e e e e e e Placa metálica

19 A explicação de Einstein
Einstein ( ) explicou o Efeito Fotoelétrico levando em consideração a quantização da energia: um fóton da radiação incidente, ao atingir o metal, é completamente absorvido por um único elétron, cedendo-lhe sua energia hf. Com essa energia adicional o elétron pode escapar do metal. Essa teoria de Einstein sugere, portanto, que a luz ou outra forma de energia radiante é composta de “partículas” de energia, os fótons. hf = E0 + Eelétron

20 Aplicação prática do Efeito Fotoelétrico
CÉLULA FOTOELÉTRICA É um dispositivo que transforma energia luminosa em energia elétrica. i + + + +

21 Como conciliar a teoria ondulatória com a corpuscular ?
Natureza Dual da Luz Em determinados fenômenos, a luz se comporta como se tivesse natureza ondulatória (interferência, difração) e, em outros, natureza de partícula (efeito fotoelétrico). As duas teorias da natureza da luz se completam. Cada teoria por si só é correta para explicar determinado fenômeno. Não há fenômeno luminoso que nenhuma delas possa explicar. Como conciliar a teoria ondulatória com a corpuscular ?

22 A Hipótese de De Broglie
Louis De Broglie ( ) Se a luz apresenta natureza dual, uma partícula pode comportar-se de modo semelhante, apresentando também propriedades ondulatórias ? A evidência experimental da teoria de Louis de Broglie foi obtida em 1927 por Clinton Joseph Davisson e Lester Halbert Germer.

23 “Os aspetos ondulatórios e corpuscular
O Princípio da complementaridade Niels Bohr ( ) “Os aspetos ondulatórios e corpuscular de uma entidade quântica (como a luz) são ambos necessários para realizar uma completa descrição dos fenômenos conhecidos”.

24 Princípio da incerteza Heisenberg (1901-1976)
Quanto maior a precisão na determinação da posição do elétron, menor a precisão na determinação de sua quantidade de movimento e vice-versa. ∆x= incerteza na medida da posição ∆Q= incerteza na medida da quantidade de movimento h= constante de Planck

25 Deus não joga dados com o Universo” (Einstein)
“Einstein, pare de dizer a Deus o que ele deve ou não fazer." (Niels Bohr) "Deus não só joga dados, como os esconde..." (Stephen Hawking) Essa nova condição da Física acabou com o chamado determinismo clássico em que tudo poderia ser explicado com precisão e causalidade. Inaugurou-se o que viria ser chamado de Física Probabilística, onde a incerteza e o acaso ganharam destaque.

26 A Evolução dos Modelos Atômicos
A origem da palavra átomo A palavra átomo (“que não pode ser dividido”) foi utilizada pela primeira vez na Grécia antiga por Demócrito,por volta de 400 aC. Modelo Atômico de Dalton As idéias de Demócrito permaneceram inalteradas por aproximadamente 2200 anos. Em 1808, Dalton retomou estas idéias sob uma nova perspectiva: a experimentação. Toda matéria é formada por diminutas partículas esféricas, maciças, neutras e indivisíveis chamadas átomos.

27 Modelo Atômico de Thomson (1898)
Com a descoberta dos prótons e elétrons, Thomson propôs um modelo de átomo no qual os elétrons e os prótons, estariam uniformemente distribuídos, garantindo o equilíbrio elétrico entre as cargas positiva dos prótons e negativa dos elétrons.

28 Modelo Atômico de Rutherford (1911)
Bombardeou uma fina lâmina de ouro (0,0001 mm) com partículas "alfa" emitidas pelo "polônio" (Po), contido num bloco de chumbo (Pb), provido de uma abertura estreita.Envolvendo a lâmina de ouro (Au), foi colocada uma tela protetora revestida de sulfeto de zinco (ZnS).

29 Observando as cintilações na tela de ZnS, Rutherford verificou  que muitas partículas "alfa" atravessavam a lâmina de ouro, sem sofrerem desvio, e poucas partículas "alfa" sofriam desvio. Como as partículas "alfa" têm carga elétrica positiva, o desvio seria provocado por um choque com outra carga positiva, isto é, com o núcleo do átomo, constituído  por prótons.

30 Assim, o átomo seria um imenso vazio, no qual o núcleo ocuparia uma pequena parte, enquanto que os elétrons o circundariam numa região negativa chamada de eletrosfera, modificando assim, o modelo atômico proposto por Thomson.

31 Falhas no Modelo de Rutherford
Os elétrons ao girarem  ao redor do núcleo, com o tempo perderiam energia, e se chocariam com o mesmo. Essa carga em movimento perde energia, emitindo radiação.

32   Os Postulados  de Niels Bohr (1885-1962)    
Como o átomo é uma estrutura estável, Niels Bohr formulou uma teoria (1913) sobre o movimento dos elétrons, fundamentado na Teoria Quântica da Radiação (1900) de Max Planck. 1ºpostulado: Os elétrons descrevem órbitas circulares estacionárias ao redor do núcleo, sem emitirem nem absorverem energia.

33 2º postulado: Fornecendo energia a um átomo, um ou mais elétrons a absorvem e saltam para níveis mais afastados do núcleo. Ao voltarem as suas órbitas originais, devolvem a energia recebida em forma de luz (fenômeno observado, tomando como  exemplo, uma barra de ferro aquecida ao rubro).

34 Órbitas de Bohr para o átomo de hidrogênio
Um átomo irradia energia quando um elétron salta de uma órbita de maior energia para uma de menor energia. O comprimento de onda guarda relação com a energia. Os menores comprimentos de onda de luz significam vibrações mais rápidas e maior energia. A linha vermelha no espectro atômico é causada por elétrons saltando da terceira órbita para a segunda órbita

35 Órbitas de Bohr para o átomo de hidrogênio
A linha verde-azulada no espectro atômico é causada por elétrons saltando da quarta para a segunda órbita. A linha azul no espectro atômico é causada por elétrons saltando da quinta para a segunda órbita A linha violeta mais brilhante no espectro atômico é causada por elétrons saltando da sexta para a segunda órbita.

36 Energia mecânica do elétron NO ÁTOMO DE HIDROGÊNIO
n – nível energético Linhas do espectro de emissões do hidrogênio na região do visível. Estas são as quatro linhas visíveis da série de Balmer. 1 eletron volt = 1, × joules

37 Limites no Modelo de Bohr
Logo após Bohr enunciar seu modelo, verificou-se que um elétron, numa mesma camada, apresentava energias diferentes. Como poderia ser possível se as órbitas fossem circulares? Sommerfeld sugeriu que as órbitas fossem elípticas, pois em uma elipse há diferentes excentricidades (distância do centro), gerando energias diferentes para uma mesma camada.

38 A Física Nuclear O surgimento Radioatividade Ondas eletromagnéticas
Obtenção da energia nuclear “A liberação da energia atômica mudou tudo, menos nossa maneira de pensar”. Albert Einstein

39 Em ...o mundo vê pela primeira vez o poder da energia nuclear A BOMBA ATÔMICA!!!

40 Apesar disso... USINA NUCLEAR!!! ...o homem passa a utilizar a energia nuclear em benefício da humanidade.

41 O problema!!! a radiação; o lixo radioativo; acidentes.

42 Chernobyl (Ucrânia) 1986

43 Radioatividade 1895 – Wilhelm Conrad Roentgen Descobridor dos raios X
Casal Pierre Curie ( ) e Marie Curie ( )

44 A radioatividade é a propriedade que têm alguns nuclídeos (prótons e nêutrons) de emitir espontaneamente partículas ou radiação eletromagnética, e que é caracterizada por uma instabilidade no núcleo de determinados elementos. Rádio Polônio Tório Urânio

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46 Partícula Alfa (α) CARGA POSITIVA!!! A partícula alfa é constituída do núcleo do gás hélio. Nesse núcleo, encontra-se dois prótons e dois neutrons.

47 Partícula beta (β) A partícula beta é constituída de um elétron veloz que se move fora das camadas eletrônicas dos átomos.

48 Ondas eletromagnéticas
Onda eletromagnética é uma combinação de um campo elétrico e um campo magnético, esses campos se propagam numa mesma direção porém em planos ortogonais. Numa onda eletromagnética o campo elétrico é gerado pelo campo magnético que por sua vez é gerado pelo campo elétrico, ambos se nutrindo num arranjo perfeito. Dependendo da frequência que possuem elas recebem nomes específicos.....

49 Raios infravermelhos Correspondem às ondas de calor
Possuem frequência menor que a da luz visível Correspondem às ondas de calor O que provém do sol é responsável pelo aquecimento global!!!

50 Raios ultravioleta Acompanham a luz emitida pelo sol
Possuem frequência maior que a da luz visível Acompanham a luz emitida pelo sol A exposição em excesso pode causar câncer de pele!!!

51 Alto índice de penetração em materiais
Raios X Possuem frequências muito altas!!! PERIGO!! Alto índice de penetração em materiais Utilizados em pesquisas científicas e na medicina

52 Raio laser possui potência altíssima; é monocromática (possui
Possui características muito especiais: possui potência altíssima; é monocromática (possui comprimento de onda muito bem definido); coerente (todas as ondas dos fótons que compõe o feixe estão em fase); colimada (propaga-se como um feixe de ondas praticamente paralelas).

53 Raios gama ( ) PERIGO!! Alto índice de penetração em materiais
Possuem frequências muito altas!! Superiores à dos raios X PERIGO!! Alto índice de penetração em materiais os raios X são obtidos fora do núcleo atômico, na desaceleração do elétron; os raios gama são emitidos com base no núcleo atômico.

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55 Penetração da radiação

56 Decaimento radioativo
O tempo para que um certo elemento sofra decaimento é chamado de meia vida.

57 Obtenção da energia nuclear
Fusão nuclear Ocorre, com altíssimas temperaturas, devido a união de átomos leves para a formação de outro mais pesado, com liberação de energia. No sol ocorre a fusão nuclear formando o átomo de Hélio, proveniente da união de átomos de hidrogênio, deutério ou trítio.

58 Fissão Nuclear Ocorre em virtude do rompimento de
um núcleo atômico pesado e instável para a formação de dois novos, com liberação de energia. A reação mais comum, utilizada nas Usinas Nucleares, ocorre quando um neutrôn atinge o núcleo do urânio,

59 Questões

60 1. (Ufsc 2011) Com base nos tópicos de Física Moderna, assinale a(s) proposição(ões) correta(s).
01) Corpo negro ideal é todo corpo capaz de absorver toda a radiação que nele incide. Quando um corpo negro é aquecido, ele é uma fonte ideal de radiação térmica. 02) O efeito fotoelétrico só ocorre se a frequência da luz incidente sobre o metal for superior a um valor mínimo fmin e a emissão de cargas elétricas deste material independe da intensidade da radiação incidente. 04) A Teoria da Relatividade Especial, proposta por Einstein, está baseada em dois postulados, sendo que um deles é enunciado da seguinte forma: “As leis da Física são as mesmas em todos os referenciais inerciais. Ou seja, não existe nenhum sistema de referência inercial preferencial”. 08) A apresentação do trabalho do físico Maxwell sobre a quantização da energia é considerada hoje como o marco oficial da fundação da Física Moderna. 16) A Teoria da Relatividade Restrita tem como consequência a contração espacial e a dilatação temporal. 32) O fenômeno da radiação do corpo negro é explicado pela Física Clássica e pela Moderna como sendo uma distribuição contínua de energia de um sistema. 64) O comportamento dualístico de uma onda-partícula é descrito e aceito pela Física Clássica, sendo mais aprofundado e explicado pela Física Quântica.

61 Resposta da questão 1 01) Correta.
02) Incorreta: quanto maior a intensidade luminosa, mais partículas são ejetadas. 04) Correta. 08) Incorreta: o trabalho sobre quantização da energia foi apresentado em 19 de outubro de por Max Karl Ernst Ludwig Planck. 16) Correta. 32) Incorreta: esse fenômeno é explicado apenas pela Física Moderna. 64) Incorreta: esse fenômeno é explicado apenas pela Física Quântica.

62 2. (Unicamp 2011) Em 1905 Albert Einstein propôs que a luz é formada por partículas denominadas fótons. Cada fóton de luz transporta uma quantidade de energia E = hf e possui momento linear p = h/λ , em que h é a constante de Planck e f e λ são, respectivamente, a frequência e o comprimento de onda da luz. A aurora boreal é um fenômeno natural que acontece no Polo Norte, no qual efeitos luminosos são produzidos por colisões entre partículas carregadas e os átomos dos gases da alta atmosfera terrestre. De modo geral, o efeito luminoso é dominado pelas colorações verde e vermelha, por causa das colisões das partículas carregadas com átomos de oxigênio e nitrogênio, respectivamente. Calcule a razão R = Everde / Evermelho em que Everde é a energia transportada por um fóton de luz verde com 500 nm, λverde = 500 nm, e Evermelho é a energia transportada por um fóton de luz vermelha com λvermelho = 650 nm.

63 Resposta da questão 2 E = hf
Dados: λverde = 500 nm e λvermelho = 650 nm Da equação de Planck: Da equação fundamental da ondulatória: E = hf ( I ) ( II ) Combinando (I) e (II): Fazendo a razão pedida:

64 III. Uma usina nuclear é também chamada de termonuclear.
3. (Uel 2011) Uma usina nuclear produz energia elétrica a partir da fissão dos átomos de urânio (normalmente urânio-238 e urânio-235) que formam os elementos combustíveis de um reator nuclear. Sobre a energia elétrica produzida numa usina nuclear, considere as afirmativas a seguir. I. Os átomos de urânio que sofrem fissão nuclear geram uma corrente elétrica que é armazenada num capacitor e posteriormente retransmitida aos centros urbanos. II. A energia liberada pela fissão dos átomos de urânio é transformada em energia térmica que aquece o líquido refrigerante do núcleo do reator e que, através de um ciclo térmico, coloca em funcionamento as turbinas geradoras de energia elétrica. III. Uma usina nuclear é também chamada de termonuclear. IV. O urânio-238 e o urânio-235 não são encontrados na natureza. Assinale a alternativa correta. a) Somente as afirmativas I e II são corretas. b) Somente as afirmativas I e IV são corretas. c) Somente as afirmativas II e III são corretas. d) Somente as afirmativas I, III e IV são corretas. e) Somente as afirmativas II, III e IV são corretas.

65 Resposta da questão 3 I. Incorreta.
A fissão é usada para produzir calor e aquecer a água no reator, como na afirmativa (II) II. Correta. III. Correta. IV. Incorreta. Recentemente foi descoberta no sul da Índia a mina Tumalapalli, a maior reserva natural de urânio(urânio-235) do mundo, estimada em 150 mil toneladas.