A Revolução da Física Moderna André Luiz Malvezzi Departamento de Física Faculdade de Ciências UNESP - Bauru Outubro - 2009

2005: Ano Internacional da Física Aniversário de 100 anos do ano miraculoso de Einstein O Ano Mundial da Física foi instituído para chamar a atenção do público em geral para a importância e o impacto da física no mundo contemporâneo. Proposto inicialmente por sociedades científicas de vários países, em seguida, a IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics) adotou, por unanimidade, uma resolução apoiando a iniciativa. Finalmente, a ONU, também através de resolução, declarou 2005 o Ano Internacional da Física delegando a UNESCO a realização das atividades comemorativas. No Brasil, as atividades estão sendo organizadas pela Sociedade Brasileira de Física com o apoio do Ministério da Ciência e Tecnologia e suas agências Financiadoras. 2. A escolha de 2005 coincide com o centenário da publicação dos primeiros trabalhos de Albert Einstein que revolucionaram a física. As cinco contribuições extraordinárias, que apareceram na prestigiosa revista alemã Annalen der Physik, foram a teoria da relatividade especial, a introdução do conceito de quantum de luz, a explicação do movimento browniano, a equivalência entre massa e energia e um novo método de determinação de dimensões moleculares (sua tese de doutorado). O ano de 2005 assinala ainda o cinquentenário de sua morte e o octogésimo ano de sua passagem pelo Brasil. * Ler Editorial da edição especial da RBEF Publicou cinco artigos extraordinários, que apareceram na prestigiosa revista alemã Annalen der Physik

Física Clássica As leis da Mecânica de Isaac Newton (1642-1727) As leis da Eletrodinâmica de James Clerk Maxwell (1831-1879) Ler artigo Stachel edição especial da RBEF Enunciar as leis ?? “Atualmente pairam apenas duas pequeninas nuvens cinzentas sobre o céu cristalino da Física” Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Societe - Abril 1900 – pag. 611 Física – Ciência e Tecnologia. – Mencionar quais foram eram as “nuvenzinhas” ? As leis da Termodinâmica e a Teoria Cinética dos Gases

As duas categorias de fenômenos em Física Clássica Pequenos objetos com massa definida. Obedecem as Leis de Newton. Partículas: Se estendem através do espaço. Transportam energia mas não massa. Interferem entre si. Ondas:

“Atualmente pairam apenas duas pequeninas nuvens cinzentas sobre o céu cristalino da Física” Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society - Abril 1900 “Atualmente pairam apenas duas pequeninas nuvens cinzentas sobre o céu cristalino da Física” Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society - Abril 1900

A radiação térmica Teoria clássica do eletromagnetismo É a radiação eletromagnética emitida por um objeto devido à sua temperatura. Temperatura T e freqüência f maiores Teoria clássica do eletromagnetismo Todo corpo incandescente deveria ser branco

Produzida pelos elétrons oscilantes na superfície do material A radiação térmica Produzida pelos elétrons oscilantes na superfície do material Representação esquemática da produção de ondas eletromagnéticas pelo elétron oscilante.

E = h.f O nascimento da teoria Quântica: os quanta de Planck(1900) A energia dos elétrons que produzem a radiação térmica é constituída de pacotes discretos, chamados quanta (plural de quantum). A energia E de um quantum é proporcional à freqüência f da radiação térmica emitida. E = h.f Dar exemplo de um pêndulo que perde energia discretamente. Comentar o espírito de Planck ao introduzir a quantização. Ver pag. 42 do Eisberg h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck

Exemplo: quantização do pêndulo simples L = 0,1 m m = 0,01 kg amplitude = 20o com a vertical Energia total = mgh = 6 x 10-4 J quantum = E = h.f = 6,63 x 10-34. 1,6 = 10-33 J ΔE/E = 2 x 10-30 !!!!

A luz ejeta elétrons de diversas superfícies metálicas. O efeito fotoelétrico A luz ejeta elétrons de diversas superfícies metálicas. Conhecido desde o século 19 Aplicações: célula fotoelétrica, fotômetros fotográficos, reprodução de trilha sonora de filmes. Discutir figura do experimento. Quadro com as características do efeito fotoelétrico.

Exemplo de aplicação do efeito fotoelétrico

Características do efeito fotoelétrico O tempo de atraso entre o momento em que a luz é ligada e a ejeção dos primeiros elétrons não é afetado pela intensidade ou pela freqüência da luz. O que é observado experimentalmente? O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa luz vermelha. Conhecido desde o século 19 Aplicações: célula fotoelétrica, fotômetros fotográficos, reprodução de trilha sonora de filmes. Discutir figura do experimento. Quadro com as características do efeito fotoelétrico. Ir argumentando que está em contradição a teoria clássica. A quantidade de elétrons ejetados por segundo é proporcional à intensidade da luz. A energia máxima dos elétrons ejetados não é afetada pela intensidade da luz, mas depende da freqüência.

A teoria quântica da luz: Einstein e o fóton (1905) A energia radiante está quantizada em pacotes concentrados, os fótons. A energia E de cada fóton é dada pela fórmula de Planck: E = h.f emissão ou absorção propagação Comentar o limite clássico como sendo o de muitos fótons. Usar exemplo da foto. fóton partícula dualidade onda

A dualidade onda-partícula da luz

Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica menos energia Clássica luz menos intensa O tempo de atraso entre o momento em que a luz é ligada e a ejeção dos primeiros elétrons não é afetado pela intensidade ou pela freqüência da luz. demora mais para ejetar o elétron Quântica energia chega em pacotes

Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica energia da luz não depende da freqüência (cor) Clássica O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa luz vermelha. Quântica energia da luz é proporcional à freqüência (E=h.f) freqüência maior mais fácil ejetar os elétrons

Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica mais energia luz mais intensa Clássica A quantidade de elétrons ejetados por segundo é proporcional à intensidade da luz. mais elétrons Quântica luz mais intensa mais fótons mais elétrons

Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica energia é proporcional à intensidade: Clássica maior intensidade elétrons mais energéticos A energia máxima dos elétrons ejetados não é afetada pela intensidade da luz, mas depende da freqüência. energia da luz não depende da freqüência (cor) Quântica energia é proporcional à freqüência (E=h.f) freqüência maior elétrons mais energéticos

Louis de Broglie e a dualidade onda-partícula (1924) Toda partícula material tem associada a ela uma onda de matéria que governa seu movimento. Partícula de massa m e velocidade v Lambda = 4 vezes um milionésimo do tamanho de um átomo de H. Comprimento de onda da onda de matéria associada à partícula.

Exemplos: bala x elétron bala com massa m = 0,02 kg e velociadade v = 330 m/s λ = 10-34 m Elétron a 2% da velocidade da luz λ = 10-10 m Microscopia eletrônica

O princípio da complementaridade de Bohr No nível quântico, ambos os aspectos, o corpuscular e o ondulatório, são necessários para uma descrição completa do sistema estudado.

O princípio da incerteza de Heisenberg (1927) O ato de medir algo afeta a própria quantidade que está sendo medida. É impossível medir simultaneamente e com precisão arbitrária a posição e a velocidade de uma partícula. Natureza probabilística

E = h.f Mecânica Quântica Dualidade onda-partícula Quantum de energia E = h.f h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck Princípio da complementaridade Dualidade onda-partícula Natureza probabilística Princípio da Incerteza

Einstein e a Teoria Especial da Relatividade (1905) ? Eletromagnetismo de Maxwell Mecânica de Newton Leis físicas dependem do movimento do observador Leis físicas não dependem do movimento do observador O éter é o referencial absoluto Não existe um referencial absoluto

Os Postulados Teoria Especial da Relatividade Todas as leis da natureza são as mesmas em todos os sistemas de referência que se movam com velocidade uniforme. A velocidade de propagação da luz no espaço livre tem o mesmo valor para todos os observadores, não importando o movimento da fonte ou do observador; ou seja, a rapidez de propagação da luz é uma constante. Como pareceria um feixe luminoso se você estivesse se deslocando lado a lado com ele? c ~ 300.000.000 m/s = 300.000 km/s

Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade Dois eventos que são simultâneos em um sistema de referência não necessariamente devem ser simultâneos em um sistema que se move em relação ao primeiro. Simultaneidade

Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade Dilatação Temporal

Cálculo da dilatação temporal fator de Lorentz tempo relativo t = γ t0 tempo próprio

A viagem do gêmeo v = 0 t = t0 v = 0,5.c t = 1,15.t0 v = 0,87.c Quão viáveis são as viagens espaciais longas? Quão viáveis são as viagens espaciais longas? v = 0,995.c t = 10.t0

Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade Adição de Velocidades v1 = 0,5.c v2 = 0,5.c

Contração do Comprimento Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade Contração do Comprimento

Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade Conservação do momento linear E = m0 .c2 massa relativística energia de repouso massa de repouso 28.500 lâmpadas de 100 W acessas por um ano!! m0 = 1 grama E = 9 x 1013 J

Acender palito de fósforo massa energia Energia nuclear Acender palito de fósforo Xícara de café quente Relógio de corda

Teoria Especial da Relatividade Não há referenciais absolutos Postulados A velocidade da luz é constante c ~ 300.000 km/s Conseqüências: Contração do Comprimento Simultaneidade Dilatação Temporal E = m0 .c2 massa energia

A Revolução da Física Moderna Eletromagnetismo “A eletrodinâmica dos corpos em movimento” Mecânica Quântica Radiação térmica Relatividade Mecânica Termodinâmica Mecânica Estatística Movimento browniano