Física Moderna

Prof. Fabricio Scheffer

Radiação do corpo negro

Corpo negro Corpo que absorve toda energia que incide nele e quando está

em equilíbrio térmico com o ambiente tem uma taxa de emissão igual a de

absorção. Caracteriza-se por emitir energia por decorrência da temperatura

ex.: Sol e filamento de uma lâmpada

Problema do corpo negro os dados experimentais não condiziam com

as previsões teóricas (teoria ondulatória clássica). Nessa época a teoria

vigente dizia que a radiação emitida pelo corpo negro era de maneira

contínua, pois considerava o infravermelho e outras radiações como

ondas eletromagnéticas.

Hipótese de Max Planck

Para descrever o espectro das radiações eletromagnéticas emitidas por um

corpo quente (corpo negro), Max Planck introduziu a hipótese de que a

energia de uma onda eletromagnética de freqüência f pode apenas ter

valores múltiplos de uma energia mínima igual:

fhE .

Segundo essa hipótese, a luz consiste

na emissão de um enorme número de

pacotinhos de energia, chamados

quanta de luz.

Efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico consiste na retirada de elétrons da superfície de um

metal atingido por radiações eletromagnéticas.

Einstein conseguiu explicar o efeito fotoelétrico imaginando a luz, não mais

como ondas eletromagnéticas e sim como partículas (fótons) que possuíam

uma energia (E=h.f) que a partir de uma determinada energia mínima

conseguia arrancar elétrons.

Ec = h.f – W Ec : energia cinética dos fotoelétrons

W: trabalho necessário para arrancar o elétron do metal

h.f: energia dos fótons incidentes

IMPORTANTE:

•A energia dos fotoelétrons depende

da freqüência do fóton incidente (tipo

de radiação que incide)

•O número de elétrons arrancados por

unidade de tempo depende da

intensidade (brilho) da lâmpada.

Aplicação:

Células fotoelétricas usadas na conversão de energia luminosa em elétrica

Modelo de Rutherford

Núcleo:

•muito pequeno em relação ao átomo.

•contém quase a totalidade da massa

do átomo.

•com carga positiva de valor múltiplo da

do elétron.

Eletrosfera: ao redor do núcleo em

região de baixíssima densidade

constituída pelos elétrons.

Átomo de Bohr

Para explicar a estabilidade dos átomos, Bohr supôs que os elétrons

possam percorrer somente algumas órbitas, que correspondem a energias

bem determinadas do átomo.

Ao absorver energia, um elétron pode passar de uma órbita mais interna

para uma mais externa. Ao fazer a passagem inversa, o elétron libera, sob

a forma de radiações eletromagnéticas, a energia E correspondente à

diferença entre os níveis das duas órbitas:

ie EEE

Níveis de energia para o átomo de hidrogênio

Átomo de Bohr e Efeito fotoelétrico

Características Corpusculares da Luz

A radiação eletromagnética manifesta tanto propriedades ondulatórias (na

interferência e na difração) como propriedades corpusculares (nos

processos de absorção e de emissão).

h

pMomentum linear associado ao fóton:

Ondas Associadas a Elétrons e Partículas

Os elétrons e outras partículas exibem propriedades ondulatórias de

interferência e difração. A freqüência e o comprimento de onda são

relacionados com a energia e com a quantidade de movimento pelas

relações de De Broglie:

p

h

Difração de Elétrons

Demonstra o caráter ondulatório dos elétrons

Teoria da Relatividade Restrita ou Especial (1905)

Constância da Velocidade da Luz

A experiência mostrava que a velocidade da luz no vácuo tem sempre

o mesmo valor c ( 3x108m/s) , mesmo quando a fonte luminosa e o

observador que mede a velocidade da luz se movam um em relação ao outro.

A velocidade da luz c é invariável e constitui a velocidade limite,

uma vez que a velocidade de um corpo, não pode alcançá-la nem superá-

la.

Relatividade do Tempo – Dilatação temporal

Um relógio que se move, com uma velocidade próximo de c , em relação a

um observador avança mais lentamente que um relógio fixo em relação a

esse observador.

A aceitação de que a velocidade da luz no vácuo é constante para todos os

referenciais levou Einstein a rediscutir idéias básicas da mecânica

newtoniana.

Relatividade do Comprimento – Contração no comprimento

O fato de os intervalos de tempo terem valores diferentes em função do

referencial adotado para medi-los acaba afetando o comportamento de

outras grandezas fundamentais da física, como o comprimento.

Se considerarmos um trem

atravessando um túnel,

movendo-se com uma

velocidade próxima à da luz,

pode-se demonstrar aplicando-

se os postulados de Einstein

que o comprimento do túnel

medido no referencial do trem

é menor do que seu

comprimento medido num

referencial no solo.

Núcleo Atômico

Para nos referirmos indistintamente a um nêutron ou a um próton,

usaremos o termo núcleon.

Quarks

Toda matéria é composta de:

Léptons

Elétrons Partes

Integrantes

dos

Prótons nêutrons

2 up e 1 down 1 up e 2 down

Radioatividade Natural

Conceito:

Radioatividade é um processo pelo qual os

núcleos de alguns elementos instáveis emitem, num certo

instante, um corpúsculo, transformando-se num núcleo

mais estável.

Radiações Emitidas

a b g

carga +2 e -e Nula

massa 4 u.m.a pequena Nula

Poder de penetração

pequeno médio grande

a- Lei de Soddy (emissão de partículas a)

ThU 234

90

4

2

238

92 a

Leis das Emissões Radiativas

b- Lei de Soddy e Fajans (emissão de partículas b)

PoBi 210

84

0

1

210

83 b

Conservação do

número de massa

e do número

atômico

Cada núcleo radioativo é caracterizado pela sua meia-vida (T1/2 ), que é o

tempo necessário para que uma dada massa se reduza à metade por efeito

dos decaimentos.

Meia-vida

Fissão Nuclear

É a quebra de núcleos

pesados em núcleos mais

leves

Vantagens: Reação controlada

Desvantagens: Lixo atômico

Aplicações:

Usinas nucleares Bomba atômica

Fusão Nuclear É a união de núcleos leves em

núcleos mais pesados

Vantagens: Energia limpa

Desvantagens: Não é controlada AINDA!

Aplicações e ocorrências:

Sol e estrelas Geradores de fusão

(ainda a serem

melhorados)

Equivalência Massa-Energia

Energia de repouso

2

0c.mE

m = 1 g = 10-3 kg C = 3 . 108 m/s

E = 10-3 . (3. 108 )2 = 9 . 1013 J

Exemplo: