Física PPT - Século XX

8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX

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A Fsica do sculo XX

NicolauNicolau Gilberto Ferraro

Paulo A. ToledoToledo Soares


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Lorde Kelvin (1824-1907)

Fsico ingls

Conferncia na Royal Society em maro de 1900

A completude da Fsica:

A mecnica de NewtonO eletromagnetismo de Maxwell

A termodinmica de Boltzmann

No h nada mais a descobrirem Fsica

As duas pequenas nuvens no horizonte da Fsica


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As duas nuvenzinhas

O fracasso das experincias de Michelson e

Morley, ao medir a velocidade da luz

atravs do ter em direes perpendiculares.

A dificuldade em explicar a distribuio de

energia na radiao de um corpo aquecido.


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As tempestades das duas

nuvenzinhas

O nascimento da Fsica Moderna

A teoria da Relatividade

A Fsica Quntica


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A Fsica Quntica

O corpo negro

A teoria dos quanta

O efeito fotoeltrico

O tomo de Bohr

A natureza da luz

Dualidade onda-

partcula

Princpio da incerteza


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Radiaes trmicas

Um corpo em qualquer

temperatura emite

radiaes

eletromagnticas.

Por estarem

relacionadas com a

temperatura do corpo,costumam ser

chamadas de

radiaes trmicas.


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O corpo negro

Para o estudo das radiaes emitidas foi idealizado um

corpo, denominado corpo negro. Ele absorve toda radiao

incidente, isto , sua absorvidade igual a 1 (a = 1) e sua

refletividade nula (r = 0), da decorrendo seu nome. Todo bom

absorvedor bom emissor; por isso o corpo negro tambm

um emissor ideal. Sua emissividade igual a 1 (e = 1).

Um modelo prtico de corpo negro obtido com um

objeto oco provido de um pequeno orifcio: qualquer radiaoque penetra nesse orifcio no sai mais, sendo absorvida pelas

paredes internas do objeto oco. O orifcio constitui o corpo

negro. Se o objeto oco for aquecido por uma fonte de calor no

seu interior, h emisso de radiao pelo orifcio.


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Intensidade da radiao emitida

e Comprimento de onda

Dados experimentais permitem relacionar a intensidade I

da radiao emitida por um corpo negro em funo do

comprimento de onda , a uma dada temperatura, como mostra afigura:

Observe no grfico que, para dado comprimento de onda,

a intensidade da radiao adquire valor mximo.


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A Lei de Stefan-Boltzmann

Repetindo-se a experincia para

temperaturas diferentes, obtm-se

os resultados mostrados na figura.

Da, conclui-se que: aumentando-se a temperatura,

para dado comprimento de onda,

a intensidade da radiao aumenta.

A lei de Stefan-Boltzmann, aplicada

ao corpo negro fornece a intensidade

total I da radiao emitida:

I = T4

onde = 5,67 108 W / m2 K4 a constante de Stefan-


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Lei do deslocamento de Wien

Retomando o grfico anterior,

outra concluso que pode ser

tirada: aumentando-se a temperatura,

o pico da distribuio se desloca

para comprimentos de onda

menores.

De acordo com a lei do

deslocamento de Wien, temos:

I mx T = 2,898 103 m K


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A catstrofe do ultravioleta

Ao explicar, por meio da teoria clssica, os resultados obtidos

observou-se que, para comprimentos de onda elevados, havia

razovel concordncia com osresultados experimentais.

Entretanto, para comprimentos

de onda menores, a discordncia

entre a teoria e a experincia eragrande. Essa discordncia ficou

conhecida como a catstrofe

do ultravioleta.


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A teoria de Planck

Em dezembro de 1900, Max Planck (1858-1947)apresentou Sociedade Alem de Fsica um estudo

terico sobre a emisso de radiao de um corpo negro,no qual deduz uma equao plenamente em acordo comos resultados experimentais. Entretanto, para conseguiruma equao a qualquer custo, teve que considerar aexistncia, na superfcie do corpo negro, de cargas

eltricas oscilantes emitindo energia radiante no demodo contnuo, como sugere a teoria clssica, mas simem pores descontnuas, partculas que transportam,cada qual, uma quantidade E bem definida de energia.


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Os ftons e o quantum

As partculas de energia sugeridas por Planck

foram denominadas ftons. A energia E de cada

fton denominada quantum (no plural quanta ).

O quantum E de energia radiante de freqncia f

dado por:

E = h f

Nessa frmula, h a constante de proporcionalidadedenominada constante de Planck, dada por:

h = 6,63 1034 Js.


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Uma nova Fsica

A soluo de Planck para a

questo do corpo negro,

considerando que a energia quantizada, permitiu explicar

outros conceitos fsicos a nvel

microscpico.

Embora o desenvolvimento efetivo da nova teoria stenha ocorrido a partir de 1920, dezembro de 1900 considerado o marco divisrio entre a Fsica Clssicae a Fsica Quntica a teoria fsica dos fenmenos

microscpicos.


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Efeito fotoeltrico

Quando uma radiao

eletromagntica incide sobre

a superfcie de um metal,eltrons podem ser

arrancados dessa superfcie.

Esse fenmeno denominado

efeito fotoeltrico.Os eltrons arrancados so

chamados fotoeltrons.


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A explicao de Einstein

Einstein (1879-1955) explicou o efeito fotoeltricolevando em considerao a quantizao daenergia: um fton da radiao incidente, ao atingir o

metal, completamente absorvido por um nicoeltron, cedendo-lhe sua energia hf.

Com essa energia adicional o eltron

pode escapar do metal. Essa teoriade Einstein sugere, portanto, que a

luz ou outra forma de energia radiante

composta de partculas de energia,

os ftons.


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A funo trabalho

Funo trabalho o nome que se d energiamnima necessria para que um eltron escape dometal. Seu valor varia de metal para metal.

4,73 eVPrata

4,50 eVFerro

4,31 eVZinco

4,08 eVAlumnio

2,28 eVSdio

Funotrabalho

Metal


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Equao fotoeltrica de Einstein


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Freqncia mnima ou freqncia de

corte

Existe uma freqncia mnima (f0) chamada

freqncia de corte para a qual o eltron escapar

se a energia que ele receber do fton (hf0) for igual

energia mnima.

hfhf o0

==


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Grfico Ec(mx) em funo de f


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Comparando partcula e fton

Partcula

E = Ecin+Epot (E: energia mecnica)

Q = mv (Q: quantidade de movimento)

Fton

E = hf (E: quantum de energia)

Q = h/ (Q: quantidade de movimento)


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O modelo de Bohr aplicado ao

tomo de hidrognio

1 postulado

O eltron descreve rbitascirculares em torno do ncleo,

formado por um nico prton.

A fora eletrosttica a fora

centrpeta responsvel por

esse movimento.


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tomo de hidrognio

2 postulado

Apenas algumas rbitas estveis, denominadas

estados estacionrios,so permitidas ao eltron.Nelas o tomo no irradia energia.

3 postulado

A passagem de um eltron de um estado para outro possvel mediante absoro ou liberao deenergia:

E- E = hf


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tomo de hidrognio

4 postulado As rbitas permitidas ao eltron so aquelas em que

o momento angular orbital um mltiplo inteiro de

Assim:

( n=1,2,3,...)Raios das rbitas permitidas:

: raio de Bohr ( corresponde ao estado

fundamental).

2p

h

2

hnmvr =

B

2

n

rnr =

A53,0rB

=

2h


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Energia mecnica do eltron no

n-simo estado estacionrio


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Natureza Dual da Luz

Em determinados fenmenos, a luz se comporta

como se tivesse natureza ondulatria (interferncia,

difrao) e, em outros, natureza de partcula (efeitofotoeltrico).

As duas teorias da natureza da luz se completam.

Cada teoria por si s correta para explicar

determinado fenmeno.

No h fenmeno luminoso que nenhuma delas

possa explicar.


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Dualidade onda-partcula:

Hiptese de De Broglie

Hiptese de De Broglie (1892-1987)

Se a luz apresenta natureza dual, uma partculapode comportar-se de modo semelhante,apresentando tambm propriedades

ondulatrias. O comprimento de

onda de uma partcula em funo

da quantidade de movimento

dado por:

Q

h=


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Princpio da incerteza de

Heisenberg (1901-1976)

Quanto maior a preciso na determinao da posio do eltron,menor a preciso na determinao de sua quantidade demovimento e vice-versa.

Deus no joga dados com o Universo (Einstein)

Einstein, pare de dizer a Deus o que ele deve ou no fazer."(Niels Bohr)

"Deus no s joga dados, como os esconde..."(Stephen Hawking)

4hQ x


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Noes de Radioatividade

As reaes que alteram os ncleos atmicos so

chamadas reaes nucleares.

A radioatividade consiste na emisso de partculas

e radiaes eletromagnticas por ncleos instveis,

que se transformam em ncleos mais estveis. Estas

reaes so chamadas reaes de desintegrao

radioativa ou de transmutao ou ainda de

decaimento.

No decaimento natural de um ncleo atmico, podem

ser emitidas partculas , partculas e raios .


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