FÍSICA MODERNA /

RESUMO DE FÍSICA MODERNA - Prof. Alberto Ricardo Präss

A Física do final do século XIX

Pouco antes do princípio do século XX, o final do chamado período clássico caracterizado pelo ponto de vista newtoniano, a Física encontrava-se em uma posição única em relação às outras ciências e a outros diversos campos do saber.

A situação era única porque os físicos, em seu intento de estudar os fenômenos naturais, aparentemente haviam tido um êxito completo, já que praticamente tudo o que se observava podia ser explicado em termos de conceitos e leis conhecidas, como as leis de Newton do movimento, etc.; haviam sido tão cuidadosos nas suas conclusões que os físicos pareciam ter a situação completamente nas mãos.

De uma maneira muito menos milagrosa, as novas observações se haviam ajustado nos lugares aparentemente dispostos para elas nas teorias e hipóteses válidas por mais de um século.

Os físicos teóricos perceberam que a Física estava se aproximando a um estado de um tema clássico já morto e tão completamente conhecido em detalhe que tinha poucas coisas interessantes, se é que tinha, para as futuras gerações investigarem. Nessa época os mais ilustres físicos declaravam que todas as descobertas importantes da Física já haviam sido feitas e que grande parte da aventura havia desaparecido; tudo o que se esperava das gerações futuras era a tarefa incolor de aumentar a precisão das medidas das constantes físicas e de suas relações.

Este ponto de vista mostrou-se totalmente equivocado e presunçoso. O propósito deste curso é considerar as idéias e conceitos da Física Moderna .

1. A Teoria Quântica

Segundo o físico alemão Max PLANCK (1900):

“A energia radiante de frequência f, só pode ser emitida ou absorvida em quantidades discretas (quantum), múltiplos inteiros de hf, sendo h a constante universal de Planck (6,6 x 10^-34 J.s)”

Observações:

* Um fóton é um quantum (partícula) de energia eletromagnética.

* Os fótons não têm todos a mesma a energia. Os “quanta” de luz azul são de maior energia que os de luz vermelha, pois têm menor comprimento de onda e portanto, maior frequência.

* Duas fontes luminosas de mesma frequência (isto é, de mesma cor) emitem fótons de igual energia “hf” .

* Uma fonte “brilhante” (grande intensidade luminosa) emite MAIS fótons por segundo do que uma fonte “tênue” (pequena intensidade luminosa) da mesma cor, porém os fótons de ambas as fontes têm a mesma ENERGIA.

2. O Efeito Fotoelétrico

Experimentalmente se verifica que:

* Quando a luz incide sobre a superfície de um metal, elétrons podem ser emitidos por ela.

* Quando a luz de certa frequência (f) arranca elétrons do metal, eles não saem todos com a mesma energia. Suas energias distribuem-se entre um valor mínimo e um máximo.

* É necessária uma energia mínima, para arrancar um elétron de determinado metal, é chamada FUNÇÃO TRABALHO (W).

* Para explicar o efeito fotoelétrico o físico alemão Albert EINSTEIN (1905) afirmou que:

* A taxa de emissão de fotoelétrons é diretamente proporcional à intensidade da luz incidente.

* Para que um elétron escape da superfície de um metal, deve-se fazer um trabalho contra as forças que o fixam aí, ou seja, os fotoelétrons devem adquirir energia suficiente para serem ejetados.

* A energia absorvida em excesso aparece na forma de energia cinética:

* A energia cinética dos fotoelétrons é independente da intensidade da luz incidente.

3. O Efeito Compton

“Os fótons apresentam propriedades corpusculares (de partículas) quando se chocam com um elétron. Nessas circunstâncias, o fóton perde energia para o elétron, diminuindo sua frequência e aumentando o seu comprimento de onda.”

4. Dualidade onda-partícula

“A Luz apresenta propriedades ondulatórias (reflexão, refração, difração, interferência e efeito Dopler) e corpusculares (efeito fotoelétrico e efeito Compton)”.

Segundo o físico francês Louis DE BROGLIE as partículas subatômicas (elétrons, prótons, etc.) também possuem características ondulatórias. Esse fato foi comprovado por Clinton DAVISSON, Lester GERMER e G. P. THOMSON (filho de J. J. Thomson) .

FÍSICA ATÔMICA E NUCLEAR

1. MODELOS ATÔMICOS

O MODELO DE BOHR PARA O ÁTOMO DE HIDROGÊNIO

Para interpretar o espetro do átomo de hidrogênio, o físico dinamarquês Niels BOHR desenvolveu uma teoria baseada nos seguintes postulados.

1) O elétron pode permanecer em CERTAS órbitas sem irradiar, apesar da aceleração centrípeta.

2) As órbitas permitidas aos elétrons são tais que o momento angular e a energia do sistema atômico seja múltiplo de uma constante (a energia do elétron é “quantizada”).

3) Se um elétron passa de uma órbita de energia E2 para outra de menor energia E1 , é emitido um fóton de energia:

4) A teoria de Bohr foi generalizada e aplicada posteriormente a outros átomos mais complexos. Na Mecânica Ondulatória (De Broglie, Schrödinger e outros), abandonou-se o conceito de órbitas eletrônicas definidas ao redor do núcleo, falando-se hoje em dia de “níveis de energia do átomo”.

2. COMPOSIÇÃO DO NÚCLEO ATÔMICO

3. ÁTOMOS IMPORTANTES NA FÍSICA NUCLEAR

ISÓTOPOS DE HIDROGÊNIO: : prótio : deutério : trítio

(Obs.: o deutério é importante devido à água pesada , D20, que é usada como moderador em reatores nucleares.)

ISÓTOPOS DE URÂNIO:: 0,72% : 99,28%

HÉLIO:

PLUTÔNIO:

4. OS RAIOS X (RAIOS RÖNTGEN)

São ondas eletromagnéticas de alta frequência, ou seja, alta energia – 10 keV (dentários) à 1000 keV (aceleradores lineares) - , obtidas quando elétrons rápidos colidem sobre uma placa metálica (wolfrânio ou tungstênio).

5. DECAIMENTOS RADIOATIVOS

Muitos núcleos atômicos são instáveis e para atingir a estabilidade emitem radiação. As três principais formas de radiação nuclear são:

ALFA (a)

·são núcleos de Hélio, isto é, íons duplamente positivos

BETA (b)

·é formada por elétrons rápidos, de velocidades próximas à velocidade da luz.

·surgem na desintegração de nêutrons em prótons.

GAMA (g)

·é formada por ondas eletromagnéticas de altíssima frequência.

·é usada em tratamentos de radioterapia (cobalto-60 ou césio-137 são boas fontes desse tipo de radiação).

PODER DE PENETRAÇÃO

Quando um núcleo emite radiação ele sofre o que chamamos de decaimento:

DECAIMENTO ALFA

Exemplo:

T1/2 = 4,47 BILHÕES DE ANOS

DECAIMENTO BETA

Exemplo:

T1/2= 5570 ANOS

Observações

·Em muitos decaimentos alfa ou beta ocorre também a emissão de fótons gama.

·T1/2 (meia-vida) é o tempo necessário para que se reduza à metade, por desintegração, a massa de uma amostra de um núcleo radioativo.

Ex:

T1/2 do césio-137 é de aproximadamente 30 anos.

2001 è128 g de césio-137

2031 è 64 g de césio-137

2061 è 32 g de césio-137

2091 è 16 g de césio-137

6. REAÇÕES NUCLEARES

FISSÃO NUCLEAR

“Reação nuclear, espontânea ou provocada, em que um núcleo atômico, geralmente pesado se divide em duas partes de massas comparáveis, emitindo nêutrons e liberando grande quantidade de energia ( equação de EinsteinèE=mc², onde m é a massa e c é a velocidade da luz no vácuo – aproximadamente 300.000km/s).”

Observações:

· bomba A (Hiroshima e Nagazaki)

· usina de Angra dos Reis

· submarinos nucleares

· deixa “lixo atômico”

Exemplo:

Também são fissionáveis

Se os nêutrons filhos não forem controlados poderemos ter uma reação em cadeia perigosa (explosão).

FUSÃO NUCLEAR

“Reação nuclear em que núcleos leves reagem para formar outro mais pesado, com grande desprendimento de energia. Na reação, parte da massa dos núcleos reagentes se transforma em energia ( equação de EinsteinèE=mc²), é por isso a massa do núcleo resultante é menor do que a soma dos reagentes. “

Observações:

· é a fonte e de energia das estrelas e do Sol, obviamente.

· é o processo usado na bomba H.

· é a fonte de energia dos TOKAMAKS (reatores de fusão nuclear inventados no Japão e usados em pesquisas universitárias).

· não deixa “lixo atômico”.

Exemplo:

Informação adicional

*Espécie de Matéria*	*Processo*	*Por quanto tempo a energia liberada pode manter em operação uma lâmpada de 100 W?*
1kg de Água	Queda d’água de 50 m	5 s
1kg de Carvão	Combustão	8 h
1kg de U-235	Fissão completa	30000 anos
1kg de Deutério	Fusão completa	30000 anos
1kg de Matéria e Antimatéria	Aniquilamento completo	30.000.000 anos

Testes

1. (UFRGS) Comparadas com a luz visível, as microondas têm

(A) velocidade de propagação menor no vácuo.

(B) fótons de energia maior.

(D) comprimento de onda igual.

(E) comprimento de onda menor

2. (UFRGS) A tabela mostra as frequências (f) de três ondas eletromagnéticas que se propagam no vácuo. Comparando-se essas três ondas, verifica-se que

Ondas f ( Hz)

X 3x10¹⁷

Y 6x10¹⁴

Z 3x10¹⁴

(A) a energia de um fóton associado à onda X é maior do que a energia de um fóton associado à onda Y.

(B) o comprimento de onda da onda Y é igual ao dobro do da onda Z.

(D) a energia do fóton associado à onda X é igual à associada à onda Y.

(E) as três ondas possuem o mesmo comprimento de onda.

3. (UFRGS) No efeito fotoelétrico ocorre a variação da quantidade de elétrons emitidos por unidade de tempo e da sua energia quando há variação de certas grandezas características da luz incidente na fotocélula.

Associe as variações descritas na coluna da direita com as grandezas da luz incidente, mencionadas na coluna da esquerda.

1. Frequência ( ) variação da energia

dos elétrons emitidos

2. Velocidade

( ) variação do número

3. Intensidade de elétrons emitidos

por unidade de tem-

A relação numérica, de cima para baixo, da coluna da direita, que estabelece a sequência de associações corretas é:

(A) 1 - 2

(B) 1 - 3

(D) 2 - 3

(E) 3 - 1

4. (UFRGS) Considerando as naturezas ondulatórias e corpuscular da luz, verifica-se que a energia dos fótons associados à luz no vácuo é inversamente proporcional .... e que a quantidade de movimento linear dos fótons é diretamente proporcional .... dessa luz.

Qual a alternativa que preenche de forma correta às duas lacunas, respectivamente?

(A) à velocidade - ao comprimento de onda

(B) à frequência - à velocidade

(D) ao comprimento de onda - à frequência

(E) ao comprimento de onda - ao comprimento de onda

5. (UFRGS) “De acordo com a teoria formulada em 1900 pelo físico alemão Max Planck, a matéria emite ou absorve energia eletromagnética de maneira .... emitindo ou absorvendo ...., cuja energia é proporcional à .... da radiação eletromagnética envolvida nessa troca de energia.”

Assinale a alternativa que, pela ordem, preenche corretamente as lacunas:

(A) contínua - quanta - amplitude

(B) descontínua - prótons - frequência

(D) contínua - elétrons - intensidade

(E) contínua - nêutrons - amplitude

6. (PUCRS) O efeito Compton demonstra que:

(A) a radiação tem comportamento corpuscular.

(B) a luz se propaga com a velocidade de 3x10⁸ m/s.

(D) a luz se propaga em ondas transversais.

(E) existem os níveis de energia no átomo.

7. (UFRGS) Considere as duas colunas abaixo, colocando no espaço entre parênteses o número do enunciado da primeira coluna que mais relação tem com o da segunda coluna.

1. Existência do núcleo atômico

2. Determinação da carga do elétron

3. Caráter corpuscular da luz

4. Caráter ondulatório das partículas

( ) Hipótese de de Broglie

( ) Efeito fotoelétrico

( ) Experimento de Millikan

( ) Experimento de Rutherford

A relação numérica correta, de cima para baixo, na coluna da direita, que estabelece a associação proposta, é:

(A) 4 - 3 - 2 - 1

(B) 1 - 3 - 2 - 4

(D) 4 - 3 - 1 - 2

(E) 4 - 1 - 2 – 3

8. (UFRGS) Dentre as afirmações apresentadas, qual é correta?

(A) A energia de um elétron ligado ao átomo não pode assumir um valor qualquer.

(B) A carga do elétron depende da órbita em que ele se encontra.

(D) O núcleo de um átomo é composto de prótons, nêutrons e elétrons.

(E) Em todos os átomos o número de elétrons é igual à soma dos prótons e dos nêutrons.

9. (UFRGS) Considere a seguintes afirmações sobre a estrutura do átomo:

I - A energia de um elétron ligado a um átomo não pode assumir qualquer valor.

II - Para separar um elétron de um átomo é necessária uma energia bem maior do que para arrancar um próton do núcleo.

III - O volume do núcleo de um átomo é aproximadamente igual à metade do volume do átomo todo.

Quais estão corretas?

(A) Apenas I

(B) Apenas II

(D) Apenas II e III

(E) I, II e III

10. (UFRGS) Considerando as seguintes afirmações sobre a estrutura nuclear do átomo.

I - O núcleo de um átomo qualquer tem sempre carga elétrica positiva.

II - A massa do núcleo de um átomo é aproximadamente igual à metade da massa de todo o átomo.

III - Na desintegração de um núcleo radioativo, ele altera sua estrutura para alcançar uma configuração mais estável.

Quais estão corretas?

(A) Apenas I

(B) Apenas II

(D) Apenas II e III

(E) I, II e III

11. (PUCRS) Um átomo excitado emite energia, muitas vezes em forma de luz visível, porque:

(A) um de seus elétrons foi arrancado do átomo.

(B) um dos elétrons desloca-se para níveis de energia mais baixos, aproximando-se do núcleo.

(D) os elétrons permanecem estacionários em seus níveis de energia.

(E) os elétrons se transformam em luz, segundo Einstein.

12. (UFRGS) Partículas alfa, partículas beta e raios gama podem ser emitidos por átomos radioativos. As partículas alfa são íons de hélio carregados positivamente. As partículas beta são elétrons . Os raios gama são ondas eletromagnéticas de frequência muito alta. Na desintegração de 88Ra²²⁶ resultando na formação de um núcleo 86Rn²²² , pode-se inferir que houve a emissão

(A) apenas de raios gama.

(B) de uma partícula alfa.

(D) de duas partículas beta e duas partículas alfa.

(E) de raios gama e de duas partículas beta.

12.(UFRGS) Num reator, núcleos de U²³⁵ capturam nêutrons e então sofrem um processo de fragmentação em núcleos mais leves, liberando energia e emitindo nêutrons.

Este processo é conhecido como

(A) fusão.

(B) fissão.

(D) reação termonuclear.

(E) aniquilação.

13. (UFRGS) Em 1989 os noticiários destacaram por um certo período a realização de pesquisas sobre maneiras alternativas de obter a fusão nuclear. Tais alternativas, contudo, não se confirmaram. O que se sabe comprovadamente hoje é o que já se sabia até aquela época: a fusão nuclear é obtida a temperaturas tão altas quanto às existentes .... e, ao contrário da fissão nuclear utilizada nas centrais nucleares, .... dejetos nucleares.

Assinale a alternativa que preenche de forma correta as duas lacunas, respectivamente.

(A) na superfície da Terra - produz

(B) na superfície da Lua - produz

(D) no centro do Sol - não produz

(E) no centro do Sol - produz

14.(UNISINOS) Na iluminação pública, em geral, utilizam-se células fotoelétricas para acendimento automático das lâmpadas.

No efeito fotoelétrico, a energia cinética dos fotoelétrons depende da __________ da radiação incidente, enquanto o número de elétrons liberados por ação da radiação depende da __________ da mesma.

As lacunas são corretamente preenchidas, respectivamente, por

(A)intensidade; velocidade

(B)velocidade; intensidade

(C)frequência; velocidade

(D)intensidade; frequência

(E)frequência; intensidade

15.(UFRGS) Selecione a alternativa que completa corretamente as lacunas das frases seguintes:

I. A quantidade de movimento linear de um fóton de luz visível é ________ de um fótons de raios ultravioleta.

II. Para explicar o efeito fotoelétrico, supõe-se que a energia luminosa é ________.

(A)maior de que à - contínua

(B)igual à - contínua

(C)menor do que a - quantizada

(D)menor do que a - contínua

(E)maior do que a – quantizada

16.(UFRGS) Radiações alfa, beta, gama e raio X são facilmente observáveis em fenômenos naturais ou provocados artificialmente. Quanto à sua natureza física, sabe-se que

(A)a radiação alfa e o raio X são ondas eletromagnéticas.

(B)somente o raio X é partícula.

(C)somente a radiação alfa é partícula.

(D)as radiações alfa e beta são partículas; a radiação gama e o raio X são ondas eletromagnéticas.

(E)o raio X é partícula; alfa, beta e gama são ondas eletromagnéticas.

17.(UFRGS) O alcance de partículas a de 4 MeV no ar é 2,4 cm (massa específica do ar: 1,25x10^-3 g/cm³). Admitindo-se que o alcance seja inversamente proporcional a massa específica do meio, o alcance das partículas a de 4 MeV na água (massa específica: 1,00 g/cm³) é

(A) 1,92x10³ cm.

(B) 3 cm.

(D) 3x10^-1 cm.

(E) 3x10^-3 cm.

18.(PUCRS) A radioatividade é um dos fenômenos estudados na Física Moderna. Substância radioativa significa substância emissora de

(A)onda luminosa.

(B)radiação alfa, beta e gama.

(C)onda eletromagnética.

(D)raio X.

(E)radiação infravermelha.

19.(PUCRS) A equação , devida a Albert Einstein, estabelece a equivalência entre uma massa e a energia E nela contida. A constante c representa a velocidade da luz no vácuo e vale aproximadamente 3x10⁸ m/s.

A energia que se obtém na transformação completa de um grama de massa, em joules, equivale a

(A)

(B)

(C)

(D)

(E)

20.(UFRGS) Analise cada uma das seguintes afirmações e indique se são verdadeiras (V) ou (F).

( ) O poder de penetração dos raios gama em metais é menor do que o dos raios X.

( ) Um dos principais temores sobre danos pessoais decorrentes de acidentes em usinas nucleares reside no fato de que a fissão nuclear produz, além da energia liberada imediatamente, fragmentos radioativos que continuam irradiando por bastante tempo.

( ) Admite-se, presentemente, que a manutenção da camada de ozônio (O3) que se concentra na alta atmosfera é importante especialmente porque funciona como um filtro que serve para absorver raios ultravioleta provenientes do sol, evitando que cheguem em excesso na superfície terrestre.

Quais são, pela ordem, as indicações corretas?

(A)V - V - F

(B)V - F - V

(C)V - F - F

(D)F - V - V

(E)F - F –V

21.(UFRGS) Dentre as afirmações sobre reações nucleares apresentadas nas alternativas, qual está correta?

(A)Fusão nuclear e fissão nuclear são duas maneiras diferentes de denominar a mesma reação nuclear.

(B)A fusão nuclear é um fenômeno comum que ocorre no dia-a-dia, podendo ser observado ao derreter-se um pedaço de gelo.

(C)A fissão nuclear, utilizada nas centrais nucleares, produz fragmentos radioativos.

(D)No processo de fusão nuclear não há liberação de energia.

(E)Uma reação nuclear em cadeia (sequência de fissões nucleares) não pode ser iniciada nem controlada em um reator nuclear.

22.(UFRGS) O gráfico, mostra as curvas de decaimento radioativo de duas amostras X e Y de duas substância radioativas puras. P indica o percentual de átomos radioativos presentes nas amostras em função do tempo.

A partir dessa situação, é possível afirmar que:

(A)a meia vida de X é dobro da de Y.

(B)X e Y tem o mesmo número de átomos radioativos no instante 3t.

(C)em relação a X, a amostra Y possui o dobro de átomos radioativos transformados no instante 4t.

(D)transcorrido um tempo 2t, o número de átomos radioativo, da amostra X que ainda permanece inalterado é igual ao dobro do número da amostra Y.

(E)transcorrido um tempo 6t, o percentual do número original de átomos radioativos da amostra X que se desintegraram e maior do que o da Y.

23.(UNESP) De acordo com o modelo atômico atual, os prótons e nêutrons não são mais considerados partículas elementares. Eles seriam formados de três partículas ainda menores, os quarks. Admite-se a existência de 12 quarks na natureza, mas só dois tipos formam os prótons e nêutrons, o quark up (u), de carga elétrica e o quark down (d) , de carga elétrica . A partir dessas informações, assinale a alternativa que apresenta corretamente a composição do próton e do nêutron.

Próton Nêutron

(A) d, d, d u, u , u

(B) d, d, u u, u , d

(D) u, u, u d, d, d

(E) d, d, d d, d, d

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RESUMO DE FÍSICA MODERNA - Prof. Alberto Ricardo Präss

Prof. Alberto Ricardo Prass