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Fisica Moderna

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Published on November 5, 2008

Author: protj

Source: authorstream.com

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Slide 1: Conceitos de Física moderna "A coisa mais bela que podemos experimentar é o mistério. Essa é a fonte de toda a arte e ciências verdadeiras." [ Albert Einstein ] Slide 2: Programa da UFMT de Física moderna Slide 3: Newton (1642-1727) ,declarou que a luz branca era composta de uma mistura de várias cores, tal afirmação foi decorrente dos vários experimentos realizados com o prisma. Essas cores correspondiam a uma variedade de partículas, cada tipo correspondente a uma cor. Sobre a reflexão e a refração, Newton propôs um engenhoso sistema de ``ajustes de fácil reflexão e de fácil refração'' que eram provocados por ``forças'' que atuavam sobre os corpúsculos. Embora hoje saibamos que estava errado, estas explicações foram bem articuladas. Newton também não foi bem sucedido ao afirmar que a velocidade da luz aumenta quando esta passa de um meio menos denso para um meio mais denso. (Teoria corpuscular para luz.) Dualidade onda - partícula Slide 4: Christiaan Huygens ( 1629 - 1695) (Teoria ondulatória para luz) Também se dedicou ao estudo da luz e cores. Desenvolveu uma teoria baseada na concepção de que a luz seria um pulso não periódico propagando-se pelo éter. Através dela, explicou satisfatoriamente fenômenos como a propagação retilínea da luz, a refração e a reflexão. Discordava com vários aspectos da teoria sobre luz e cores de Isaac Newton, que era baseada implicitamente numa concepção corpuscular para a luz. Discutiu com ele durante muitos anos. Slide 5: Estava montado o grande palco onde ocorreu a mais célebre discussão a respeito da natureza da luz, de um lado Huygens e seu modelo ondulatório, de outro Isaac Newton e seu modelo corpuscular. O conceito de corpúsculo, ou partícula, é completamente diferente do conceito de onda; uma partícula transporta matéria, uma onda não, uma partícula pode se locomover no vácuo, uma onda necessita de um meio para se propagar (nesse período era o que se pensava), uma onda atravessa obstáculos menores que seu comprimento, uma partícula não, enfim, para a Física Clássica ou a luz era uma coisa ou outra, conseqüentemente, ou aceitava-se o modelo ondulatório ou aceitava-se o modelo corpuscular, um descartava o outro e foi o que aconteceu por um certo período. O modelo de Newton prevaleceu sobre o de Huygens porque, além de sua explicação para as cores da luz ser bem coerente, sua fama pesou muito na escolha do ``melhor'' modelo, tanto que pode ser percebido através dos seguintes versos, escritos em 1860: Você pensa que Newton disse uma mentira,espere para ver... x Slide 6: Derrubar um mito nunca foi fácil, por isso aceitar o modelo contrário ao de Newton foi um trabalho bastante árduo enfrentado por alguns cientistas tendo à frente Thomas Young (1773-1829). Motivado pelo estudo da visão, Young questionou várias afirmações da teoria corpuscular de Newton. Young considerou que se a luz fosse ondas, elas poderiam, assim como as ondas do mar, anularem-se umas às outras ou intensificarem-se e foi nesse sentido que trabalhou para explicar o fenômeno da interferência, estudado por ele através do experimento da dupla fenda em 1801. Thomas Young Slide 7: Ondas Eletromagnéticas Até o ano de 1820, os cientistas pensavam que os fenômenos elétricos e magnéticos eram totalmente independentes, isto é, que não havia qualquer relação entre eles. Nesse ano, o físico dinamarquês Hans Christian Oersted, professor da Universidade de Copenhague, realizou uma experiência que se tornou famosa por alterar completamente essas idéias. sabemos que a corrente elétrica é constituída por cargas elétricas em movimento, e criam, no espaço em torno delas, um campo magnético. Sua descoberta acidental, ocorrida no meio de uma aula, pode hoje ser vista como a iniciadora de um novo ramo de estudos: o Eletromagnetismo. Contexto histórico Christian Oersted Slide 8: A indução eletromagnética é o fenômeno que origina a produção de uma força eletromotriz(f.e.m. ou voltagem) num meio ou corpo exposto a um campo magnético variável, ou num meio móvel exposto a um campo magnético estático. É assim que, quando o dito corpo é um condutor, produz-se uma corrente induzida. Este fenômeno foi descoberto por Michael Faraday que o expressou indicando que a magnitude da voltagem induzida é proporcional à variação do fluxo magnético (lei de Faraday). Criou a idéia de campo de força, ou simplesmente campo, que destaca a importância fundamental das propriedades físicas e geométricas do próprio espaço. Os trabalhos de Faraday, posteriormente utilizados por Maxwell e Einstein, levaram ao desenvolvimento da fisica moderna e, a partir do estudo dos fenômenos eletromagnéticos, à criação de novos conceitos, principalmente no campo da Mecânica. Assim construiu-se uma nova imagem do Universo, da mesma forma que, trezentos anos antes, Galileu e Newton o fizeram, iniciando a física clássica Michael Faraday Slide 9: O físico escocês James Clark Maxwell, em 1864, formulou as hipóteses de que um campo magnético variável produz um campo elétrico, de que um campo elétrico variável produz um campo magnético e ainda de que este processo pode prosseguir indefinidamente pelo espaço, conseguiu provar teoricamente que essa perturbação eletromagnética devia se propagar no vácuo com velocidade igual à da luz. E a primeira verificação experimental foi feita por Heinrich Rudolf Hertz, em 1887. Hertz produziu ondas eletromagnéticas, na freqüência das ondas de rádio (ondas hertzianas), por meio de circuitos oscilantes e, depois, essas ondas foram detectadas por meio de outros circuitos sintonizados na mesma freqüência. Seu trabalho foi homenageado posteriormente: o nome “Hertz” significa unidade de freqüência como visto na unidade anterior. A partir daí, surgiu toda a infinidade tecnológica do mundo atual no campo do eletromagnetismo.Á medida que as ondas eletromagnéticas se tornavam conhecidas, novos fenômenos foram sendo descobertos e muito deles passaram a desafiar a própria teoria que possibilitara essas descobertas. Curiosamente, o mais conhecido, o efeito fotoelétrico, foi observado pelo próprio Hertz ao mesmo tempo da confirmação da existência das ondas eletromagnéticas. Slide 10: A geração de ondas eletromagnéticas Vamos analisar o que acontece numa antena de uma estação de rádio ou de televisão: Na extremidade da antena existe um fio ligado pelo seu centro a uma fonte alternada (que inverte o sentido a intervalos de tempo determinados).Em certo instante, teremos a corrente num sentido e, depois, em outro. Oscilando com movimento harmônico, os elétrons sofrem acelerações continuamente. São essas acelerações que causam a emissão de energia no espaço sob forma de onda eletromagnética. Slide 11: V =  . f No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas se propagam com a mesma velocidade, representada por C, de acordo com a ondulatória: V = C = Velocidade da onda eletromagnética. C = 3 x 108 m/s = 300.000 km/s l = Comprimento de onda. (intervalo de comprimento 1020m) f = Freqüência da onda. (intervalo de freqüência 1020Hz) Slide 12: Espectro eletromagnético A palavra espectro (do latim spectrum = fantasma ou aparição) foi usada por Isaac Newton, no século XVII, para descrever a faixa de cores que apareceu quando, numa experiência à luz do Sol, esta atravessou um prisma de vidro em sua trajetória. Atualmente chama-se espectro eletromagnético à faixa de freqüências e respectivos comprimentos de ondas que caracterizam os diversos tipos de ondas eletromagnéticas. As ondas eletromagnéticas (radiação eletromagnética) no vácuo têm a mesma velocidade, modificando a freqüência de acordo com espécie e, conseqüentemente, o comprimento de onda. Espectro de radiação eletromagnética Slide 13: O estudo das ondas eletromagnéticas é relevante não só pela beleza de conhecer os mecanismos que produzem o pôr-do-sol , mas pelos benefícios tecnológicos decorrentes desse estudo. O rádio, a televisão, o telefone, o computador, i-pod, o aparelho de microondas, o celular, os radares, os satélites, o uso dos raios x e da ressonância magnética nos diagnósticos de fraturas e doenças e a aplicação da energia nuclear (radioterapia) no tratamento do câncer, entre outras, fizeram emergir esse vasto campo da Física aplicada às telecomunicações e à medicina. Slide 14: Ao final do século XIX a física parecia ter atingido seu clímax. As leis de Newton para a mecânica e gravitação vinham sendo aperfeiçoadas desde o Século XVII, e descreviam com grande precisão o comportamento dos corpos celestes e terrestres. Por outro lado as propriedades elétricas e magnéticas haviam sido unificadas em uma teoria eletromagnética por James Maxwell. Esta teoria provou que a luz é uma forma de onda eletromagnética que se propaga pelo espaço, assim como o são o raio X ou o ultravioleta. Com as regras para o comportamento da matéria e das ondas definidas, restaria aos físicos apenas o trabalho de aplicá-las. Não haveria fenômenos que não pudessem ser explicados; haveria apenas o trabalho de desenvolver as técnicas existentes para sistemas complexos. Lorde Kelvin, respeitado por suas importantes contribuições a Física, chegou a sugerir que a Física havia atingido seu limite. No entanto, como ele mesmo observou, havia um porém. Dois fenômenos ainda estavam sem explicação: o experimento de Michelson e Morley, que procuravam determinar a velocidade da luz que incidia na Terra vinda de diferentes direções, e o estudo da distribuição de energia da luz emitida por sistemas conhecidos como corpos negros. E foram justamente as tentativas de explicar estes experimentos que levaram a elaboração das duas novas teorias, que alterariam radicalmente a Física como era conhecida até então: a Teoria da Relatividade e a Teoria Quântica. Slide 15: Um problema espinhoso! A física clássica não conseguia explicar de que maneira a radiação emitida por um corpo quente ocorria! Física Atômica Slide 16: A temperatura mede o estado de agitação molecular das partículas, nesta agitação ocorrem oscilações dos portadores de cargas elétricas e emissão de ondas eletromagnéticas, então um corpo irradia energia a qualquer temperatura, excluindo-se, naturalmente o zero absoluto (0 K). Um corpo emite ondas eletromagnéticas qualquer que seja a sua temperatura? Corpo – alta temperatura - emite luz visível. Corpo – baixa temperatura – emite radiação infravermelha. Slide 17: A radiação depende exclusivamente da temperatura e da natureza da fonte emissora. “Um bom absorvedor de energia é também um bom emissor. Um absorvedor ideal, em equilíbrio térmico como o meio ambiente a sua taxa de emissão de energia radiante é igual a sua taxa de absorção, e é chamado de Corpo Negro.” Corpo negro é qualquer corpo que absorve totalmente a energia emitida sobre ele. Um corpo negro ao ser incidido com certa energia emitirá energia na forma de energia eletromagnética (produzindo luz e calor). Slide 18: Espectro de emissão de um corpo negro. Catástrofe do ultravioleta A intensidade da radiação emitida está representada em função de seu comprimento de onda. As curvas, que correspondem a diferentes temperaturas, tem todas um comportamento semelhante atingem rapidamente um valor máximo e depois diminuem lentamente. A energia irradiada por um corpo não é uniforme quanto aos comprimentos de onda. A um comprimento na qual a energia irradiada é máxima. Rayleigh - Jeans e Boltzmann Slide 19: Medindo a energia irradiada por um corpo numa determinada temperatura, em função da freqüência, constatou-se que a maior parte da irradiação ocorre ao redor de uma determinada freqüência, que é chamada de freqüência principal de irradiação. “A freqüência principal depende da temperatura do corpo. Maior temperatura – maior freqüência de irradiação Slide 20: Observação: “As ondas eletromagnéticas deveriam se distribuir igualmente entre as várias freqüências e não se concentrar numa determinada freqüência. Em 1900 Max-Planck (1858-1947) lançou uma hipótese, segundo ele, as moléculas não poderiam ganhar ou perder energia em qualquer quantidade; mas em quantidade múltiplas de um “pacote”, que foi chamado de “Quantum” de energia, portanto a energia das moléculas era quantizada.” Slide 21: Segundo Planck a radiação emitida por um corpo não ocorre de forma contínua , mas sim na forma de pequenos “pacotes” , de modo que a energia de cada “pacote” é proporcional à freqüência da radiação. A energia de uma onda eletromagnética de freqüência (f), não pode ter qualquer valor, apenas valores múltiplos inteiros de uma energia mínima, tal energia mínima é: logo , E =h.f Onde h é a constante de Planck Quantum Quanta Quantum = fóton Slide 22: Observação : “A energia quantizada de uma onda é diretamente proporcional a sua freqüência.” Alta freqüência – alta energia Baixa freqüência – baixa energia E = h . f Slide 23: Segundo essa idéia, a luz emitida pelo sol ou uma lâmpada, não consiste num fluxo continuo de ondas eletromagnéticas, mas sim numa emissão de um enorme números pacotinhos de energia, os Quanta de luz. “A energia de um Quantum de uma onda de rádio é um bilhão de vezes menor que a energia de um Quantum de luz violeta”. E a Luz é Quantizada ? A luz como toda a radiação eletromagnética, é um conjunto de pacotes de energia (chamados fótons), semelhante a uma chuva de granizo. “A energia de um fóton é diretamente proporcional a sua freqüência. Portanto um fóton de luz violeta é mais energético que um fóton de luz vermelha”. Slide 24: Por volta de 1890, Heinrich Hertz descobriu que a faísca elétrica entre dois condutores surgia mais facilmente quando um deles era exposto à radiação ultravioleta ou à luz da faixa próxima ao violeta. A análise posterior desse fenômeno mostrou que a energia das ondas eletromagnéticas era absorvida pelos elétrons do metal e que essa energia fazia com que alguns elétrons fossem expelidos dele. Os elétrons expelidos apressavam a ionização do ar, o que facilitava o surgimento da faísca. Esse efeito ficou conhecido como efeito fotoelétrico, pois era a incidência de luz que fazia os elétrons saírem do metal. Einstein percebeu que esse efeito poderia ser melhor explicado se a hipótese de Planck, dos quanta de luz, feita para as moléculas, fosse estendida também à própria onda eletromagnética. Contexto histórico Efeito fotoelétrico Heinrich Hertz Slide 26: Quando ondas eletromagnéticas atingem um corpo, às vezes observamos que elétrons são "arrancados" desse corpo. Isso pode acontecer com vários materiais, mas é um efeito mais facilmente observável em metais. A emissão de elétrons pela absorção de radiação é chamada de efeito fotoelétrico. Efeito Fotoelétrico Slide 27: A idéia de Planck foi retomada e ampliada por Einstein em 1905. “A energia chega aos elétrons do metal em “pacotes” (Quantum – Fóton) e não continuamente, cada fóton carrega uma quantidade bem definida de energia”. E = h.f “No efeito fotoelétrico, os fótons interagem com a matéria como se fossem partículas, mas a sua propagação no espaço tem comportamento ondulatório.” Cada elétron ligado a um metal interage com o núcleo por uma força atrativa. Slide 28: Cada elétron ligado a um metal interage com o núcleo por uma força atrativa. Assim o elétron precisa receber uma quantidade mínima de energia para ser extraído. Se a energia de cada fóton não superar essa quantidade mínima o elétron não é arrancado (extraído) e o efeito fotoelétrico não ocorre, por isso o mesmo só depende da freqüência da radiação incidente. Energia mínima – função do trabalho (W) (depende do material utilizado) Se a energia do fóton superar a energia mínima necessária, o saldo ficará na forma de energia cinética do elétron extraído. Ec = h.f - W Slide 30: EFEITO COMPTON OU ESPALHAMENTO COMPTON A figura abaixo, nos mostra quando um fóton atinge um elétron em repouso. O fóton incidente tem um comprimento de onda i e atinge o elétron em repouso. Ao atingir o elétron, transfere sua energia para ele, sendo que o elétron sofre um deslocamento segundo um ângulo  e o comprimento de onda associado ao fóton, sofre um deslocamento num ângulo  passando para f. Ao se realizar a experiência acima, se verificou que o comprimento de onda do fóton incidente i era menor que o f Compton apontou que se esta interação fosse descrita como um processo de espalhamento, que envolvesse a colisão entre um fóton e um elétron, o elétron recuaria e absorveria parte da energia. O fóton espalhado teria então menos energia e, e portanto, freqüência mais baixa que a do fóton incidente.”

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