A Física no final do século XIX
No final do chamado período clássico — marcado pela visão newtoniana — a Física encontrava-se em uma posição singular entre as ciências. Os físicos acreditavam ter alcançado uma compreensão quase completa dos fenômenos naturais, já que praticamente tudo parecia explicável por leis conhecidas, como as Leis de Newton.
As novas observações encaixavam-se, de modo aparentemente natural, nas teorias vigentes havia mais de um século. Muitos físicos teóricos chegaram a afirmar que as grandes descobertas já haviam sido feitas, restando às gerações futuras apenas a tarefa de refinar medições e constantes físicas.
Esse ponto de vista mostrou-se totalmente equivocado. O propósito deste curso é apresentar as ideias fundamentais que deram origem à 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 (quanta), múltiplos inteiros de hf, sendo h a constante universal de Planck (6,6 × 10-34 J·s).”
Observações:
* Um fóton é um quantum (partícula) de energia eletromagnética.
* Fótons não possuem todos a mesma energia. A luz azul tem fótons mais energéticos que a luz vermelha, pois possui maior frequência (e menor comprimento de onda).
* Duas fontes luminosas de mesma frequência emitem fótons de igual energia (hf).
* Uma fonte “brilhante” emite mais fótons por segundo do que uma fonte “tênue” da mesma cor, mas os fótons de ambas possuem a mesma energia individual.
2. O Efeito Fotoelétrico
Experimentalmente verifica-se que:
* Quando a luz incide sobre a superfície de um metal, elétrons podem ser emitidos.
* A luz de frequência f arranca elétrons com energias distribuídas entre um valor mínimo e um máximo.
* A energia mínima necessária para remover um elétron é chamada função trabalho (W).
Para explicar o efeito fotoelétrico, Albert Einstein (1905) afirmou que:
* A taxa de emissão de fotoelétrons é proporcional à intensidade da luz incidente.
* Para que um elétron escape, deve adquirir energia suficiente para vencer as forças que o mantêm preso ao metal.
* A energia cinética máxima dos fotoelétrons é dada por:
* A energia cinética dos fotoelétrons independe da intensidade da luz.
3. O Efeito Compton
“Fótons apresentam comportamento corpuscular ao colidirem com elétrons, perdendo parte de sua energia, diminuindo sua frequência e aumentando seu comprimento de onda.”
4. Dualidade Onda–Partícula
“A luz apresenta propriedades ondulatórias (reflexão, refração, difração, interferência, efeito Doppler) e corpusculares (efeito fotoelétrico e efeito Compton).”
Segundo Louis de Broglie, partículas subatômicas também possuem caráter ondulatório — fato comprovado experimentalmente por Davisson, Germer e G. P. Thomson.
FÍSICA ATÔMICA E NUCLEAR
1. Modelos Atômicos
O Modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio
Para explicar o espectro do hidrogênio, Niels Bohr propôs:
1) O elétron pode permanecer em certas órbitas sem irradiar energia.
2) As órbitas permitidas correspondem a valores quantizados de energia e momento angular.
3) A transição de uma órbita de energia E₂ para outra de energia E₁ resulta na emissão de um fóton:
4) A teoria foi posteriormente generalizada. Na Mecânica Ondulatória, abandona-se o conceito de órbitas definidas, substituindo-o por níveis de energia.
2. Composição do Núcleo Atômico
3. Átomos Importantes na Física Nuclear
Isótopos de Hidrogênio: prótio, deutério e trítio.
(O deutério é importante por compor a água pesada, usada como moderador em reatores.)
Isótopos de Urânio: U-235 (0,72%) e U-238 (99,28%).
Hélio e Plutônio: utilizados em processos nucleares específicos.
4. Raios X
Ondas eletromagnéticas de alta frequência (10 keV a 1000 keV), produzidas quando elétrons rápidos colidem com alvos metálicos.
5. Decaimentos Radioativos
Os núcleos instáveis emitem radiação para atingir estabilidade. As três principais são:
Alfa (α): núcleos de hélio.
Beta (β): elétrons rápidos produzidos na desintegração de nêutrons.
Gama (γ): radiação eletromagnética de altíssima frequência.
Decaimento Alfa:
Decaimento Beta:
Meia-vida (T1/2): tempo necessário para que a massa de uma amostra radioativa se reduza à metade.
6. Reações Nucleares
Fissão Nuclear
Reação em que um núcleo pesado se divide em dois fragmentos, liberando energia e nêutrons. A energia liberada é explicada pela equação de Einstein: E = mc².
Aplicações: bombas A, usinas nucleares, submarinos nucleares.
Fusão Nuclear
Reação em que núcleos leves se unem formando um núcleo mais pesado, liberando grande quantidade de energia. É o processo que alimenta o Sol e as estrelas.
Aplicações: bomba H, reatores Tokamak.
Informação adicional
| Espécie de Matéria | Processo | Tempo para manter uma lâmpada de 100 W |
| 1 kg de água | Queda d’água de 50 m | 5 s |
| 1 kg de carvão | Combustão | 8 h |
| 1 kg de U-235 | Fissão completa | 30 000 anos |
| 1 kg de deutério | Fusão completa | 30 000 anos |
| 1 kg de matéria + antimatéria | Aniquilação completa | 30 000 000 anos |
Testes
1. (UFRGS) Comparadas com a luz visível, as micro-ondas têm:
(A) velocidade de propagação menor no vácuo.
(B) fótons de energia maior.
(C) frequência menor.
(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:
Ondas f (Hz)
X — 3×1017
Y — 6×1014
Z — 3×1014
(A) A energia de um fóton da onda X é maior que a da onda Y.
(B) O comprimento de onda da onda Y é o dobro do da onda Z.
(C) A onda Z possui os fótons de maior energia.
(D) A energia dos fótons de X e Y é igual.
(E) As três ondas possuem o mesmo comprimento de onda.
3. (UFRGS) No efeito fotoelétrico ocorre variação da quantidade de elétrons emitidos e de sua energia quando variam certas grandezas da luz incidente.
Associe:
1. Frequência — ( ) variação da energia dos elétrons emitidos
2. Velocidade —
3. Intensidade — ( ) variação do número de elétrons emitidos por unidade de tempo
A sequência correta é:
(A) 1 - 2
(B) 1 - 3
(C) 2 - 1
(D) 2 - 3
(E) 3 - 1
4. (UFRGS) A energia dos fótons é inversamente proporcional .... e a quantidade de movimento é diretamente proporcional ....
(A) à velocidade — ao comprimento de onda
(B) à frequência — à velocidade
(C) à frequência — à frequência
(D) ao comprimento de onda — à frequência
(E) ao comprimento de onda — ao comprimento de onda
5. (UFRGS) “Segundo Planck, a matéria emite ou absorve energia eletromagnética de maneira .... emitindo ou absorvendo .... cuja energia é proporcional à .... da radiação.”
(A) contínua — quanta — amplitude
(B) descontínua — prótons — frequência
(C) descontínua — fótons — 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 a 3×108 m/s.
(C) o elétron tem comportamento ondulatório.
(D) a luz é uma onda transversal.
(E) existem níveis de energia no átomo.
7. (UFRGS) Associe:
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
Sequência correta:
(A) 4 - 3 - 2 - 1
(B) 1 - 3 - 2 - 4
(C) 4 - 2 - 3 - 1
(D) 4 - 3 - 1 - 2
(E) 4 - 1 - 2 - 3
8. (UFRGS) Qual afirmação é correta?
(A) A energia de um elétron ligado não pode assumir qualquer valor.
(B) A carga do elétron depende da órbita.
(C) As órbitas são iguais em todos os átomos.
(D) O núcleo contém prótons, nêutrons e elétrons.
(E) Em todos os átomos, elétrons = prótons + nêutrons.
9. (UFRGS) Sobre a estrutura do átomo:
I — A energia do elétron é quantizada.
II — É necessária mais energia para arrancar um próton do núcleo do que um elétron do átomo.
III — O volume do núcleo é metade do volume do átomo.
(A) Apenas I
(B) Apenas II
(C) I e III
(D) II e III
(E) I, II e III
10. (UFRGS) Sobre estrutura nuclear:
I — O núcleo tem carga positiva.
II — A massa do núcleo é metade da massa do átomo.
III — Núcleos radioativos se desintegram buscando estabilidade.
(A) Apenas I
(B) Apenas II
(C) I e III
(D) II e III
(E) I, II e III
11. (PUCRS) Um átomo excitado emite luz porque:
(A) um elétron foi arrancado.
(B) um elétron cai para níveis mais baixos.
(C) um elétron sobe para níveis mais altos.
(D) elétrons permanecem estacionários.
(E) elétrons se transformam em luz.
12. (UFRGS) Na desintegração de 226Ra → 222Rn houve emissão de:
(A) apenas raios gama.
(B) uma partícula alfa.
(C) uma partícula beta.
(D) duas betas e duas alfas.
(E) gama + duas betas.
12. (UFRGS) Em um reator, U-235 sofre:
(A) fusão.
(B) fissão.
(C) espalhamento.
(D) reação termonuclear.
(E) aniquilação.
13. (UFRGS) A fusão nuclear ocorre a temperaturas como as do .... e, ao contrário da fissão, .... dejetos nucleares.
(A) superfície da Terra — produz
(B) superfície da Lua — produz
(C) superfície da Lua — não produz
(D) centro do Sol — não produz
(E) centro do Sol — produz
14. (UNISINOS) No efeito fotoelétrico:
A energia cinética depende da ________, e o número de elétrons depende da ________.
(A) intensidade — velocidade
(B) velocidade — intensidade
(C) frequência — velocidade
(D) intensidade — frequência
(E) frequência — intensidade
15. (UFRGS)
I — A quantidade de movimento de um fóton visível é ________ à de um fóton UV.
II — A energia luminosa é ________.
(A) maior — contínua
(B) igual — contínua
(C) menor — quantizada
(D) menor — contínua
(E) maior — quantizada
16. (UFRGS) Sobre radiações:
(A) alfa e raio X são ondas.
(B) só raio X é partícula.
(C) só alfa é partícula.
(D) alfa e beta são partículas; gama e X são ondas.
(E) raio X é partícula; alfa, beta e gama são ondas.
17. (UFRGS) Alcance de partículas alfa de 4 MeV:
(A) 1,92×103 cm
(B) 3 cm
(C) 1,92 cm
(D) 3×10-1 cm
(E) 3×10-3 cm
18. (PUCRS) Substância radioativa emite:
(A) luz
(B) radiação alfa, beta e gama
(C) ondas eletromagnéticas
(D) raio X
(E) infravermelho
19. (PUCRS) Energia de 1 g convertido totalmente em energia:
(A) ...
(B) ...
(C) ...
(D) ...
(E) ...
20. (UFRGS) Indique V ou F:
( ) O poder de penetração dos raios gama é menor que o dos raios X.
( ) Fragmentos radioativos continuam irradiando após acidentes.
( ) A camada de ozônio filtra radiação UV.
(A) V - V - F
(B) V - F - V
(C) V - F - F
(D) F - V - V
(E) F - F - V
21. (UFRGS) Sobre reações nucleares:
(A) fusão e fissão são o mesmo processo.
(B) fusão ocorre no dia a dia.
(C) fissão produz fragmentos radioativos.
(D) fusão não libera energia.
(E) reação em cadeia não pode ser controlada.
22. (UFRGS) Sobre o gráfico de decaimento:
(A) meia-vida de X é o dobro da de Y.
(B) X e Y têm o mesmo número de átomos em 3t.
(C) Y tem o dobro de átomos transformados em 4t.
(D) Em 2t, X tem o dobro de átomos remanescentes de Y.
(E) Em 6t, X desintegrou mais que Y.
23. (UNESP) Composição de prótons e nêutrons:
(A) d d d — u u u
(B) d d u — u u d
(C) d u u — u d d
(D) u u u — d d d
(E) d d d — d d d