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Tópicos de Física Moderna

Aula de Física Moderna para o Ensino Médio
by

Regis Guimarães

on 7 November 2016

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Transcript of Tópicos de Física Moderna

O Problema da Radiação do Corpo Negro
Radiação do Corpo Negro
O Efeito Fotoelétrico
Luz - Dualidade Partícula-Onda
Princípio da Incerteza de Heisenberg
Tópicos de Física Moderna

Mestrado em Educação em Ciências e Matemática
Universidade Federal de Goiás - UFG
As ideias que mudaram o mundo.
Propriedades das Ondas
De Broulie e a dualidade do Elétron
E = h . f
Prof. Ms. Regis Guimarães
O início do século XX foi marcado por duas grandes revoluções na Física: a Teoria da Relatividade e a mecânica Quântica.
As propostas da Física Moderna provocaram alterações no entendimento científico da época, resultando em drásticas alterações no entendimento das noções do espaço, tempo, medida, causalidade, simultaneidade , trajetória e localidade.
Foto oficial da quinta conferência de Química e Física de Solvay - Bruxelas, 1927
Definição de corpo negro
Corpo negro é aquele que absorve toda a radiação eletromagnética que nele incide: nenhuma luz o atravessa nem é refletida.
O fato de existir uma correlação entre temperatura e emissão de radiação não é em si surpreendente.

De acordo com a visão corpuscular da matéria, temperatura é uma medida da agitação randômica das partículas.

Como as partículas que constituem a matéria possuem cargas e cargas em movimento acelerado emitem radiação, o fenômeno de radiação térmica é qualitativamente entendível na luz da teoria clássica.

Porém, como veremos, esta teoria revela-se incapaz de fornecer uma descrição quantitativa aceitável.
À medida que a frequência cresce, ele diverge cada vez mais dos dados experimentais, tornando-se físicamente inaceitável pois ele implicaria que a potência total emitida pelo corpo negro seria infinita. Esta situação é frequentemente qualificada de
catástrofe do ultravioleta
, em referência à parte de alta frequência do espectro, na qual o problema se manifesta.
Este resultado fornece uma descrição aceitável apenas para pequenos valores da frequência.
Para resolver o problema enfrentado pela teoria clássica, era necessário modificar no mínimo um dos dois ingredientes no cálculo da radiância espectral.

Por ser uma simples contagem, o cálculo do número n(n) de ondas por unidade de volume e de intervalo de frequência dificilmente poderia ser modificado. Tornava-se inescapável uma modificação no cálculo da energia média E(n) de uma onda de dada frequência.

Para levar a uma radiância de acordo com os fatos experimentais, esta energia média deve ser uma função da frequência. Assim, se a energia for uma variável contínua, não há como escapar do resultado clássico. Planck percebeu que o mesmo cálculo poderia levar ao comportamento desejado se a energia fosse quantizada em múltiplos inteiros de um quantum que seja uma função adequada da frequência
Teoria de Planck - Quantização da Energia
Em 1887, Heinrich Hertz, após uma série de experimentos, confirmou o seu palpite de que a luz poderia gerar faíscas. Também chegou à conclusão que o fenômeno deveria ser devido apenas à luz ultravioleta.

Em 1888, estimulado pelo trabalho de Hertz, Wilhelm Hallwachs mostrou que corpos metálicos irradiados com luz ultravioleta adquiriam carga positiva. Para explicar o fenômeno, Lenard e Wolf publicaram um artigo na Annalen der Physik, sugerindo que a luz ultravioleta faria com que partículas do metal deixassem a superfície do mesmo.

Dois anos após a descoberta de Hertz, Thomson postulou que o efeito fotoelétrico consistia na emissão de elétrons. Para prová-lo, demonstrou experimentalmente que o valor de carga e massa das partículas emitidas no efeito fotoelétrico era o mesmo que para os elétrons associados aos raios catódicos. O valor de e encontrado por ele foi de aproximadamente 1,60x10-19 C).

O feixe de luz arranca elétrons da placa metálica. Estes elétrons formam uma corrente, que pode ser detectada por um amperímetro. Em 1905 Einstein usou este fato para escrever uma equação e ganhar o Prêmio Nobel.
Modelo Atômico de Bohr
Equivalência entre massa e energia
hf = W + Ec
hf - Energia incidente
W - Função trabalho
Ec - Energia cinética do elétron
Nos fins do século XIX, pensava-se que todas as formas de movimento ondulatório necessitavam de um meio, através do qual se propagariam as ondas.

Quando Maxwell mostrou, em 1864, que a luz era um fenômeno eletromagnético ondulatório, pensou-se num meio, o "éter", que suportaria a propagação dessas ondas.

Em 1881, numa experiência célebre, realizada por Michelson e, mais tarde, em 1887, por Edward Morley, tentou medir-se a velocidade do movimento relativo da Terra em relaçao ao éter - o referido meio imaterial hipotético, através do qual se propagariam as ondas eletromagnéticas (luz). Baseia-se no princípio usual da adição de velocidades.

No entanto a constatação da experiência foi outra:
Não existe o éter e a luz é o limite físico do universo.
A Experiência de Michelson e Morley ( 1881 - 1887)
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