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Física Moderna
Física Moderna

 

FÍSICA MODERNA

Professor Diminoi

 

Física Moderna - É a denominação dada ao conjunto de teorias surgidas no começo do século XX, principiando com a Mecânica Quântica e a Teoria da Relatividade e as alterações no entendimento científico daí decorrentes, bem como todas as teorias posteriores. De fato, destas duas teorias resultaram drásticas alterações no entendimento das noções do espaço, tempo, medida, causalidade, simultaneidade , trajetória e localidade etc.

 

Max Planck

A mecânica quântica surgiu inicialmente dos trabalhos de Max Planck e de Einstein. Um dos mais importantes problemas de física não resolvidos no final do séc. XIX, era o da radiação do corpo negro. Planck resolve este problema em 1901 utilizando como hipótese ad hoc que a energia deste não tem um espectro contínuo, mas pelo contrário é discreta, ou em outras palavras quantizada. Einstein utiliza esta mesma hipótese para resolver o problema do efeito fotoelétrico em 1905. Mas vai mais longe propondo que esta é na realidade a verdadeira natureza da luz. A essa quantidade discreta de luz se chama quantum de luz ou fóton.

Nasce assim a Mecânica Quântica que será posteriormente desenvolvida pelo trabalho de muitos outros cientistas como Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Einstein, Louis de Broglie, Max Born, Wolfgang Pauli ou Paul Dirac, citando apenas os mais importantes.

A hipótese de que a energia é quantizada permite então resolver muitos dos problemas pendentes da Física do início do séc. XX. Einstein utiliza-a para explicar o calor específico dos sólidos e Niels Bohr para explicar a estabilidade do átomo. O primeiro modelo atómico, chamado modelo de Bohr, é posteriormente melhorado por Sommerfeld e outros cientistas acima referidos dando origem à moderna teoria quântica, com uma formalização em moldes mais rigorosos. Tal desenvolvimento também se deu pelos esforços do matemático John von Neumann.

Dentre esses desenvolvimentos, a teoria quântica abandonou parcialmente a noção de trajetória e da localidade, em função do princípio da incerteza de Heisenberg. Assim tem-se a noção da trajetória, de natureza determinista, substituída pela noção de função de onda, de natureza probabilística. Essa interpretação da função de onda, como medida da potencialidade de localização de uma partícula, foi dada pela análise e correta interpretação de Max Born.

 

Albert Einstein

Bohr contribui decisivamente também para esse desenvolvimento ulterior da mecânica quântica. Ele e seus seguidores (incluindo Heisenberg) ajudaram a formar a chamada Interpretação de Copenhaga. Nessa interpretação, dá-se a explicação quântica da medida. Uma medida realizada sobre um sistema quântico resulta da interação do observador - um aparelho de medida geralmente clássico - com um sistema quântico. Como a medida resulta numa certeza sobre um valor de uma grandeza (observável) ao passo que a função de onda associada representa uma função de probabilidades em termos da posição e tempo, tal conjectura implica dizer que o ato de medir acarreta um colapso da função de onda: o ato de medir destrói um possível emaranhamento quântico e literalmente cria a realidade experimentalmente mensurada.

Também em 1905, Einstein publica a teoria da relatividade restrita, nesta a ideia clássica que se tinha da simultaneidade foi abandonada, em decorrência da finitude da velocidade de transmissão das interações eletromagnéticas, que resulta da teoria clássica do eletromagnetismo de Maxwell. A simultaneidade passa a depender do referencial que se está adotando para se analisar uma dada situação física. É assim, a invariância da velocidade da luz (que corresponde precisamente à velocidade de transmissão das interações) implica que as noções de espaço e tempo se mesclam em um novo conceito, o espaço-tempo. Para a teoria da relatividade restrita contribuíram decisivamente também Henri Poincaré, Hendrik Lorentz e Hermann Minkowski. Assim se encerra de modo consistente a teoria da eletrodinâmica clássica. Posteriormente, em 1915, Einstein leva mais longe os conceitos da teoria da relatividade ao generalizar o conceito de finitude da velocidade de transmissão das interações à interação gravitacional. Do desenvolvimento desta ideia resulta a moderna teoria da gravitação, conhecida por teoria da relatividade geral.

É Dirac quem posteriormente formaliza a teoria da Electrodinâmica Quântica que une de modo consistente a teoria quântica e a eletrodinâmica clássica, baseando-se em trabalho anterior de Oskar Klein, Walter Gordon e Vladimir Fock. As tentativas de lhes juntar também a teoria da relatividade geral foram até hoje infrutíferas, sendo este um dos maiores problemas em aberto da física moderna.

 

Isaac Newton e Galileu Galilei - Estabeleceram as bases para o estudo da Física. Eles demonstraram que a verdade deve ser alcançada através da lógica e de experiências controladas e não somente através do pensamento como acreditavam os gregos e romanos da antiguidade. Quando Newton formulou a suas teorias estava estabelecendo um programa para a Ciência: Determinar as forças que regem o universo e as suas leis.

 

Dúvidas

Na época de Newton e após as suas teorias predominava a ideia mecanicista: o universo funcionava de maneira organizada e previsível, como uma máquina. Se alguma inteligência pudesse conhecer a posição e a velocidade de todos os corpos e estivesse informada sobre as forças que agem neles, seria capaz de determinar o passado e futuro de qualquer objeto.

Porém alguns fatos começaram a abalar a simplicidade e previsibilidade destes pensamentos. Alguns surgiram com o estudo da luz. Afinal o que seria a luz? As experiências começaram a mostrar que hora ela se comportava como partícula, hora como onda. Qual a velocidade da luz? Porque essa velocidade é sempre constante?

Outras questões surgiram com o estudo da eletricidade e de outras áreas. Qual a origem deste fenômeno que tem carga positiva ou negativa? E quanto ao magnetismo? De onde vem? Como explicar as reações químicas ou o calor do sol? Algumas dessas questões possuíam respostas e outras só levavam a novas perguntas.

Enquanto isso a matemática desenvolveu novas ferramentas. Avançou o estudo da probabilidade. O estudo da geometria levava a imaginar o espaço de maneira inteiramente nova enquanto certas teorias eram extremamente difíceis de imaginar.

 

Soluções

Numa época em que a ciência mergulhava em profunda crise e as mentes mais talentosas do mundo duvidavam de suas próprias convicções, um jovem funcionário de uma biblioteca suiça publica várias teorias. Em uma delas explica o Movimento Browniano, a misteriosa trajetória de partículas (pólem, por exemplo) sobre a água parada. Em outra, mostra como ocorre o efeito fotoelétrico, a geração de eletricidade a partir da luz, que varia conforme a sua frequência. Lança também a Teoria da Relatividade, segundo a qual o tempo e o espaço dependem do referencial em que o objeto é observado. O Jovem se chamava Albert Einstein, recém-formado na Escola Politécnica de Zurich. Pouco antes, Max Planck havia solucionado o problema da radiação do corpo negro.

Um corpo que não reflete luz emite radiação de acordo com sua temperatura. Porém essa radiação não variava conforme previam as teorias clássicas. Para explicar essa contradição, Planck supôs que a energia era emitida de maneira quantizada, quer dizer, em quantidades bem definidas, como se fossem pequenos pacotes de energia.

 

Revolução

As teorias do início do século tiveram grande impacto sobre o desenvolvimento da Física. A partir delas, chegamos a diversas outras conclusões que revolucionaram a Ciência e cujo impacto experimentamos até hoje no desenvolvimento do eletrônica, das telecomunicações, na medicina e em muitas outras áreas. O estudo dessas teorias e suas consequências denominamos Física Moderna.

 

Entre os resultados obtidos com o estudo da Física Moderna temos:

Matéria e Energia são equivalentes

A matéria pode ser considerada uma grande quantidade de energia organizada. Algumas das provas de que isso é verdade são as usinas nucleares e as bombas atômicas que utilizam a energia contida em pequenas quantidades de matéria.

A fórmula proposta por Einstein que demonstra essa equivalência é:

E = mc²

Onde:

  • E = Energia
  • m = Massa
  • c = Velocidade da Luz

 

Tempo e Espaço dependem do referencial

As medidas de tempo e espaço não são iguais para todos. Se um observador move-se em velocidade próxima a da luz, o tempo se dilata e o espaço se comprime em relação a um outro observador em repouso. Hoje em dia satélites do sistema GPS possuem correção dos seus relógios devido aos efeitos da relatividade.

 

Mecânica Quântica

Se a energia se propaga de maneira quantizada, a matéria e energia são equivalentes e o tempo-espaço é relativo as teorias de Newton deixam de ser aplicáveis a muitos fenômenos, principalmente em corpos muito pequenos como átomos e moléculas. A partir daí surge a Mecânica Quântica para estudar alguns destes casos.

 

O pricípio da Incerteza de Heisenberg

No estudo da Mecânica Quântica descobre-se que quanto maior a precisão para definir a velocidade de uma partícula, menor será a precisão para identificar sua posição e vice-versa. Isso não se deve a erros de medição: é uma lei da natureza. Este é, de maneira simplificada, o princípio da incerteza de Heisenberg.

 

Atualmente

O maior desafio da Física Moderna é formular teorias que reunam a Mecânica Quântica e a Relatividade de Einstein, formando uma espécie de "Teoria do Tudo" criando a base para entender todos os fenômenos do Universo.

 

 

QUESTÕES DE VESTIBULAR 

01) (UNITAU/SP)  O efeito fotoelétrico é um fenômeno estudado pelos físicos, e a explicação atualmente aceita foi dada por Albert Einstein no ano de 1905.Sobre a teoria de Einstein para o efeito fotoelétrico, é totalmente CORRETO afirmar que

a) está totalmente de acordo com a teoria de Huygens, sobre a luz como fenômeno ondulatório.

b) está totalmente de acordo com a teoria de Newton, sobre a luz como fenômeno corpuscular.

c) introduziu o conceito de onda-partícula, para explicar o comportamento dos fótons.

d) introduziu o conceito de interação fraca, para explicar o comportamento dos fótons.

e) introduziu o conceito de que o tempo é relativo, para explicar o comportamento dos fótons.

 

02) (UFPR/2015)  No final do século XIX e início do século XX, a Física se defrontou com vários problemas que não podiam ser explicados com as teorias e modelos aceitos até esse período. Um desses problemas consistia em explicar corretamente o fenômeno do Efeito Fotoelétrico. Sobre esse efeito, considere as seguintes afirmativas:

1. Esse efeito foi observado primeiramente por Henrich Hertze sua explicação correta foi publicada em 1905 porNiels Bohr.

2. A explicação correta desse efeitoutilizou uma ideia de MaxPlanck, de que a luz incidente não poderia ter energia com um valor qualquer, mas sim uma energia dada por múltiplos inteiros de uma porção elementar.

3. Segundo o modelo proposto, cada fóton, ao colidir com um elétron, transfere-lhe uma quantidade de energia proporcional a sua velocidade.Assinale a alternativa correta.

 

a) Somente a afirmativa 1 é verdadeira.

b) Somente a afirmativa 2 é verdadeira.

c) Somente a afirmativa 3 é verdadeira.

d) Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras

e) Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.

 

03) (UDESC/2015)  A proposição e a consolidação da Teoria da Relatividade e da Mecânica Quântica, componentes teóricos do que se caracteriza atualmente como Física Moderna, romperam com vários paradigmas da Física Clássica. Baseando-se especificamente em uma das teorias da Física Moderna, a Relatividade Restrita, analise as proposições.

I. A massa de um corpo varia com a velocidade e tenderá ao infinito quando a sua velocidade se aproximar da velocidade da luz no vácuo.

II. A Teoria da Relatividade Restrita é complexa e abrangente, pois, descreve tanto movimentos retilíneos e uniformes quantomovimentos acelerados.

III. A Teoria da Relatividade Restrita superou a visão clássica da ocupação espacial dos corpos, ao provar que dois corpos, com massa pequena e velocidade igual à velocidade da luz no vácuo, podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo. 

Assinale a alternativa correta.

a) Somente a afirmativa I é verdadeira.

b) Somente as afirmativas I e II são verdadeiras.

c) Somente a afirmativa II é verdadeira.

d) Somente as afirmativas I e III são verdadeiras.

e) Todas as afirmativas são verdadeiras.

 

04) (UNIMONTES/MG - 2 015)  Considere os seguintes fatos marcantes da história da Ciência, listados de A até D, e algumas verificações, medidas e descobertas científicas importantes ocorridas após 1900, listadas de 1 até 4

A – Os experimentos feitos por Ernest Rutherford, em 1911.

B – O experimento realizado por Robert A. Millikan, em 1909.

C – A hipótese, feita em 1924, por Louis de Broglie.

D – A hipótese feita, em 1900, por Max Planck.

 

1 – A medida da razão entre a carga e a massa do elétron.

2 – A descoberta do núcleo do átomo.

3 – O bem-sucedido uso da hipótese de quantização da energia na explicação do efeito fotoelétrico.4 – A descoberta do caráter ondulatório de partículas como o elétron.

Marque a alternativa que apresenta as associações CORRETAS entre os fatos históricos e as verificações, medidas e descobertas científicas apresentadas.

a) A1, B3, C2, D4.

b) A2, B1, C4, D3.

c) A3, B4, C1, D2.

d) A4, B2, C3, D1.

 

05) (SENAI/SP - 2015)  A Leia o trecho a seguir, que relata estudos sobre o Universo.

“(...) e medindo ele próprio suas distâncias (usando estrelas cefeidas), descobriu que as galáxias estavam se afastando com velocidades proporcionais à sua distância, isto é, quanto mais distante a galáxia, maior sua velocidade de afastamento. Isso constituiu a primeira evidência para a expansão do Universo.”

Fonte: Disponível em: <http://www.telescopiosnaescola.pro.br>. Acesso em: 06 maio 2013.

O texto acima refere-se

a) à Lei de Hubble.

b) ao Geocentrismo

c) ao Heliocentrismo.

d) à Teoria do Big Bang.

e) à Teoria da Relatividade.

 

06) (UNIMONTES/MG - 2015)   A Teoria da Relatividade restrita, proposta por Albert Einstein em1905, mudou profundamente a visão das pessoas a respeito do mundo em que vivemos. Um dos resultados notáveis dessa teoria une os conceitos de massa, m, e energia, E, na famosa equação E= mc2 , em que c  =  3 . 108  m/s é a velocidade da luz no vácuo. Essa relação prediz, por exemplo, que, ao ser aquecida, uma massa m de água recebe uma quantidade de energia ∆E e tem sua massa aumentada de uma quantidade ∆m. Levando-se em conta a Teoria da Relatividade, se duas calorias, cerca de 8,36 Joules, são cedidas a uma massa m de água, ocorrerá um aumento de massa, m, em kg, cuja ordem de grandeza é igual a

a) 10−17

b) 10−16

c) 10−18

d) 10−19

 

07) (UNIMONTES/MG - 2015)   Em 1924, o Físico francês Louis de Broglie, em sua tese de Doutorado, formulou a hipótese de que a matéria teria um comprimento de onda λ  associado a ela, dado pela expressão λ = h / m v,  sendo m a massa da partícula material considerada, h = 6,63 . 10−34 J.s a constante de Planck e v sua velocidade.

Considerada a hipótese de Broglie’, um elétron que se move a uma velocidade de módulo 7,28 . 106 m/s manifesta uma onda de matéria cujo comprimento de onda é da ordem de Dado: m = 9,14 . 10 −31 kg

a) 10−8

b) 10−12

c) 10−14

d) 1 −10

 

08) (UFG/GO - 2015)   O caráter corpuscular da luz foi inicialmente proposto por Newton em 1704. O cientista que, no início do século XX, estabeleceu definitivamente esse caráter da luz e o fenômeno físico por ele estudado são, respectivamente,

a) Max Planck e o problema do corpo negro.

b) Albert Einstein e o efeitofotoelétrico.

c) Niels Bohr e a estabilidade das órbitas do átomo de hidrogênio.

d) Arthur Holly Compton e a interação dos raios X com a matéria.

e) Louis De Broglie e a dualidade onda-partícula da matéria

 

09) (UFSM/RS - 2015)   O fenômeno físico responsável pelo funcionamento dos sensores CCD, presentes nas primeiras e em muitas das atuais câmeras digitais, é similar ao efeito fotoelétrico. Ao incidirem sobre um cristal de silício, os fótons transferem a sua energia aos elétrons que se encontram na banda de valência, que são “promovidos” para os níveis de energia que se encontram na banda de condução. O excesso de carga transferido para a banda de condução é então drenado por um potencial elétrico aplicado sobre o dispositivo, produzindo um sinal proporcional à intensidade da luz incidente. A energia transferida aos elétrons pelos fótons, nesse processo, é proporcional à _______________da radiação incidente. Assinale a alternativa que preenche corretamente a lacuna.

a) intensidade

b) frequência

c) polarização

d) amplitude

e) duração

 

10) UFRGS/RS - 2015)   Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do enunciado abaixo, na ordem em que aparecem. A incidência de radiação eletromagnética sobre uma superfície metálica pode arrancar elétrons dessa superfície.

O fenômeno é conhecido como __________ e só pode ser explicado satisfatóriamente invocando a natureza __________ da luz.

a) efeitofotoelétrico – ondulatória

b) efeito Coulomb – corpuscular 

c) efeitoJoule – corpuscular 

d) efeitofotoelétrico – corpuscular 

e) efeitoCoulomb – ondulatóra

 

11) (UFRGS/RS - 2915)   O físico francês Louis de Broglie (1892-1987), em analogia ao comportamento dual onda-partícula da luz, atribuiu propriedades ondulatórias à matéria. Sendo a constante de Planck h = 6,6 . 10−34  J.s, o comprimento de onda de Broglie para um elétron (massa m = 9 . 10 −31 kg) com velocidade v = 2,2 . 10 6  m/s é, aproximadamente,

a) 3,3 . 10−10

b) 3,3 . 10−9

c) 3,3 . 103

d) 3,0 .10 9

e) 3,0 . 10 10m

 

12) (UFPE-  2015)  De acordo com a hipótese de Albert Einstein para explicar o efeito fotoelétrico, as ondas eletromagnéticas:

a) só podem oscilar em frequências múltiplas de uma frequência mínima.

b) são constituídas de pacotes de energia proporcional à sua frequência.

c) são constituídas de pacotes de energia proporcional ao seu comprimento de onda.

d) possuem todas a mesma fase, independentemente da sua velocidade.

e) possuem todas a mesma fase, independentemente do seu comprimento de onda

 

13) (SENAC/SP - 2015)  Os físicos usaram de muita imaginação para considerar a ideia de átomo, formulando alguns modelos. O modelo mais aceito no início do século XX, conhecido como “pudim de ameixas”, propunha uma esfera de carga positiva e de massa uniformemente distribuída, onde cargas negativas estariam incrustadas, como ameixas num pudim.

Segundo outro modelo, baseado na descrição da trajetória de partículas radioativas alfa ao atingir finas folhas de metal, o átomo deveria ter quase toda a sua massa concentrada num diminuto núcleo com carga positiva, em torno do qual girariam os elétrons com carga negativa. Porém, o problema é que, de acordo com a física clássica, os elétrons deveriam perder energia e cair para o núcleo.

Para solucionar esta dificuldade teórica, baseando-se nos comprimentos de onda das raias do espectro do hidrogênio, foi formula do novo modelo atômico, no qual:

1. Cada elétron só pode ocupar determinada órbita, onde permanece indefinidamente sem emitir radiação.

2. Ao absorver ou ao emitir um fótonde energia, o elétron salta para órbitas bem determinadas.

A sequência acima descrita corresponde, respectivamente, aos modelos de

a) Thomson, Bohr e Rutherford.

b) Thomson, Rutherford e Bohr.

c) Bohr, Rutherford e Thomson.

d) Rutherford, Thomson e Bohr.

e) Rutherford, Bohr e Thomson

 

14) (UNICENTRO/PR) Após vários anos de estudos, Einstein publicou, no ano de 1905, o artigo “Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento”. Com base nos postulados básicos da Teoria da Relatividade Restrita, descritos no referido artigo, assinale a alternativa correta. 

a) A velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor para todos os  observadores, qualquer que seja o seu movimento ou o movimento da fonte.

b) As leis da física são flexíveis e variáveis em função dos observadores que estão em sistemas de referenciais móveis.

c) O fato de a luz ser constituída de partículas era reforçado por Einstein e confirmava a existência do éter.

d) Observadores em diferentes sistemas de referência inerciais observam os fenômenos físicos de maneiras distintas.

e) n.d.a.

 

GABARITO: 01C –  02B – 03A – 04B – 05A – 06B – 07D – 08B – 09B – 10D – 11A – 12B – 13B – 14A. 

 

 

FÍSICA QUÂNTICA

Professor David

 

Física Quântica ou Mecânica Quântica - É a teoria física que obtém sucesso no estudo dos sistemas físicos cujas dimensões são próximas ou abaixo da escala atômica, tais como moléculas, átomos, elétrons, prótons e de outras partículas subatômicas, muito embora também possa descrever fenômenos macroscópicos em diversos casos.

A Mecânica Quântica é um ramo fundamental da física com vasta aplicação. A teoria quântica fornece descrições precisas para muitos fenômenos previamente inexplicados tais como a radiação de corpo negro e as órbitas estáveis do elétron. Apesar de na maioria dos casos a Mecânica Quântica ser relevante para descrever sistemas microscópicos, os seus efeitos específicos não são somente perceptíveis em tal escala.

Por exemplo, a explicação de fenômenos macroscópicos como a super fluidez e a supercondutividade só é possível se considerarmos que o comportamento microscópico da matéria é quântico. A quantidade característica da teoria, que determina quando ela é necessária para a descrição de um fenômeno, é a chamada constante de Planck, que tem dimensão de momento angular ou, equivalentemente, de ação.

A mecânica quântica recebe esse nome por prever um fenômeno bastante conhecido dos físicos: a quantização. No caso dos estados ligados (por exemplo, um elétron orbitando em torno de um núcleo positivo) a Mecânica Quântica prevê que a energia (do elétron) deve ser quantizada. Este fenômeno é completamente alheio ao que prevê a teoria clássica.

 

Há pouco mais de cem anos, o físico Max Planck, considerado conservador, tentando compreender a energia irradiada pelo espectro da radiação térmica, expressa como ondas eletromagnéticas produzidas por qualquer organismo emissor de calor, a uma temperatura x, chegou, depois de muitas experiências e cálculos, à revolucionária ‘constante de Planck’, que subverteu os princípios da física clássica.

Este foi o início da trajetória da Física ou Mecânica Quântica, que estuda os eventos que transcorrem nas camadas atômicas e sub-atômicas, ou seja, entre as moléculas, átomos, elétrons, prótons, pósitrons, e outras partículas. Planck criou uma fórmula que se interpunha justamente entre a Lei de Wien – para baixas freqüências – e a Lei de Rayleight – para altas frequências -, ao contrário das experiências tentadas até então por outros estudiosos.

 

Albert Einsten, criador da Teoria da Relatividade, foi o primeiro a utilizar a expressão quantum para a constante de Planck.

 E = hv

E = energia

h = constante de Planck

v = frequência da radiação emitida

Observação: a constante de Planck vale aproximadamente h = 6.62 x 10-34J. s

 

Em uma pesquisa publicada em março de 1905 sobre as consequências dos fenômenos fotoelétricos, quando desenvolveu o conceito de fóton. Este termo se relaciona a um evento físico muito comum, a quantização – um elétron passa de uma energia mínima para o nível posterior, se for aquecido, mas jamais passará por estágios intermediários, proibidos para ele, neste caso a energia está quantizada, a partícula realizou um salto energético de um valor para outro. Este conceito é fundamental para se compreender a importância da física quântica.

Seus resultados são mais evidentes na esfera macroscópica do que na microscópica, embora os efeitos percebidos no campo mais visível dependam das atitudes quânticas reveladas pelos fenômenos que ocorrem nos níveis abaixo da escala atômica. Esta teoria revolucionou a arena das ideias não só no âmbito das Ciências Exatas, mas também no das discussões filosóficas vigentes no século XX.

No dia-a-dia, mesmo sem termos conhecimento sobre a Física Quântica, temos em nossa esfera de consumo muitos de seus resultados concretos, como o aparelho de CD, o controle remoto, os equipamentos hospitalares de ressonância magnética, até mesmo o famoso computador.

A Física Quântica envolve conceitos como os de partícula – objeto com uma mínima dimensão de massa, que compõe corpos maiores - e onda – a radiação eletromagnética, invisível para nós, não necessita de um ambiente material para se propagar, e sim do espaço vazio. Enquanto as partículas tinham seu movimento analisado pela mecânica de Newton, as radiações das ondas eletromagnéticas eram descritas pelas equações de Maxwell. No início do século XX, porém, algumas pesquisas apresentaram contradições reveladoras, demonstrando que os comportamentos de ambas podem não ser assim tão diferentes uns dos outros. Foram essas ideais que levaram Max Planck à descoberta dos mecanismos da Física Quântica, embora ele não pretendesse se desligar dos conceitos da Física Clássica.

A conexão da Mecânica Quântica com conceitos como a não-localidade e a causalidade, levou esta disciplina a uma ligação mais profunda com conceitos filosóficos, psicológicos e espirituais. Hoje há uma forte tendência em unir os conceitos quânticos às teorias sobre a Consciência.

Físicos como o indiano Amit Goswami se valem dos conceitos da Física moderna para apresentar provas científicas da existência da imortalidade, da reencarnação e da vida após a morte. Professor titular da Universidade de Física de Oregon, Ph.D em física quântica, físico residente no Institute of Noetic Sciences, suas idéias aparecem no filme Quem somos nós? e em obras como A Física da Alma, O Médico Quântico, entre outras. Ele defende a conciliação entre física quântica, espiritualidade, medicina, filosofia e estudos sobre a consciência. Seus livros estão repletos de descrições técnicas, objetivas, científicas, o que tem silenciado seus detratores.

Fritjof Capra, Ph.D., físico e teórico de sistemas, revela a importância do observador na produção dos fenômenos quânticos. Ele não só testemunha os atributos do evento físico, mas também influencia na forma como essas qualidades se manifestarão. A consciência do sujeito que examina a trajetória de um elétron vai definir como será seu comportamento. Assim, segundo o autor, a partícula é despojada de seu caráter específico se não for submetida à análise racional do observador, ou seja, tudo se interpenetra e se torna interdependente, mente e matéria, o indivíduo que observa e o objeto sob análise. Outro renomado físico, prêmio Nobel de Física, Eugen Wingner, atesta igualmente que o papel da consciência no âmbito da teoria quântica é imprescindível.

 

Observação: As Unidades Atômicas (português brasileiro) ou Unidades Atómicas (português europeu) (ua) formam um sistema de unidades conveniente para a física atômica, eletromagnetismo, mecânica e eletrodinâmica quânticas, especialmente quando nos interessamos nas propriedades dos elétrons. Há dois tipos diferentes de unidades atômicas, denominadas unidades atômicas de Hartree e unidades atômicas de Rydberg, que diferem na eleição da unidade de massa e carga. Neste artigo trataremos sobre as unidades atômicas de Hartree. Em ua, os valores numéricos das seguintes seis constantes físicas se definem como a unidade:

- Duas propriedades:  do elétron, a massa e carga.

- Duas propriedades: do átomo de hidrogênio, o raio de Bohr e o valor absoluto da energia potencial elétrica no estado fundamental.

- Duas constantes: constante de Planck reduzida ou constante de Dirac e a constante da Lei de Coulomb.

 

QUESTÕES DE VESTIBULAR

01) (UFC) Quanto ao número de fótons existentes em 1 joule de luz verde, 1 joule de luz vermelha e 1 joule de luz azul, podemos afirmar, corretamente, que:

a) Existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz vermelha e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul.

b) Existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz verde e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul.

c) Existem mais fótons em 1 joule de luz azul que em 1 joule de luz verde e existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz azul.

d) Existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz vermelha.

e) Existem mais fótons em um joule de luz vermelha que em 1 joule de luz azul e existem mais fótons em 1 joule de luz azul que em 1 joule de luz verde.

  

GABARITO: 01B.

 

 

 

FÍSICA NUCLEAR

Professor David

 

Física Nuclear  - É a área da física que estuda os constituintes e interações dos núcleos atômicos. As aplicações mais conhecidas da física nuclear são a geração de energia nuclear e tecnologia de armas nucleares, mas a investigação tem proporcionado aplicação em muitos campos, incluindo aqueles em medicina nuclear e ressonância magnética, implantação de íons em engenharia de materiais, e datação por radiocarbono em geologia e arqueologia.

Observação: o campo da física de partículas evoluiu a partir da física nuclear e, normalmente, é ensinado em estreita associação com a física nuclear.

 

Desde a antiguidade havia a ideia de que se quebrássemos um pedaço de qualquer objeto muitas vezes chegaríamos a um ponto em que não seria mais possível quebrá-lo. Surge então a ideia de que existiria o átomo, que significa indivisível. Conforme avançamos no conhecimento da natureza, os modelos de átomo foram aperfeiçoados até chegarmos ao modelo atual, onde temos não uma esfera indivisível, mas um sistema formado por várias partículas diferentes. Na parte externa temos os elétrons, partículas com carga negativa e massa muito pequena em relação às outras. No núcleo temos principalmente prótons com carga positiva e nêutrons com carga neutra. Esse modelo foi criado por Ernest Rutherford e aprimorado por Niels Bohr.

A partir das descobertas do início do século, descobriu-se que o núcleo do átomo é formado por outras partículas e é mais complexo do que imaginava-se.

 

O que Física Nuclear estuda

Se classificarmos todas as forças que existem, teremos quatro grandes grupos:

  • Força Gravitacional - Atração entre corpos responsável pela órbita dos planetas ou pela queda de uma fruta.
  • Forças Eletromagnéticas - Dá origem aos imãs, aos fenômenos elétricos, às reações químicas, etc.
  • Força Nuclear Fraca - Produz o decaimento  em que um elétron é emitido do núcleo.
  • Força Nuclear Forte - Responsável por manter as partículas do núcleo unidas, mesmo com cargas elétricas iguais.

 

Física Nuclear estuda as reações que ocorrem nos núcleos dos átomos. Eles não são tão estáveis e indivisíveis quanto os antigos pensavam que um átomo seria. Muitos fenômenos ocorrem produzindo variados efeitos. Alguns elementos da tabela periódica por exemplo só existem durante alguns segundos até que reações nucleares o transformem em outros elementos.

Entre as aplicações mais conhecidas da Física Nuclear esta geração de energia elétrica em usinas nuclearesReações nucleares de fissão controladas produzem calor aquecendo água que movimenta turbina para produzir eletricidade. Na medicina os Raios X permitem enxergar ossos e outras partes do interior do corpo humano; tratamentos de câncer utilizam efeitos nucleares como arma para combater os tumores (radiologia); elementos radioativos (que emitem partículas ou radiações) são usados para estudos do cérebro e outras partes do corpo. A Física Nuclear também pode ser usada para produzir os armamentos mais destrutivos da história, as bombas nucleares

 

Principais teorias

Einstein incorporou a existência do átomo em suas teorias. Até então o átomo era visto como uma suposição teórica sem prova material. O físico alemão também formulou a teoria pela qual matéria e energia são equivalentes.

Segundo ele:

E = m . c²

Onde:

E = energia
m = massa
cvelocidade da luz

 

Através da fórmula podemos calcular quanta energia existe em um objeto de massa m.

Como massa e energia são equivalentes, o Princípio da Conservação da Massa se resume ao Príncípio da Conservação da Energia segundo o qual em um sistema fechado a Energia não pode ser criada nem destruída, ela apenas se transforma.

 

A quebra de um núcleo atômico resulta em novos núcleos e produz uma grande liberação de energia porque a massa total dos novos elementos é menor que a do núcleo original. A massa que sobra é emitida sob a forma de energia. Isto é chamado de Fissão Nuclear. Essa é a base do funcionamento de Usinas Nucleares, com a fissão controlada para produzir eletricidade, e também é o princípio das primeiras bombas atômicas.

Quando átomos de hidrogênio se juntam para formar um átomo de hélio, existe grande perda de massa que é transformada em energia. Esta é a Fusão Nuclear, processo que gera a luz e calor do Sol e que é usado na mais poderosa arma já criada pelo homem: a bomba de Hidrogênio. Ele só ocorre em locais de altíssima temperatura e pressão. Atualmente pesquisadores estudam formas de utilizar a Fusão para produzir eletricidade.

Ao estudar as partículas que compõe a matéria, a Física Nuclear se aproxima de outra área: a Física de Partículas. Esta investiga quais são e como se comportam as partículas que compõe o Universo mostrando de forma muito clara que o átomo, o seu núcleo ou mesmo prótons ou nêutrons não são indivisíveis.

 

Fissão nuclear - É o processo em que se “bombardeia” o núcleo de um elemento radioativo, com um nêutron. Essa colisão resulta na criação de um isótopo do átomo, totalmente instável, que se quebra formando dois novos elementos e liberando grandes quantidades de energia.

Fusão nuclear - Ocorre quando dois ou mais núcleos de um mesmo elemento se fundem e formam outro elemento, liberando energia. Um exemplo de fusão nuclear é o que acontece o no interior das estrelas, quando quatro núcleos de hidrogênio se fundem para formar um átomo de hélio. Esse processo libera uma quantidade de energia muito maior do que a liberada no processo de fissão nuclear.

Em 1952, foi criada a bomba H (bomba de hidrogênio), que tinha como reator nuclear a fusão do hidrogênio. Essa incrível arma de destruição gerou, em seu primeiro experimento, uma energia cerca de mil vezes maior do que a bomba A (bomba atômica) de fissão nuclear.

Principal diferença entre o reator de uma bomba atômica

-Reator de uma usina nuclear: essa reação de fissão é controlada, e acontece sempre em quantidades suficientes para aquecer a água, que irá evaporar e girar as turbinas da usina.

- Bomba atômica: essa reação não é controlada.

 

QUESTÕES DE VESTIBULAR

01) Em certo experimento, um contador Geiger (instrumento que conta o número de eventos de decaimento radioativo por unidade de tempo) foi colocado a 0,5 m de uma amostra radioativa pequena, registrando 1280 contagens/minuto. Cinco horas mais tarde, quando nova medida foi feita com o contador na mesma posição anterior, foram registradas 80 contagens/minuto.

Com base nessas informações é correto concluir que a meia-vida da amostra é de

a) 0,6 h

b) 0,8 h

c) 1,0 h

d) 1,25 h

e) 1,5 h

 

02) Considere as informações e preencha os parênteses com V (verdadeiro) ou F (falso).

A fissão e a fusão são processos que ocorrem em núcleos energeticamente instáveis como forma de reduzir essa instabilidade. A fusão é um processo que ocorre no Sol e em outras estrelas, enquanto a  fissão é o processo utilizado em reatores nucleares, como o de Angra I.

(   ) Na fissão, um núcleo se divide em núcleos mais leves, emitindo energia.

(   ) Na fusão, dois núcleos se unem formando um núcleo mais pesado, absorvendo energia.

(   ) Na fusão, a massa do núcleo formado é maior que a soma das massas dos núcleos que se fundiram.

(   ) Na fissão, a soma das massas dos núcleos resultantes com a dos nêutrons emitidos é menor do que a massa do núcleo que sofreu a fissão.

(   )Tanto na fissão como na fusão ocorre a conversão de massa em energia.

A sequência correta, de cima para baixo, é:

a) F – V – F – V – V

b) F – F – V – V – F

c) V – F – V – F – V

d) V – F – F – V – V

e) V – V – V – F – F

 

03) Considere as seguintes afirmações abaixo, acerca de processos radioativos.

I – O isótopo radioativo do urânio (A = 235, Z = 92) pode decair para um isótopo do tório (A = 231, Z = 90) através da emissão de uma partícula α.

II – Radioatividade é o fenômeno no qual um núcleo pode transformar-se espontaneamente em outro sem que nenhuma energia externa seja fornecida a ele.

III – As partículas α e β emitidas em certos processos radioativos são carregadas eletricamente.

 

Quais estão corretas?

a) Apenas I

b) Apenas II

c) Apenas I e III

d) Apenas II e III

e) I, II e III

 

04) Em 1905, como conseqüência da sua Teoria da Relatividade Especial, Albert Einstein (1879 – 1955) mostrou que a massa pode ser considerada como mais uma forma de energia. Em particular, a massa m de uma partícula em repouso é equivalente a um valor de energia E dado pela famosa fórmula de Einstein: E = mc² Onde c é a velocidade de propagação da luz no vácuo, que vale aproximadamente 300.000 km/s.

Considere as seguintes afirmações referentes a aplicação da fórmula de Einstein.

I – Na reação nuclear de fissão do U-235, a soma das massas das partículas reagentes é maior do que a soma das massas das partículas resultantes.

II – Na reação nuclear de fusão de um próton e um nêutron para formar um dêuteron, a soma das massas das partículas reagentes é menor do que a massa da partícula resultante.

III – A irradiação contínua de energia eletromagnética pelo Sol provoca uma diminuição gradual da massa solar.

 

Quais estão corretas?

a) Apenas I.

b) Apenas II.

c) Apenas III.

d) Apenas I e II.

e) Apenas I e III.

 

05) A experiência de Rutherford (1911 – 1913), na qual uma lâmina delgada de ouro foi bombardeada com um feixe de partículas, levou à conclusão de que

a) a carga positiva do átomo está uniformemente distribuída no seu volume.

b) a massa do átomo está uniformemente distribuída no seu volume.

c) a carga negativa do átomo está concentrada em um núcleo muito pequeno.

d) a carga positiva e quase toda a massa do átomo estão concentradas em um núcleo muito pequeno.

e) os elétrons, dentro do átomo, movem-se somente em certas órbitas, correspondentes a valores bem

definidos de energia.

 

06) Os raios X são produzidos em tubos de vácuo nos quais elétrons são submetidos a uma rápida desaceleração ao colidir contra um alvo metálico. Os raios X consistem em um feixe de

a) elétrons

b) fótons

c) prótons

d) nêutrons

e) pósitrons

 

07) Assinale a alternativa que preenche corretamente a lacuna do parágrafo abaixo.

O Sol é a grande fonte de energia para toda a vida na Terra. Durante muito tempo, a origem da energia irradiada pelo Sol foi um mistério para a humanidade. Hoje, as modernas teorias de evolução das estrelas nos dizem que a energia irradiada pelo Sol provém de processos de _________ que ocorrem no seu interior, envolvendo núcleos de elementos mais leves.

a) espalhamento

b) fusão nuclear

c) fissão nuclear

d) fotossíntese

e) combustão

 

08) Considere 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

c) Apenas I e III

d) Apenas II e III

e) I, II e III

 

09) Análise cada uma das seguintes afirmações e indique se são verdadeiras (V) ou falsas (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 (03) 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

 

10) (FUVEST) Um núcleo de polônio-204 (204Po), em repouso, transmuta-se em um núcleo de chumbo-200 (200Pb), emitindo uma partícula alfa (α) com energia cinética Eα Nesta reação, a energia cinética do núcleo de chumbo igual a

Adote

204Po: 204 u

200Po: 200 u

α: 4 u

1 u = 1 unidade de massa atômica

 

a) Eα

b) Eα/4

c) Eα/50

d) Eα/200

e) Eα/204

  

GABARITO: 01D – 02D – 03E – 04E – 05D – 06B – 07B – 08C – 09D - 10C. 

 

 

RELATIVIDADE RESTRITA

Professor David

TEORIA DA RELATIVIDADE RESTRITA ou TEORIA ESPACIAL da RELATIVIDADE (TRR) - Foi publicada pela primeira vez por Albert Einstein em 1905, descreve a física do movimento na ausência de campos gravitacionais.

Antes, a maior parte dos físicos pensava que a mecânica clássica de Isaac Newton, baseada na chamada relatividade de Galileu (origem das equações matemáticas conhecidas como transformações de Galileu) descrevia os conceitos de velocidade e força para todos os observadores (ou sistemas de referência). No entanto, Hendrik Lorentz e outros, comprovaram que as equações de Maxwell, que governam o eletromagnetismo, não se comportam de acordo com a transformação de Galileu quando o sistema de referência muda (por exemplo, quando se considera o mesmo problema físico a partir do ponto de vista de dois observadores com movimento uniforme um em relação ao outro).

A noção de variação das leis da física no que diz respeito aos observadores é a que dá nome à teoria, à qual se apõe o qualificativo de especial ou restrita por cingir-se apenas aos sistemas em que não se têm em conta os campos gravitacionais. Uma generalização desta teoria é a Teoria Geral da Relatividade, publicada igualmente por Einstein em 1915, incluindo os ditos campos.

A relatividade restrita também teve um impacto na filosofia, eliminando toda possibilidade de existência de um tempo e de durações absolutas no conjunto do universo (Newton) ou como dados a priori da nossa experiência (Kant). Depois de Henri Poincaré, a relatividade restrita obrigou os filósofos a reformular a questão do tempo.

 

A Evolução da Ciência

O conhecimento científico não permanece igual ao longo dos anos. O que é considerado verdade hoje, pode não ser no futuro. Há 6 séculos pensava-se que a Terra era o centro do universo. Hoje sabemos que ela não é sequer o centro do Sistema Solar. A teoria da relatividade de Einstein mudou as bases da Física alterando conceitos tão fundamentais como tempo e espaço.

A Relatividade de Galileu

A posição e a velocidade de um corpo devem ser medidas a partir de um referencial. O referencial é um espaço graduado, como uma régua ou uma estrada marcada a cada quilômetro. Junto a esse espaço deve haver um cronômetro para medir o tempo.

Algumas vezes, porém, o próprio refencial que escolhemos está em movimento. Pode ser o caso de um referencial preso em um ônibus, barco ou avião. Se um referencial A estiver em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme (MRU) ele é considerado inercial. Da mesma forma, se um outro referencial B está em repouso ou se move em linha reta com velocidade constante em relação ao referencial A, o referencial B também é considerado inercial.

Segundo Galileu, se um corpo se move em relação a um referencial e o próprio referencial se move em relação ao solo por exemplo, a velocidade do corpo em relação ao solo será a soma das duas velocidades. Nada mais natural! Se alguém corre dentro de um ônibus, a sua velocidade para quem está na rua será a velocidade do ônibus mais a velocidade com que a pessoa corre.

O Problema

Sabemos há muito tempo que a Terra movimenta-se girando ao redor do Sol. Existem também estrelas com movimentos conhecidos e de grande velocidade. Porém, ao medir a velocidade da luz vinda de diferentes direções e de astros em movimento, não encontrou-se qualquer alteração na sua velocidade. Esta velocidade é a constante c= 300.000 Km/s, comprovada pelos estudos de óptica e eletromagnetismo feitos até então. Alguma coisa deveria estar errada! Como tornar este resultado compatível com as teorias aceitas até o momento?

A Relatividade Restrita

Para resolver estes impasses, Albert Einstein propôs a Teoria da Relatividade Restrita, que está baseada em dois postulados:

  • Postulado 1: Todas as leis da física assumem a mesma forma em todos os referenciais inerciais;
  • Postulado 2: Em qualquer referencial inercial, a velocidade da luz no vácuo c é sempre a mesma, seja emitida por um corpo em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme;

As consequências desses postulados contrariam o senso comum. Se a velocidade da luz permanece constante mesmo com o emissor em movimento, alguma coisa deveria mudar para que as leis da física continuem as mesmas. Para Einstein, o tempo e o espaço variam de acordo com a velocidade de um referencial em movimento. Isso quer dizer que se alguém observasse um ônibus próximo à velocidade da luz, o comprimento do ônibus pareceria menor e o tempo dentro dele correria mais lentamente em relação ao tempo medido pelo observador. Ao calcular a velocidade da luz, os dois chegariam ao mesmo resultado.

Relatividade Geral

Em sua teoria da Relatividade Geral, Einstein procura avaliar o que acontece em referenciais não inerciais (que possuem aceleração). Ele chega a algumas importantes conclusões:

  • Um referencial que sofre aceleração é equivalente a um referencial submetido a uma força atuando à distância.

Por exemplo, quando um elevador sobe, o passageiro não tem como distinguir se o elevador realmente iniciou o movimento ou se alguma força começa a empurrá-lo para baixo (exceto pelo indicador dos andares).

  • A Força Gravitacional é provocada por uma distorção na relação entre espaço e tempo.

Isso pode ser observado por um corpo em queda que percorre espaços maiores em tempos cada vez menores. Toda massa provoca essa distorção e quanto maior a massa maior a distorção.

As teorias de Einstein revolucionaram a Física e foram sendo comprovadas com experiências e observações. Entre essas observações está o eclipse do sol, visto na cidade de Sobral, no Ceará. Uma estrela posicionada atrás do sol não poderia ser vista, segundo as teorias antigas. Mas se a gravidade distorce o próprio espaço-tempo, até mesmo a luz poderia ser atraída e desviada. Se Einstein estivesse correto, uma estrela escondida atrás do sol seria vista quando ocorresse um elipse total. Ele veio pessoalmente ao Brasil e a prova foi obtida: o astro que deveria estar oculto pelo sol tinha sua luz desviada e foi visto durante o eclipse.

 

 

QUESTÕES DE VESTIBULAR 

01) Considere as afirmações abaixo, acerca da Teoria da Relatividade Restrita.

I – O tempo não é absoluto, uma vez que eventos simultâneos em um referencial inercial poder não ser simultâneos se observados a partir de outro referencial inercial

II – Segundo a lei relativística de adição de velocidades, a soma das velocidades de dois corpos materiais nunca resulta numa velocidade acima da velocidade da luz.

III – As leis da natureza não são as mesmas em todos os sistemas de referência que se movimentam com velocidade uniforme.

 

Quais estão corretas?

a) Apenas I

b) Apenas II

c) Apenas I e II

d) Apenas II e III

e) I, II e II

 

02) Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do texto abaixo, na ordem em que aparecem. De acordo com a relatividade restrita, é ________ atravessarmos o diâmetro da Via Láctea, uma distância de aproximadamente 100 anos-luz (equivalente a 1018 m), em um intervalo de tempo bem menor que 100 anos. Isso pode ser explicado pelo fenômeno de _______ do comprimento, como visto pelo viajante, ou ainda pelo fenômeno de _______ temporal, como observado por quem está em repouso em relação à galáxia.

a) impossível – contração – dilatação

b) possível – dilatação – contração

c) possível – contração – dilatação

d) impossível – dilatação – contração

e) impossível – contração – contração

 

03) Num futuro em que as viagens para o espaço serão frequentes, uma senhora caminha na rua e encontra um homem de uns quarenta anos cuidando carinhosamente de um senhor aparentando ter o dobro da idade dele. Comovida, a senhora pergunta ao mais moço se o idoso é seu avô. O jovem responde que não, é seu irmão gêmeo. Ambos eram produtores de vinho e vendiam o produto para restaurantes espalhados por todo o sistema solar. Um gêmeo cuidava da produção na Terra e o outro, numa espaçonave, fazia as entregas pessoalmente. O fato de o transporte ser feito com velocidades de até noventa e cinco por cento da velocidade da luz ocasionou tal diferença de idade. Essa pequena crônica mostra como os efeitos da relatividade restrita podem se tornar significativos quando atingimos velocidades próximas à velocidade da luz.

Que conclusão podemos tirar sobre o que ocorreu?

a) O gêmeo que ficava na Terra envelheceu menos, porque a dilatação dos comprimentos para ele era compensada pela contração do tempo.

b) O ritmo de tempo foi mais lento para o gêmeo que ficava na Terra, por isso ele envelheceu menos.

c) As distâncias entre os lugares aumentavam para o gêmeo na espaçonave, logo, ele precisava de mais tempo para percorrê-las e, por isso, envelheceu mais.

d) O ritmo de tempo foi mais lento para o gêmeo que viajava, por isso ele envelheceu menos.

e) O gêmeo que viajava envelheceu mais, porque a contração dos comprimentos para ele era compensada pela dilatação do tempo.

 

GABARITO: 01C – 02C – 03D

 

 

QUESTÕES DE VESTIBULAR / FÍSICA MODERNA

01) (UDESC-2016) No contexto histórico da virada do século XIX para o século XX, Lord Kelvin proferiu uma palestra e afirmou que não havia mais muitos pontos obscuros para serem resolvidos pela Física. Destacou que existiam apenas dois problemas: o primeiro referente à não detecção do vento de éter (resultado nulo do experimento de Michelson-Morley), e o segundo, relacionado à partição de energia (emissão e absorção da radiação de corpo negro).

 

Em relação ao avanço na construção de conhecimento em Física, decorrente dos dois problemas apontados por Lord Kelvin, assinale a alternativa correta.

A) Os pontos obscuros apontados por Lord Kelvin não se configuraram em problemas científicos, e foram ignorados pela Ciência.

B) Os problemas sinalizados por Lord Kelvin foram solucionados pela mecânica newtoniana, sendo necessário apenas um refinamento experimental.

C) A Ciência, em particular a Física, não avançou mediante a resolução de problemas e aos pontos obscuros apontados por Lord Kelvin, que retratavam apenas dúvidas pessoais dele próprio.

D) Max Planck foi o único a solucionar os dois problemas apontados por Lord Kelvin e, por isso, Planck é considerado por muitos o “Pai da Mecânica Quântica”.

E) Os pontos obscuros destacados por Lord Kelvin foram determinantes na condução de mudanças radicais na Física, culminando na construção das teorias quânticas e relativísticas.

 

02) (UNICENTRO/PR-2016.1) Leia o texto a seguir.

Introduzimos, aqui, outro meio de extrair elétrons do metal. A luz homogênea, tal como a luz violeta, que é, como sabemos, uma luz de comprimento de onda definido, está colidindo com uma superfície de metal. A luz extrai elétrons do metal. Os elétrons são arrancados do metal e uma chuva deles se desloca com certa velocidade. Do ponto de vista do princípio da energia, podemos dizer: a energia da luz é parcialmente transformada na energia cinética dos elétrons expelidos. A técnica experimental moderna nos permite registrar esses elétrons-bala, determinando sua velocidade e, assim, sua energia.

(Adaptado de: EINSTEIN, A.; INFELD, L. A Evolução da Física. Rio de Janei-ro: Zahar Editora, 2008. p.214.)

De acordo com o texto, assinale a alternativa que apresenta, corretamente, o fenômeno responsável pelo efeito de extrair elétrons da superfície de um metal quando a luz incide sobre ele.

A) Efeito Doppler.

B) Efeito Elétrico.

C) Efeito Magnético.

D) Efeito Fotoelétrico.

E) Efeito Térmico.

 

03) (UNICENTRO/PR-2016) Sobre o modelo atômico de Bohr, considere as afirmativas a seguir.

I. O elétron se movimenta em órbitas circulares em torno do núcleo atômico devido à ação da força de atração gravitacional.

II. O elétron no átomo, ao passar de um estado de maior energia para um outro estado com energia menor, perde energia. A frequência do fóton emitido é independente da frequência do movimento orbital do elétron.

III. Quando o elétron se encontra em uma órbita estável, não há emissão de energia, ou seja, o elétron não irradia.

IV. As órbitas permitidas para os elétrons são aquelas em que o momento angular orbital do elétron é um múltiplo inteiro de h/2π, onde h é a constante de Planck.

 

Assinale a alternativa correta.

A) Somente as afirmativas I e II são corretas.

B) Somente as afirmativas I e IV são corretas.

C) Somente as afirmativas III e IV são corretas.

D) Somente as afirmativas I, II e III são corretas.

E) Somente as afirmativas II, III e IV são corretas.

 

04) UNITAU/SP-2016) Nos trabalhos de Einstein, publicados entre 1905 e 1916, aparece um termo denominado constante relativística, a qual é dada por γ  = 1/√(1 − v2/c2) , onde v é a velocidade de um objeto, por exemplo, um trem, e c é a velocidade da luz no vácuo.

 

É CORRETO afirmar que

A) seja Δt1 o intervalo entre dois eventos físicos quaisquer, medido por um observador em repouso no solo. Seja Δt2o intervalo de tempo entre os mesmos dois eventos, contudo medido por um observador no trem. Sabendo que ∆t1= γ∆t2, podemos dizer que o intervalo de tempo entre os dois eventos foi o mesmo para os dois observadores.

B) seja ∆t1o intervalo entre dois eventos físicos quaisquer, medido por um observador em repouso no solo. Seja ∆t2o intervalo de tempo entre os mesmos dois eventos, contudo medido por um observador no trem. Sabendo que ∆t1  = γ∆t2, podemos dizer que o intervalo de tempo entre os dois eventos depende da medida de c para cada um dos observadores.

C) seja ∆t1o intervalo entre dois eventos físicos quaisquer, medido por um observador em repouso no solo. Seja ∆t2o intervalo de tempo entre os mesmos dois eventos, contudo medido por um observador no trem. Sabendo que ∆t1 = γ∆t2, podemos dizer que o intervalo de tempo entre os dois eventos, medido pelo observador no solo, passou mais lentamente.

D) seja ∆t1o intervalo entre dois eventos físicos quaisquer, medido por um observador em repouso no solo. Seja ∆t2o intervalo de tempo entre os mesmos dois eventos, contudo medido por um observador no trem. Podemos dizer que não é possível comparar a duração do intervalo de tempo entre os dois eventos medidos pelos dois observadores.

E) seja ∆t1o intervalo entre dois eventos físicos quaisquer, medido por um observador em repouso no solo. Seja ∆t2  o intervalo de tempo entre os mesmos dois eventos, contudo medido por um observador no trem. Sabendo que ∆t1  = γ∆t2, podemos dizer que o intervalo de tempo entre os dois eventos, medido pelo observador no trem, passou mais lentamente.

 

05) (UNICENTRO/PR-2016) A Teoria da Relatividade Restrita de Albert Einstein (1879-1955) generaliza a Relatividade de Isaac Newton (1643-1727), na medida em que estendeu os Princípios da Relatividade a toda a Física e não somente à Mecânica Clássica. Para desenvolver a Teoria da Relatividade Restrita, Einstein estabeleceu dois postulados:

  1. Princípio da Isotropia e constância da velocidade da luz.
  2. Princípio da Equivalência.

Em relação a esses dois princípios considere as afirmativas a seguir.

I. A Teoria da Relatividade Restrita afirma que a velocidade da luz no vácuo é uma constante universal.

II. A velocidade da luz no vácuo é independente de qualquer outra condição e do estado de movimento da fonte com respeito ao referencial inercial.

III. Em todos os sistemas inerciais de referência, as leis da Física são as mesmas, logo não existe nenhum referencial preferencial.

IV. O primeiro postulado comprova que os conceitos de espaço absoluto e de tempo absoluto na teoria newtoniana são conceitos válidos também na Teoria da Relatividade Restrita de Einstein.

 

Assinale a alternativa correta.

A) Somente as afirmativas I, II e III são corretas.

B) Somente as afirmativas I, II e IV são corretas.

C) Somente as afirmativas I, III e IV são corretas.

D) Somente as afirmativas II, III e IV são corretas.

E) Somente as afirmativas II está correta.

 

06) (UEPG/PR-2016) Com relação ao efeito fotoelétrico, assinale o que for correto.

01. A energia cinética dos elétrons arrancados do material por um fóton depende da frequência característica do fóton.

02. Einstein, em 1905, propôs um modelo teórico que estava de acordo com as observações experimentais sobre este fenômeno.

04. A função trabalho do material é numericamente igual à energia máxima com que um elétron pode ser arrancado do material.

08. O efeito fotoelétrico é uma comprovação experimental da natureza ondulatória da luz.

 

07) (UFSC-2016) Os Raios X são ondas eletromagnéticas que, por suas características peculiares, começaram a ser utilizados na medicina apenas alguns meses após a sua descoberta. Hoje, suas aplicações são muito mais amplas, pois se estendem de consultórios odontológicos, nos quais são utilizados aparelhos que operam com uma tensão da ordem de 50 kV, até aeroportos.

 

Sobre os Raios X, é CORRETO afirmar que:

01. Foram detectados pela primeira vez em 1895, pelo cientista alemão Röntgen, quando trabalhava com um tubo de raios catódicos.

02. Receberam este nome porque formavam um X quando eram detectados.

04. Como eles têm pouco poder de penetração, para que um operador de máquina de Raios X tenha proteção adequada é suficiente que fique atrás de uma fina barreira de madeira.

08. Um dos efeitos biológicos possíveis da exposição aos Raios X é a morte celular.

16. Permanecem no corpo humano, criando um efeito cumulativo, incrementado a cada nova exposição.

 

08) (UFSC-2016) Em 6 de novembro de 2014, estreava no Brasil o filme de ficção científica Interestelar, que abordou, em sua trama, aspectos de Física Moderna. Um dos fenômenos mostrados no filme foi a dilatação temporal, já prevista na Teoria da Relatividade de Albert Einstein.  Além da relatividade, Einstein explicou o Efeito Fotoelétrico, que lhe rendeu o prêmio Nobel de 1921.

 

Sobre os fenômenos referidos acima, é CORRETO afirmar que:

01. O Efeito Fotoelétrico foi explicado atribuindo-se à luz o comportamento corpuscular.

02. A alteração da potência de uma radiação que provoca o Efeito Fotoelétrico altera a energia cinética dos elétrons arrancados e não o número de elétrons.

04. De acordo com a Teoria da Relatividade, as leis da Física são as mesmas para qualquer referencial inercial.

08. De acordo com a Teoria da Relatividade, a velocidade da luz no vácuo é uma constante universal, é a mesma em todos os sistemas inerciais de referência e não depende do movimento da fonte de luz

 

09) (SENAI/SP-2016) Em 1929, o astrônomo americano Edwin P. Hubble demonstrou que as galáxias estão se afastando uma das outras e que as galáxias mais distantes se afastam mais rapidamente que as mais próximas.

Essa demonstração tornou-se a base para a explicação cosmológica que considera que o Universo

A) é estático.

B) está encolhendo.

C) está se expandindo.

D) sempre existiu.

E) está desaparecendo.

 

10) (UEM/PR-2016) Em 1905, Albert Einstein propôs mudanças no estudo do movimento relativo entre corpos. A proposta de Einstein ficou conhecida como a Teoria da Relatividade Especial. Sobre a Teoria da

Relatividade Especial de Einstein é correto afirmar que:

01. As leis da física mudam quando se muda o referencial inercial.

02. A velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor em todos os referenciais inerciais. Não depende do movimento da fonte de luz e tem igual valor em todas as direções.

04. A massa de um corpo é constante, independente da velocidade desse corpo.

08. A energia total (E, em Joules) de um corpo de massa (m, em quilogramas) é o produto de sua massa pelo quadrado da velocidade da luz no vácuo (c, em metros por segundo), ou seja,

E = mc2.

16. Na natureza não podem ocorrer interações com velocidade menor do que a velocidade da luz.

 

11) (UEG/GO-2016) Recentemente, os noticiários divulgaram a descoberta de ondas gravitacionais, previstas teoricamente por Albert Einstein.

Essa descoberta reforça a teoria

A) da radiação de corpo negro.

B) do efeito fotoelétrico.

C) do efeito Compton.

D) da relatividade.

E) das cordas.

 

12) (PUC/RS-2016)

INSTRUÇÃO: Para responder à questão 10, analise as afirmativas abaixo, referentes ao efeito fotoelétrico.

I. A frequência mínima da radiação incidente para que o efeito fotoelétrico seja observado depende da constituição química do material.

II. A energia de cada fotoelétron ejetado no processo depende da intensidade da radiação incidente.

III. A quantidade de fotoelétrons ejetados no processo depende da intensidade da radiação eletromagnética incidente.

 

Está/Estão correta(s) a(s) afirmativa(s)

A) I, apenas.

B) II, apenas.

C) I e III, apenas.

D) II e III, apenas.

E) I, II e II

 

13) (UNICEUB/DF-2016) Sobre os efeitos de uma maior atividade solar (as tempestades solares) sobre a Terra, podemos destacar:

I - Auroras boreais mais frequentes.

II - Interferências em rádio transmissões.

III - Em casos extremos, possíveis apagões em redes elétricas.

 

Podemos dizer que

A) somente as afirmações I e II estão corretas.

B) somente as afirmações I e III estão corretas.

C) somente as afirmações II e III estão corretas.

D) somente a afirmação III está correta.

E) todas as afirmações estão corretas.

 

GABARITO:

01E – 02D – 03E – 04E – 05A – 06[3 = (01+02)] – 07[(9 = 01+08)] – 08[13 = (01+04+08)] – 09C – 10[10 =(02+08)] – 11D – 12C – 13E.

 

 

EXERCÍCIOS - EFEITO FOTOELÉTRICO 

01) (UFRS-RS) Assinale a alternativa que preenche corretamente a lacuna do parágrafo abaixo. O ano de 1900 pode ser considerado o marco inicial de uma revolução ocorrida na Física do século XX. Naquele ano, Max Planck apresentou um artigo à Sociedade Alemã de Física, introduzindo a idéia da ………. da energia, da qual Einstein se valeu para, em 1905, desenvolver sua teoria sobre o efeito fotoelétrico.

a) conservação                       

b) quantização                       

c) transformação                    

d) conversão                      

e) propagação

 

02) (UFRGS) Selecione a alternativa que apresenta as palavras que completam corretamente as lacunas, pela ordem, no seguinte texto relacionado com o efeito fotoelétrico.

O efeito fotoelétrico, isto é, a emissão de ….. por metais sob a ação da luz, é um experimento dentro de um contexto físico extremamente rico, incluindo a oportunidade de pensar sobre o funcionamento do equipamento que leva à evidência experimental relacionada com a emissão e a energia dessas partículas, bem como a oportunidade de entender a inadequacidade da visão clássica do fenômeno. Em 1905, ao analisar esse efeito, Einstein fez a suposição revolucionária de que a luz, até então considerada como um fenômeno ondulatório, poderia também ser concebida como constituída por conteúdos energéticos que obedecem a uma distribuição ….. , os quanta de luz, mais tarde denominados ….. .

 

a) fótons – contínua – fótons      

b) fótons – contínua – elétrons      

c) elétrons – contínua – fótons      

d) elétrons – discreta – elétrons

e) elétrons – discreta – fótons

 

03) (UFLA-MG) A musica de Gilberto Gil fala do átomo, das partículas subatômicas e algumas de suas Características.

Segundo a evolução dos modelos atômicos e os conceitos de estrutura atômica, assinale a alternativa CORRETA.

a) O elétron possui carga negativa (–1,602.10-19 C) e sua massa e tão pequena que não pode ser medida.

b) Segundo Planck, a energia só pode ser emitida ou absorvida pelos átomos em pacotinhos. Cada pacotinho contem certa quantidade de energia.

c) Diferentemente dos elétrons e dos prótons, os nêutrons não possuem carga e tem massa cerca de 10.000 vezes maior que a do próton.

d) De acordo com a física moderna, a radiação eletromagnética é uma partícula e não uma onda.

 

 04) (UDESC-SC)  Foi determinado experimentalmente que, quando se incide luz sobre uma superfície metálica, essa superfície emite elétrons. Esse fenômeno é conhecido como efeito fotoelétrico e foi explicado em 1905 por Albert Einstein, que ganhou em 1921 o Prêmio Nobel de Física, em decorrência desse trabalho.

Durante a realização dos experimentos desenvolvidos para compreender esse efeito, foi observado que:

I. os elétrons eram emitidos imediatamente. Não havia atraso de tempo entre a incidência da luz e a emissão dos elétrons.

II. quando se aumentava a intensidade da luz incidente, o número de elétrons emitidos aumentava, mas não sua energia cinética.

III. a energia cinética do elétron emitido é dada pela equação Ec = mv²/2 = hf – W, em que o termo hf é a energia cedida ao elétron pela luz, sendo h a constante de Planck e f a frequência da luz incidente. O termo W é a energia que o elétron tem que adquirir para poder sair do material, e é chamado função trabalho do metal.

 

Considere as seguintes afirmativas:

I – Os elétrons com energia cinética zero adquiriram energia suficiente para serem arrancados do metal.

II – Assim como a intensidade da luz incidente não influencia a energia dos elétrons emitidos, a freqüência da luz incidente também não modifica a energia dos elétrons.

III – O metal precisa ser aquecido por certo tempo, para que ocorra o efeito fotoelétrico.

Assinale a alternativa correta.

a) Somente a afirmativa II é verdadeira                                         

b) Todas as afirmativas são verdadeiras

c) Somente as afirmativas I e II são verdadeiras                            

d) Somente a afirmativa III é verdadeira

e) Somente a afirmativa I é verdadeira.        

 

05) (UNEB-BA) De acordo com o físico Max Planck, que introduziu o conceito de energia quantizada, a luz, elemento imprescindível para manutenção da vida na Terra, como toda radiação eletromagnética, é constituída por pacotes de energia denominados:

01) bárions.                    

02) dipolos.                          

03) íons.                     

04) pulsos.                     

05) fótons.

 

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

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.
c) à onda Z estão associados os fótons de maior energia e de menor quantidade de movimento linear.
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.

 

07) (UEG-GO) A figura abaixo descreve o efeito fotoelétrico.

Esse experimento contribuiu para a descoberta da

a) dualidade onda-partícula da luz.

b) energia de ionização dos metais.

c) emissão continua de radiação por um corpo aquecido.         

d) descrição da ligação química entre elementos metálicos.

 

08) (UNIMONTES-MG) O efeito fotoelétrico ocorre quando uma radiação eletromagnética, por exemplo, a ultravioleta, incide sobre uma placa metálica, provocando a emissão de elétrons por essa placa, como mostra a figura a seguir.

Esse efeito tem aplicações importantes em sistemas como alarmes, portões eletrônicos, etc. O efeito fotoelétrico foi também utilizado por Bohr para propor seus postulados. Relacionando tal efeito com o modelo atômico proposto por Bohr, é INCORRETO afirmar que:

a) o elétron deve receber uma energia mínima suficiente para sua emissão da placa metálica.

b) a emissão de elétrons que estiverem mais próximos do núcleo requer radiação mais energética.

c) a quantidade de energia, para que ocorra o efeito fotoelétrico, é a mesma para qualquer metal.

d) a radiação absorvida, em parte, e convertida em energia cinética pelo elétron que foi emitido.

 

09) (UFMG-MG) Para se produzirem fogos de artifício de diferentes cores, misturam-se diferentes compostos químicos à pólvora. Os compostos à base de sódio produzem luz amarela e os à base de bário, luz verde.

Sabe-se que a frequência da luz amarela é menor que a da verde. Sejam ENa, e EBa as diferenças de energia entre os níveis de energia envolvidos na emissão de luz pelos átomos de sódio e de bário, respectivamente, e vNa e vBa as velocidades dos fótons emitidos, também respectivamente.
Assim sendo, é correto afirmar que:

a) ENa < EBa e vNa = vBa     

b) ENa < EBa e vNa vBa     

c) ENa > EBa e vNa = vBa     

d) ENa> EBa e vNa vBa

 

10) (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               

c) descontínua – fótons – frequência

d) contínua – elétrons – intensidade         

e) contínua – nêutrons – amplitude

 

11) (PUC-MG) O efeito fotoelétrico é um fenômeno pelo qual:

a) elétrons são arrancados de certas superfícies quando há incidência de luz sobre elas.  

b) as lâmpadas incandescentes comuns emitem um brilho forte.
c) as correntes elétricas podem emitir luz.
d) as correntes elétricas podem ser fotografadas.
e) a fissão nuclear pode ser explicada.

 

 12) (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.

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

a) 1 – 2                     

b) 1 – 3                        

c) 2 – 1                         

d) 2 – 3                         

e) 3 – 1

 

13) (UNIMONTES-MG) No efeito fotoelétrico, elétrons são ejetados de uma superfície metálica, através da incidência de luz sobre ela. A equação de Einstein para o efeito fotoelétrico, baseada na hipótese do fóton, é hf = φ + Km  em que hf é a energia do fóton absorvido pelo elétron na superfície do metal. A função trabalho φ é a energia necessária para se remover esse elétron do metal, e Km a energia cinética máxima do elétron fora da superfície. Para frear o elétron ejetado da superfície, é necessário um potencial elétrico Vo, de modo que Km= eVo, sendo e a carga do elétron. Em termos de Vo, a equação de Einstein fica na forma Vo = (h/e)f  – (φ/e).

Abaixo, temos um gráfico Vo x f , para diversos experimentos realizados (os pontos pretos são obtidos de experimentos), e também um trecho de reta, contínuo, que representa a função Vo ( f ) da teoria de Einstein.

Com base nas informações do texto e no gráfico, é CORRETO afirmar que

a) os elétrons, no efeito fotoelétrico, são ejetados da superfície metálica, a partir de uma certa intensidade da luz incidente.

b) a energia cinética máxima do elétron ejetado é igual a hf, mesma energia do fóton incidente.

c) os elétrons, no efeito fotoelétrico, são ejetados da superfície metálica, a partir de uma determinada frequência da luz incidente.

d) a energia cinética máxima do elétron ejetado é igual a φ, mesma energia necessária para remover o elétron do metal.

 

14) (UFMG-MG) Utilizando um controlador, André aumenta a intensidade da luz emitida por uma lâmpada de cor vermelha, sem que esta cor se altere.

Com base nessas informações, é CORRETO afirmar que a intensidade da luz aumenta porque

a) a freqüência da luz emitida pela lâmpada aumenta.

b) o comprimento de onda da luz emitida pela lâmpada aumenta.

c) a energia de cada fóton emitido pela lâmpada aumenta.

d) o número de fótons emitidos pela lâmpada, a cada segundo, aumenta.

 

15) (UFMG-MG) Em alguns laboratórios de pesquisa, são produzidas antipartículas de partículas fundamentais da natureza. Cite-se, como exemplo, a antipartícula do elétron – o pósitron -, que tem a mesma massa que o elétron e carga de mesmo módulo, porém positiva. Quando um pósitron e um elétron interagem, ambos podem desaparecer, produzindo dois fótons de mesma energia. Esse fenômeno é chamado de aniquilação.

Com base nessas informações,

a) EXPLIQUE o que acontece com a massa do elétron e com a do pósitron no processo de aniquilação. Considere que tanto o elétron quanto o pósitron estão em repouso.

b) CALCULE a frequência dos fótons produzidos no processo de aniquilação.

Dado que a massa do elétron é 9,1.10-31kg, a velocidade da luz no vácuo é 3.108m/s e a constante de Planck é 6,6.10-34J.s.

 

16) (UFRGS-RS) Considere as seguintes afirmações sobre o efeito fotoelétrico.

I. O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons por uma superfície metálica atingida por radiação eletromagnética.
II. O efeito fotoelétrico pode ser explicado satisfatoriamente com a adoção de um modelo corpuscular para a luz.
III. Uma superfície metálica fotossensível somente emite fotoelétrons quando a freqüência da luz incidente nessa superfície excede um certo valor mínimo, que depende do metal.

Quais estão corretas?

a) apenas I.                 

b) apenas II.                 

c) apenas I e II.                  

d) apenas I e III.                

e) I, II e III.


17) (UFSC) Assinale a(s) proposição(ões) correta(s):

01) a luz, em certas interações com a matéria, comporta-se como uma onda eletromagnética; em outras interações ela se comporta como partícula, como os fótons no efeito fotoelétrico.
02) a difração e a interferência são fenômenos que somente podem ser explicados satisfatoriamente por meio do comportamento ondulatório da luz.
04) o efeito fotoelétrico somente pode ser explicado satisfatoriamente quando consideramos a luz formada por partículas, os fótons.
08) o efeito fotoelétrico é conseqüência do comportamento ondulatório da luz.
16) devido à alta freqüência da luz violeta, o “fóton violeta” é mais energético do que o “fóton vermelho”.

Dê como resposta a soma das alternativas corretas.

 

18) (UFPA-PA) Um acelerador de partículas é a principal ferramenta usada pelos cientistas para pesquisas em física de altas energias.

No maior acelerador linear do mundo, localizado em Stanford, elétrons podem ser acelerados até uma energia da ordem de 50GeV (1 GeV =109 eV ). Com essa energia, o comprimento de onda de De Broglie associado ao elétron vale 25 .10-18 m.

O gráfico representado a seguir mostra como a velocidade v do elétron varia com o tempo t nesse acelerador:

a) Qual é o significado físico da ordenada A mostrada no gráfico? Qual o seu valor numérico no sistema internacional?

b) Qual o valor da quantidade de movimento (momento linear) do elétron mais energético produzido em Stanford?

Considere a constante de Planck igual a 6,6 . 10-34 J.s.

 

19) (UEL-PR) Alguns semicondutores emissores de luz, mais conhecidos como LEDs, estão sendo introduzidos na sinalização de trânsito das principais cidades do mundo. Isto se deve ao tempo de vida muito maior e ao baixo consumo de energia elétrica dos LEDs em comparação com as lâmpadas incandescentes, que têm sido utilizadas para esse fim. A luz emitida por um semicondutor é proveniente de um processo físico, onde um elétron excitado para a banda de condução do semicondutor decai para a banda de valência, emitindo um fóton de energia E=hν. Nesta relação, h é a constante de Planck, v é a freqüência da luz emitida (ν=c / λ, onde c é a velocidade da luz e λ o seu comprimento de onda), e E equivale à diferença em energia entre o fundo da banda de condução e o topo da banda de valência, conhecida como energia de “gap” do semicondutor.

Com base nessas informações e no conhecimento sobre o espectro eletromagnético, é correto afirmar:

a) A energia de “gap” de um semicondutor será maior quanto maior for o comprimento de onda da luz emitida por ele.

b) Para que um semicondutor emita luz verde, ele deve ter uma energia de “gap” maior que um semicondutor que emite luz vermelha.

c) O semicondutor que emite luz vermelha tem uma energia de “gap” cujo valor é intermediário às energias de “gap” dos semicondutores que emitem luz verde e amarela.

d) A energia de “gap” de um semicondutor será menor quanto menor for o comprimento de onda da luz emitida por ele.

e) O semicondutor emissor de luz amarela tem energia de “gap” menor que o semicondutor emissor de luz vermelha.

 

20) (UFES) Sabendo que uma lâmpada de vapor de sódio emite preferencialmente luz na cor laranja-amarelada, λ = 600 nm, pode-se afirmar que um fóton emitido por essa lâmpada apresenta uma energia de

Dados: h = 6,6.10-34 J.s; c = 3 × 108 m/s; 1nm = 10-9m

a) 1,1 .10-39 J.                  

b) 2,2.10-29                        

c) 3,3 .10-19 J.                  

d) 4,4 .10-9 J.                   

e) 5,5 .1019 J

 

21) (UFC) Quanto ao número de fótons existentes em 1 joule de luz verde, 1 joule de luz vermelha e 1 joule de luz azul, podemos afirmar, corretamente, que:

a) existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz vermelha e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul.

b) existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz verde e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul.

c) existem mais fótons em 1 joule de luz azul que em 1 joule de verde e existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz azul.

d) existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz azul e existem mais fótons em 1 joule de luz verde que em 1 joule de luz vermelha.

e) existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule de luz azul e existem mais fótons em 1 joule de luz azul que em 1 joule de luz verde.

 

22) (ENEM-MEC) O efeito fotoelétrico contrariou as previsões teóricas da física clássica porque mostrou que a energia cinética máxima dos elétrons, emitidos por uma placa metálica iluminada, depende:

a) exclusivamente da amplitude da radiação incidente.
b) da freqüência e não do comprimento de onda da radiação incidente.
c) da amplitude e não do comprimento de onda da radiação incidente.
d) do comprimento de onda e não da freqüência da radiação incidente.
e) da freqüência e não da amplitude da radiação incidente.

 

23) (ITA-SP) Num experimento que usa o efeito fotoelétrico, ilumina-se sucessivamente a superfície de um metal com luz de dois comprimentos de onda diferentes, λ1 e λ2, respectivamente. Sabe-se que as velocidades máximas dos fotoelétrons emitidos são, respectivamente, v1 e v2‚ em que v1 = 2 v2 . Designando c a velocidade da luz no vácuo, e h constante de Planck, pode-se, então, afirmar que a função trabalho φ do metal é dada por:

 

 

24) (UFSM-RS) A luz, segundo a física moderna, apresenta caráter dual, ou seja, em certos fenômenos, manifesta comportamento de partícula e, em outros, de onda.

Complete a coluna 2 de acordo com a coluna 1, segundo o comportamento da luz.A sequência CORRETAé

a) 1 – 2 – 2 – 2.                 

b) 1 – 1 – 2 – 2.               

c) 1 – 1 – 1 – 2.               

d) 2 – 2 – 1 – 1.                  

e) 2 – 1 – 1 – 1.

 

25) (UEPB-PB) A descoberta do efeito fotoelétrico e sua explicação pelo físico Albert Einstein, em 1905, teve grande importância para a compreensão mais profunda da natureza da luz. No efeito fotoelétrico, os fotoelétrons são emitidos, de um cátodo C, com energia cinética que depende da freqüência da luz incidente e são coletados pelo ânodo A, formando a corrente I mostrada.

Atualmente, alguns aparelhos funcionam com base nesse efeito e um exemplo muito comum é a fotocélula utilizada na construção de circuitos elétricos para ligar/desligar as lâmpadas dos postes de rua.

Considere que em um circuito foi construído conforme a figura e que o cátodo é feito de um material com função trabalho W= 3,0 eV (elétron-volt). Se um feixe de luz incide sobre C, então o valor de freqüência f da luz para que sejam, sem qualquer outro efeito, emitidos fotoelétrons com energia cinética máxima Ec = 3,6 eV, em hertz, vale:

Dados: h = 6,6.10-34J.s  —  1 eV = 1,6.10-19J

a) 1,6.1015.                  

b) 3,0.1015.                   

c) 3,6.1015.                   

d) 6,6.1015.                    

e) 3,2.10.

 

26) (UFSC-SC) Assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S):

(01) Devido à alta freqüência da luz violeta, o “fóton violeta” é mais energético do que o “fóton vermelho”.

(02) A difração e a interferência são fenômenos que somente podem ser explicados satisfatoriamente por meio do comportamento ondulatório da luz.

(04) O efeito fotoelétrico somente pode ser explicado satisfatoriamente quando consideramos a luz formada por partículas, os fótons.

(08) A luz, em certas interações com a matéria, comporta-se como uma onda eletromagnética; em outras interações ela se comporta como partícula, como os fótons no efeito fotoelétrico.

(16) O efeito fotoelétrico é conseqüência do comportamento ondulatório da luz.

 

27) (PUC-RS) A energia de um fóton é diretamente proporcional a sua freqüência, com a constante de Plank, h, sendo o fator de proporcionalidade. Por outro lado, pode-se associar massa a um fóton, uma vez que ele apresenta energia (E = mc2 ) e quantidade de movimento. Assim, a quantidade de movimento de um fóton de freqüência f propagando-se com velocidade c se expressa como:

a) c2/hf.                        

b) hf/c2.                         

c) hf/c.                        

d) c/hf.                       

e) cf/h.

 

28) (UFRN) Bárbara ficou encantada com a maneira de Natasha explicar a dualidade onda-partícula, apresentada nos textos de Física Moderna. Natasha fez uma analogia com o processo de percepção de imagens, apresentando uma explicação baseada numa figura muito utilizada pelos psicólogos da Gestalt. Seus esclarecimentos e a figura ilustrativa são reproduzidos a seguir:

Figura citada por Natasha, na qual dois perfis formam um cálice e vice-versa.

A minha imagem preferida sobre o comportamento dual da luz é o desenho de um cálice feito por dois perfis. Qual a realidade que percebemos na figura? Podemos ver um cálice ou dois perfis, dependendo de quem consideramos como figura e qual consideraremos como fundo, mas não podemos ver ambos simultaneamente. É um exemplo perfeito de realidade criada pelo observador, em que nós decidimos o que vamos observar. A luz se comporta de forma análoga, pois, dependendo do tipo de experiência (“fundo”), revela sua natureza de onda ou sua natureza de partícula, sempre escondendo uma quando a outra é mostrada.

Diante das explicações acima, é correto afirmar que Natasha estava ilustrando, com o comportamento da luz, o que os físicos chamam de princípio da:

a) incerteza de Heisenberg.                  

b) complementaridade de Bohr.                     

c) superposição.                 

d) relatividade.

 

29) (UEL-PR)

I – A cor é uma característica somente da luz absorvida pelos objetos.

II – Um corpo negro ideal absorve toda a luz incidente, não refletindo nenhuma onda eletromagnética.

III – A frequência de uma determinada cor (radiação eletromagnética) é sempre a mesma.

IV – A luz ultravioleta tem energia maior do que a luz infravermelha.

 

Assinale a alternativa CORRETA.

a) Somente as afirmativas I e II são corretas.                                

b) Somente as afirmativas I e III são corretas.

c) Somente as afirmativas II e IV são corretas.                             

d) Somente as afirmativas I, III e IV são corretas.

e) Somente as afirmativas II, III e IV são corretas.

 

30) (ITA-SP)  Um feixe de laser com energia E incide sobre um espelho de massa m dependurado por um fio. Sabendo que o momentum do feixe de luz laser é E/c, em que c é a velocidade da luz, calcule a que altura h o espelho subirá.

 

31) (UEG-GO)  Leia a tirinha a seguir.

Para validar a proposta do analista, ocorrência da dualidade onda-partícula, o senhor Fóton deve ser capaz de sofrer

a) interferência e refração.                   

b) interferência e polarização.                           

c) difração e efeito fotoelétrico.                                         

d) efeitos fotoelétrico e Compton. 

 

32) (UFPE-PE) O césio metálico tem uma função trabalho (potencial de superfície) de 1,8 eV.

Qual a energia cinética máxima dos elétrons, em eV, que escapam da superfície do metal quando ele é iluminado com luz ultravioleta de comprimento de onda igual a 327 nm?

Considere: 1eV=1,6.10-19J; h=6,63.10-34J.s e C=3,0.108m/s

 

33) (UFG-GO) As portas automáticas, geralmente usadas para dividir ambientes, com climatização, do meio externo, usam células fotoelétricas, cujo princípio de funcionamento baseia-se no efeito fotoelétrico, que rendeu ao físico Albert Einstein o Prêmio Nobel de 1921, por sua explicação de 1905.

No experimento para observação desse efeito, incide-se um feixe de luz sobre uma superfície metálica polida, localizada em uma região sob uma diferença de potencial V, conforme a figura, e mede-se o potencial freador que faz cessar a corrente entre os eletrodos, sendo este o Potencial Limite.

O gráfico representa a dependência entre o Potencial Limite e a frequência da luz incidente sobre a superfície de uma amostra de níquel.

 

Tendo em vista o exposto, responda:

a) Qual é a menor frequência da luz, em Hertz, que consegue arrancar elétrons da superfície do metal?

b) Para o potencial de 1,5 V, qual é a energia cinética (em Joules) do elétron ejetado da superfície do metal?

 

34) (UFMG-MG) Um estudante de Física adquiriu duas fontes de luz laser com as seguintes especificações para a luz emitida:

Sabe-se que a fonte I emite NI fótons por segundo, cada um com energia EI; e que a fonte II emite NII fótons por segundo, cada um com energia E II. Considerando-se essas informações, é CORRETO afirmar que

a) NI < NII e EI = EII.                      

b) NI < NII e EI < EII.                      

c) NI = NII e EI < EII.                      

d) NI = NII e EI = EII.

 

35) UFES-ES) O comprimento de onda do fóton com energia de 6.600 eV é de:

a) 4,80.10-48 m                      

b) 3,00.10-32 m                        

c) 3,00.10-29m                     

d) 1,87.10-13 m                 

e) 1,87.10-10 m

 

36) (UNICAMP-SP)  A Física de Partículas nasceu com a descoberta do elétron, em 1897. Em seguida foram descobertos o  próton, o nêutron e várias outras partículas, dentre elas o píon, em 1947, com a participação do brasileiro César Lattes.

a) Num experimento similar ao que levou à descoberta do nêutron, em 1932, um nêutron de massa m desconhecida e velocidade vo=4.107 m/s colide frontalmente com um átomo de nitrogênio de massa M=14 u (unidade de massa atômica) que se encontra em repouso. Após a colisão, o nêutron retorna com velocidade v’ e o átomo de nitrogênio adquire uma velocidade V=5.106 m/s. Em consequência da conservação da energia cinética, a velocidade de afastamento das partículas é igual à velocidade de aproximação. Qual é a massa m, em unidades de massa atômica, encontrada para o nêutron no experimento?

b) O Grande “Colisor” de Hádrons (“Large Hadron Collider-LHC”) é um acelerador de partículas que tem, entre outros propósitos, o de detectar uma partícula, prevista teoricamente, chamada bóson de Higgs. Para esse fim, um próton com energia de E=7.1012eV colide frontalmente com outro próton de mesma energia produzindo muitas partículas. O comprimento de onda (λ) de uma partícula fornece o tamanho típico que pode ser observado quando a partícula interage com outra. No caso dos prótons do LHC, E=hc/λ , onde h=4.10-15 e.V.s, e c=3.108 m/s. Qual é o comprimento de onda dos prótons do LHC?

 

37) (UEL-PR) A faixa de radiação eletromagnética perceptível dos seres humano está compreendida entre o intervalo de 400 nm a 700 nm.

Considere as afirmativas a seguir.

I – A cor é uma característica somente da luz absorvida pelos objetos.

II – Um corpo negro ideal absorve toda a luz incidente, não refletindo nenhuma onda eletromagnética.

III – A frequência de uma determinada cor (radiação eletromagnética) é sempre a mesma.

IV – A luz ultravioleta tem energia maior do que a luz infravermelha.

Assinale a alternativa CORRETA.

a)  Somente as afirmativas I e II são corretas.                                           

b)  Somente as afirmativas I e III são corretas. 

c)  Somente as afirmativas II e IV são corretas.                                        

d)  Somente as afirmativas I, III e IV são corretas. 

e)  Somente as afirmativas II, III e IV são corretas. 

 

 38) (UDESC-SC)  Analise as afirmativas abaixo, relativas à explicação do efeito fotoelétrico, tendo como base o modelo corpuscular da luz.

I – A energia dos fótons da luz incidente é transferida para os elétrons no metal de forma quantizada.

II – A energia cinética máxima dos elétrons emitidos de uma superfície metálica depende apenas da frequência da luz incidente e da função trabalho do metal.

III – Em uma superfície metálica, elétrons devem ser ejetados independentemente da frequência da luz incidente, desde que a intensidade seja alta o suficiente, pois está sendo transferida energia ao metal.

Assinale a alternativa correta.

a) somente a afirmativa II é verdadeira                                               

b) somente as afirmativas I e III são verdadeiras

c) somente as afirmativas I e II são verdadeiras                                  

d) somente a afirmativa III é verdadeira

e) todas as afirmativas são verdadeiras

 

39) (UFOPA-PA)  Em um aparelho de TV de tubos catódicos, a imagem é formada quando elétrons produzidos por um filamento que existe no tubo atingem uma tela e são completamente freados.

Calcule a ordem de grandeza da frequência da radiação emitida por um elétron quando esse atinge a tela, admitindo que o elétron deixa o tubo com uma velocidade igual a 10 % da velocidade da luz.

- Massa do elétron m = 9,11 x 10-31 kg;

- Velocidade da luz no vácuo c = 3,0 x 108 m/s

- Constante de Planck h = 6,62.10-34 J.s

 

40) (UFU-MG)  A descoberta da quantização da energia completou 100 anos em 2000. Tal descoberta possibilitou a construção dos dispositivos semicondutores que formam a base do funcionamento dos dispositivos opto-eletrônicos do mundo atual. Hoje, sabe-se que uma radiação monocromática é constituída de fótons com energias dadas por E = hf, onde h6 x 10-34 j.s e f é a frequência da radiação.

Se uma radiação monocromática visível, de comprimento de onda λ = 6.10-7 m, incide do ar (n = 1) para um meio transparente X de índice de refração desconhecido, formando ângulos de incidência e de refração iguais a 45º e 30º, respectivamente, determine:

a) A energia dos fótons que constituem tal radiação visível.

b) O índice de refração do meio transparente X.

c) A velocidade de propagação dessa radiação no interior do meio transparente X. 

 

41) (UFPR-PR) Entre as inovações da Física que surgiram no início do século XX, uma foi o estabelecimento da teoria _______, que procurou explicar o surpreendente resultado apresentado pela radiação e pela matéria conhecido como dualidade entre _______ e ondas.

Assim, quando se faz um feixe de elétrons passar por uma fenda de largura micrométrica, o efeito observado é o comportamento _______ da matéria, e quando fazemos um feixe de luz incidir sobre uma placa metálica, o efeito observado pode ser explicado considerando a luz como um feixe de _______.

Assinale a alternativa que apresenta a sequência correta de palavras para o preenchimento das lacunas nas frases acima.

a) Relativística – partículas – ondulatório – partículas.                      

b) Atomística – radiação – rígido – ondas.

c) Quântica – partículas – ondulatório – partículas.                           

d) Relativística – radiação – caótico – ondas.

e) Quântica – partículas – ondulatório – ondas.

 

42) (UFPE-PE) Quando um feixe de luz de comprimento de onda 4,0.10-7 m (Efóton = 3,0 eV) incide sobre a superfície de um metal, os fotoelétrons mais energéticos têm energia cinética igual a 2,0 eV. Suponha que o comprimento de onda dos fótons incidentes seja reduzido à metade.

Qual será a energia cinética máxima dos fotoelétrons, em eV?

 

43) (UFG-GO) Antipartículas, raras na natureza, possuem carga elétrica oposta à de suas partículas correspondentes. Se encontrássemos uma fonte de antipartículas, poderíamos produzir uma grande quantidade de energia, permitindo que elas se  aniquilassem com suas partículas.

Dessa forma, calcule:

a) a quantidade de energia que seria liberada se 2,0 gramas de antimatéria fossem aniquiladas com 2,0 gramas de sua matéria (considere a velocidade da luz igual a 3.108m/s);    

b) por quanto tempo essa energia abasteceria uma cidade com um milhão de habitantes, considerando que uma pessoa consome, em média, 100 kwh por mês.

 

44) (ACAFE-SC) A Historia da Ciência tem sido marcada pela presença de grandes contribuições que provocaram “revoluções” e mudaram a maneira de pensar o mundo e também a descrição dos fenômenos que nos cercam, bem como aqueles.

Observe as informações das três colunas.

Em níveis atômicos. As relações corretas com a sequência Autor, Contribuição e Fenômeno estão na alternativa:

a) (I – b – F3), (II – a – F4), (III – c – F2) e (IV – d – F1).                   

b)  (I – b – F3), (II – c – F4), (III – a – F2) e (IV – d – F2).

c) (I – d – F3), (II – c – F4), (III – a – F2) e (IV – b – F2).                   

d) (I – d – F3), (II – a – F4), (III – c – F2) e (IV – a – F2).

 

45) (ITA-SP)  O olho humano é uma câmara com um pequeno diafragma de entrada (pupila), uma lente (cristalino) e uma superfície fotossensível (retina).

Chegando à retina, os fótons produzem impulsos elétricos que são conduzidos pelo nervo ótico até o cérebro, onde são decodificados.

Quando devidamente acostumada à obscuridade, a pupila se dilata até um raio de 3 mm e o olho pode ser sensibilizado por apenas 400 fótons por segundo. Numa noite muito escura, duas fontes monocromáticas, ambas com potência de 6 ×10–5 W, emitem, respectivamente, luz azul (λ = 475 nm) e vermelha (λ = 650 nm) isotropicamente, isto é, em todas as direções. Desprezando a absorção de luz pelo ar e considerando a área da pupila circular, qual das duas fontes pode ser vista a uma maior distância?

Justifique com cálculos.

 

46) (UFBA-BA) A vida moderna não poderia oferecer muitos dos serviços sem o uso do laser. Esse feixe de luz concentrada, que se propaga em uma mesma direção, por meio de ondas de comprimento idêntico, com suas múltiplas funções, é, sem dúvida, a invenção mais impactante do mundo moderno.

Na medicina, ele corta (com muita precisão e pouco sangue) músculos, pele e ossos e é a principal indicação para 95% das terapias antienvelhecimento — da remoção de manchas ao aumento da produção de colágeno. Estimula a renovação celular e pode ser capaz até de diagnosticar lesões na retina. Charles Campbell (1926-2007), oftalmologista norte americano, utilizou-o pela primeira vez em 1961 para eliminar um tumor maligno da retina de um paciente. Desde os anos 50, os médicos empregavam a luz solar para queimar lesões na retina. Com uma lente, eles convergiam os raios de sol diretamente para o olho do doente.

Hoje, graças à exatidão dos cortes a laser, 95% dos pacientes deixam de usar óculos depois de uma operação de miopia. Para se ter uma ideia da tecnologia dos aparelhos empregados nesse tipo de cirurgia, os feixes de luz que eles emitem têm a duração de cerca de 10 femtossegundos, sendo um femtossegundo equivalente a 1 segundo dividido por 1 quatrilhão.

(LOPES, 2010, p. 68-75).

Considerando-se essas informações e os conhecimentos das Ciências Naturais a elas associados, é correto afirmar:

01) Os átomos têm a capacidade de emitir luz no exato momento em que elétrons saltam de camadas mais internas para outras mais externas da eletrosfera atômica. 

02) Os médicos utilizavam lentes de borda grossa com o índice de refração maior que o do ar, de modo a convergir os raios de sol diretamente para o olho do paciente. 

04) Os aparelhos empregados na cirurgia de miopia a laser emitem feixes de luz cuja duração é da ordem de 10-14 segundos. 

08) O aumento da produção de colágeno pelo laser exemplifica um evento molecular, expresso na relação genes-ambiente. 

16) As células que integram os músculos, pele e ossos compartilham a origem endodérmica no curso  da embriogênese, sendo, por isso, menos irrigadas. 

32) A renovação celular é consequência da multiplicação de células altamente diferenciadas por um  processo que reduz à metade o complemento cromossômico diploide. 

64) Aparelhos que usam o argônio para a produção de raios laser trabalham com átomos que possuem a mesma estrutura eletrônica dos íons cálcio. 

 

47)  (UFG-GO) Um laser emite um pulso de luz monocromático com duração de 6,0 ns, com frequência de 4,0.1014 Hz e potência de 110 mW.

O número de fótons contidos nesse pulso é

a) 2,5.10                  

b) 2,5.1012                       

c) 6,9.1013                                           

d) 2,5.1014                       

 e) 4,2.1014

 

48) (UNEMAT-MT) Os comprimentos de onda de maior interesse ecológico abrangem as faixas do ultravioleta, do visível e do infravermelho. Destas, a faixa visível (400 A 700 nm) assume maior importância dada a sua participação no processo fotossintético, classificadas como RFA (Radiação Fotossinteticamente Ativa). Na fotossíntese, a energia radiante é absorvida e transformada em energia de ligação química. Os receptores de radiação da fotossíntese são as clorofilas e os pigmentos acessórios (caroteno e xantofila).

Considerando E a energia de um único fóton de frequência f incidente na clorofila e n, o número de fótons envolvidos no processo, para uma energia de 500 kCal, com luz de comprimento de onda de 700 nm, o número de fótons correspondentes será de aproximadamente, considerando: E=h.f  —  Constante de Plank – h=6,62.10-34 J.s  —  1kcal=4.103J  —  velocidade da luz – c=3.108 m/s  —  1nm=10-9m

a) 7.1024                         

b) 7.10-24                             

c) 7.10-14                            

d) 5.10-10                               

e) 5.10-14

 

49) (UNICAMP-SP) Em 1905 Albert Einstein propôs que a luz é formada por partículas denominadas fótons. Cada fóton de luz transporta uma quantidade de energia E = hv e possui momento linear p = , em que h = 6,6 × 10–34Js é a constante de Planck e v e λ são, respectivamente, a frequência e o comprimento de onda da luz.

a) A aurora boreal é um fenômeno natural que acontece no Polo Norte, no qual efeitos luminosos são produzidos por colisões entre partículas carregadas e os átomos dos gases da alta atmosfera terrestre. De modo geral, o efeito luminoso é dominado pelas colorações verde e vermelha, por causa das colisões das partículas carregadas com átomos de oxigênio e nitrogênio, respectivamente. Calcule a razão R = em que Everde é a energia transportada por um fóton de luz verde com λverde = 500nm, e Evermelho é a energia transportada por um fóton de luz vermelha com λvermelho = 650nm.

b) Os átomos dos gases da alta atmosfera estão constantemente absorvendo e emitindo fótons em várias frequências. Um átomo, ao absorver um fóton, sofre uma mudança em seu momento linear, que é igual, em módulo, direção e sentido, ao momento linear do fóton absorvido. Calcule o módulo da variação de velocidade de um átomo de massa m = 5,0 × 10–26kg que absorve um fóton de comprimento de onda λ = 660nm.

 

50) (ITA-SP) O aparato para estudar o efeito fotoelétrico mostrado na figura consiste de um invólucro de vidro que encerra o aparelho em um ambiente no qual se faz vácuo. Através de uma janela de quartzo, luz monocromática incide sobre a placa de metal P e libera elétrons.

Os elétrons são então detectados sob a forma de uma corrente, devido à diferença de potencial V estabelecida entre P e Q.  Considerando duas situações distintas a e b, nas quais a intensidade da luz incidente em a e o dobro do caso b, assinale qual dos gráficos representa corretamente a corrente fotoelétrica em função da diferença de potencial.

 

51) (UEM-PR) Com relação ao efeito fotoelétrico e às conclusões advindas da interpretação desse fenômeno, assinale o que for correto.

01) Para uma frequência fixa, o número de elétrons emitidos por uma placa metálica iluminada é proporcional à intensidade da radiação luminosa que incide na placa.

02) A energia das radiações eletromagnéticas é quantizada e é tanto maior quanto maior for a frequência da radiação.

04) A energia cinética dos elétrons emitidos por uma placa iluminada depende da intensidade da radiação que incide na placa.

08) A luz é formada por corpúsculos, ou  quanta de luz, denominados fótons. 

16) O efeito fotoelétrico pode sempre ser observado em um experimento com uma placa de alumínio cuja função trabalho é 4,1 eV, independentemente da frequência da radiação utilizada no experimento.

 

 52) (PUC-RS) De acordo com a quantização da energia de Planck, sabe-se que a energia de um fóton é E = hf onde h é a constante de Planck e f é a frequência da radiação.

Considerando os fótons de radiação eletromagnética a seguir, numere os parênteses em ordem crescente de sua energia, sendo 1 o de menor energia e 5 o de maior energia.

( ) luz azul

( ) luz vermelha

( ) raios gama

( ) radiação ultravioleta

( ) radiação infravermelha

 

53) (FUVEST-SP)  Em um laboratório de física, estudantes fazem um experimento em que radiação eletromagnética de comprimento de onda γ =300 nm incide em uma placa de sódio, provocando a emissão de elétrons.

Os elétrons escapam da placa de sódio com energia cinética máxima EC = E – W, sendo E a energia de um fóton da radiação e W a energia mínima necessária para extrair um elétron da placa. A energia de cada fóton é E = h f, sendo h a constante de Planck e f a frequência da radiação. Determine

a) a frequência f da radiação incidente na placa de sódio;

b) a energia E de um fóton dessa radiação;

c) a energia cinética máxima EC de um elétron que escapa da placa de sódio;

d) a frequência  fo da radiação eletromagnética, abaixo da qual é impossível haver emissão de elétrons da placa de sódio.

 

54) (UFRN-RN) Descoberto independentemente pelo russo Alexandre Stoletov, em 1872, e pelo alemão Heirich Hertz, em 1887, o efeito fotoelétrico tem atualmente várias aplicações tecnológicas principalmente na automação eletro mecânica, tais como: portas automáticas, dispositivos de segurança de máquinas e controle de iluminação. Fundamentalmente, o efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons por superfícies metálicas quando iluminadas por radiação eletromagnética.

Dentre as principais características observadas experimentalmente, destacamos:

1) Por menor que seja a intensidade da radiação causadora do fenômeno, o intervalo de tempo entre a incidência da radiação e o aparecimento da corrente gerada pelos elétrons emitidos é totalmente desprezível, isto é, o efeito é  praticamente instantâneo.

2) Para cada superfície metálica específica, existe uma frequência mínima, chamada “frequência de corte”, a partir da qual se verifica o fenômeno.

3) Se a frequência da radiação incidente está abaixo da frequência de corte, mesmo aumentando sua intensidade, não se verifica o fenômeno. Por outro lado, para frequências da radiação incidente acima da frequência de corte, o fenômeno se verifica para qualquer intensidade.

A Figura representa um dispositivo para o estudo efeito fotoelétrico . Nela, elétrons são arrancados da superfície emissora, devido à

radiação incidente, e acelerados em direção à placa coletora pelo campo elétrico, gerando uma corrente elétrica que é medida pelo amperímetro, A.

 

Diante do exposto, responda as questões abaixo :

A) Como se explica o comportamento observado no item  1 do texto? Justifique sua resposta.

B) Como se explica o comportamento observado no item  2 do texto? Justifique sua resposta.

C) Como se explica o comportamento observado no item  3 do texto? Justifique sua resposta.

 

55) (UFSM-RS) À medida que a tecnologia invadiu os meios de produção, a obra de arte deixou de ser o resultado exclusivo do trabalho das mãos do artista, por exemplo, a fotografia. Uma vez obtido o negativo, muitas cópias da mesma foto podem ser impressas.

O elemento essencial de uma foto copiadora é um cilindro eletrizado que perde eletrização, nas regiões em que incide luz. Então,

I – o efeito fotoelétrico só pode ser entendido em termos de um modelo corpuscular para a radiação eletromagnética.

II – o numero de elétrons arrancados de uma placa metálica pelo efeito fotoelétrico cresce com o aumento da intensidade da radiação eletromagnética que atinge a placa.

III – a energia máxima dos elétrons arrancados de uma placa metálica pelo efeito fotoelétrico cresce com o aumento da intensidade da radiação eletromagnética que atinge a placa.

 

Está(ao) correta(s):

a) apenas I

b) apenas II

c) apenas III

d) apenas I eII

e) apenas I, II e III

 

56) (FUVEST-SP) Em um laboratório de física, estudantes fazem um experimento em que radiação eletromagnética de comprimento de onda γ =300 nm incide em uma placa de sódio, provocando a emissão de elétrons.

Os elétrons escapam da placa de sódio com energia cinética máxima EC = E – W, sendo E a energia de um fóton da radiação e W a energia mínima necessária para extrair um elétron da placa.

A energia de cada fóton é E = h f, sendo h a constante de Planck e f a frequência da radiação. Determine

a) a frequência f da radiação incidente na placa de sódio;

b) a energia E de um fóton dessa radiação;

c) a energia cinética máxima EC de um elétron que escapa da placa de sódio;

d) a frequência  fo da radiação eletromagnética, abaixo da qual é impossível haver emissão de elétrons da placa de sódio.

 

GABARITO: 01B - 02E - 03B - 04E - 05[ 5 ] -  06A - 07A - 08C - 09A - 10C - 11A - 12C - 13C - 14D - 

15[a) As energias dos fótons que surgiram foram obtidas através das massas do elétron e do pósitron que desapareceram no processo de aniquilação.A relação entre massas e energias foram previstas pela teoria da relatividade de Einstein na equação E=mC2, onde m é a quantidade de massas convertidas em energia e C a velocidade da luz no vácuo, de valor C=3,0.108ms.], [ b) A energia de um fóton (E) e a sua frequência (f) estão relacionadas pela expressão E = h . f, em que h é a constante de Planck  —  igualando as energias dos dois fótons ao equivalente em energia das massas das partículas aniquiladas (elétron e pósitron)  —    

Efótons = Emassas equivalentes  —   2.(h.f) = 2.Melétron .C2  —  6,6.10-34.f=9,1.10-31.(3.108)2  —  f=1,2.1020Hz] - 

16E - 17[ R- (01 + 02 + 04 + 16)=23 ] - 18[ Com o decorrer do tempo o elétron vai adquirindo mais energia o que faz aumentar a sua velocidade até que ele atinja a velocidade da luz (3,0.108m/s) e, a partir daí ele prossegue com essa velocidade que é o valor A do gráfico.], [b) E=h.f  —  c=λf  —  f=c/λ  —  mc2=hf  —  mc2=hc/λ  —  λ=h/mc  —  mc=Q  —  25.10-18=6.6.10-34/Q  —  Q=6,6.10-34/25.10-18  —  Q=2,64.10-15 kg.ms] - 19B - 20C - 21B - 22E - 23D - 

24E - 25A - 26[R- ( 01 + 02+ + 04 + 08)=15], - 27C - 28B - 29E - 30-

31C - 

32[ Ecin.máx.=h.f – W  —  C=λf  —  f=C/λ  —  Ecin.máx.=h.C/λ – W=6,63.10-34.3.108/327.10-9 – 1,8.1,6.10-19  —  Ecin.máx.=3,8 – 1,8  — Ecin.máx.=2,0 eV] - 

33[a) Do gráfico, vemos que a frequência limite, ou frequência de corte é fo = 1,2 ´ 1015Hz.], [b) Dada a constante de Planck, h = 6,6 ´ 10–34 J.s  —  a equação de Einstein para o efeito fotoelétrico é  —  Ecmáx = h f – W, sendo: W o trabalho para arrancar um elétron; h.f a energia do fóton incidente e Ecmáx a energia cinética máxima com que o elétron arrancado é ejetado  —  veja o gráfico da energia cinética máxima em função da freqüência  — 

A constante h é o coeficiente angular da reta: h = tg   —   mas no triângulo da figura, tg a = W/fo  —   h =W/fo  —  W = h.fo  —   assim a equação do efeito fotoelétrico fica  —  Ecmáx = h.f – h.fo = h(f – fo)  —  para o potencial limite de 1,5 V, podemos tirar do gráfico que a frequência é de aproximadamente 1,3.1015 Hz  —  efetuando os cálculos  —   Ecmáx = 6,6.10-34 (1,3 – 1,2) 1015  —   Ecmáx=6,6.10-34 (0,1) 1015  —  Ecmáx = 6,6.10-20 J.] - 

34A - 35E - 36[a) Pela conservação da quantidade de movimento  —   Qantes = Qdepois  —   m.4.107 = m.(-V) + 14.5.10 —  4.107.m = – m.V + 7.10 —  como o choque é perfeitamente elástico, devido a conservação de energia cinética, o coeficiente de restituição é igual a 1  —  (velocidade relativa de afastamento)/(velocidade relativa de aproximação) = 1  —  (V + 5.106)/(4.107) = 1  —  V + 5.106 = 4.10 —  V = 4.107 – 5.106 = 4.107 – 0,5.107 = 3,5.107 m/s  —  voltando na expressão da conservação da quantidade de movimento  —  4.107.m = – m.V + 7.10 —  4.107.m = – m.3,5.107 + 7.10 —  4.107.m + 3,5.107.m = 7.10 —  7,5.m = 7  —  m = 7/7,5  —   m=0,93 u (unidade de massa atômica) ], [  b) Pela expressão da energia E = hc/l  —  7.1012 = 4.10-15.3.108/l  —  l = 12.10-7/(7.1012)   —  λ=1,7.10-19 m ] - 37E - 38C - 39[ Sendo a velocidade do elétron é muito menor que a velocidade da luz, pode-se desconsiderar efeitos relativísticos e usar a expressão convencional da energia cinética.  —  Ec = h f  e   Ec =mV2/2  —  combinando essas expressões  —   h f = mV2/2  —  f=mV2/2h=9,11.10-31.(3.107)2/2.6,6.10-34=8,2.10-16/13.10-33  —  f=6,3.1017 Hz  —  a ordem de grandeza é 1018] 

40[a) Dados: c = 3.108 m/s; h = 6.10-34 J.s; l = 6.10-7 m. Lembrando a equação fundamental da ondulatória: c = l f  —  f =c/λ  —   substituindo essa expressão na equação dada  —  E = h f  —  E = hc/λ  —  E = 3.10-19 J.]´[

b) Dados:  i = 45°; r = 30°; nar = 1.

 Aplicando a Lei de Snell  —  nar sen 45° = nX sen 30°  —  1.√2/2=nX.1/2  —  nX=√2

nX = 

c) Dados: c = 3.108 m/s  —  da definição de índice de refração  —  nX=c/VX  —  VX=c/nX=3.108/√2  —  VX=1,5.√2.108 m/s

41C - 

42

43[ a)  m1 = m2 = 2 g = 2.10-3 kg; c = 3.108 m/s  —  a massa a ser convertida em energia é m = m1 + m2 = 4.10-3 kg  —   da equação de Einstein, a energia liberada na aniquilação é  —  Elib = mc2  —  Elib = 4.10-3.(3.108)2  —  Elib = 4.10-3.9.1016  —  Elib=3,6.1014 J], [ b) Dados  —   população  —   1 milhão de habitantes  —  N = 106 habitantes  —  consumo médio  —  100 kWh/habitante.mês  — lembrando que 1 kWh = 3,6.106 J, a potência consumida mensalmente pela cidade é:  —   Potcons = 100.106.3,6.106 = 360.1012  —   Potcons=3,6´1014 J/mês  —  Potcons=Elib/Δt  —  3,6.1014=3,6.1014/Δt  —  Δt=1 mês] - 44A - 45[ Energia de um fóton  —  E=h.f  —  energia transformada por n fótons  —  Etotal=nh.f=400h.f  —  c=λ.f  —  E=h.c/λ  —  potência  —  Po=Etotal/Δt  —  Po=400h.c/λ.Δt (I)  —  intensidade de onda que deve impressionar a retina  —  I=Po/A=Po/π.d2(II)  —  substituindo I em II  —  I=400h.c/π.r2λΔt (III)  —  intensidade de onda da fonte  —  I=Pof/4πd2 (IV)  —  igualando III com VI  —  400h.c/π.r2λΔt= Pof/4π.d2  —  d=r/400.√(Pof.λ.Δt)/h.c  —  observe que, sendo r, Pof, Δt,h e c constantes, a distância d é diretamente proporcional ao comprimento de onda λ  —  como o comprimento de onda da luz vermelha (lv) é maior que o da luz azul (la), a fonte que poder ser vista a uma distância maior é a que emite luz vermelha.] - 

46[R- (04 + 08 + 64) = 76.] - 47A - 48A - 49[ a)  R=1,3], [b) ∆Vátomo=2,0.10-2m/s] - 50C - 51[ Corretas:01,02 e 08  —  soma 11. ] - 52C - 53C - 54[ A) A emissão de elétrons devido à radiação incidente sobre o emissor surge quase que instantaneamente, independente se a radiação (luz) incidente tiver baixa intensidade  —  o atraso entre o tempo de incidência da iluminação e o tempo de emissão dos elétrons é da ordem de 10-9 s (praticamente instantâneo)  —  esse comportamento se justifica pelo modelo corpuscular da luz, proposto por Einstein  —  a radiação é formada por pequenos pacotes de energia (fótons) que, ao colidirem diretamente com um dos elétrons da superfície, transmite instantaneamente toda sua energia para o elétron  —  então, ele é arrancando-o, imediatamente da superfície.], [ B) O efeito fotoelétrico só surge se o metal receber um feixe de radiação com energia superior à energia mínima de remoção dos elétrons do metal, provocando a sua saída das órbitas o que pode ocorrer sem energia cinética (se a energia da radiação for igual à energia de remoção) ou com energia cinética, se a energia da radiação exceder a energia de remoção dos elétrons.

Essa energia mínima para extrair um elétron da placa metálica é denominada função trabalho e está relacionada com o tipo de metal utilizado. Se a energia do fóton que incide (h.f) for maior que a função trabalho (W) a energia em excesso será energia cinética (Ec), de modo que  —  W=h.f – Ec  —  denominada equação fotoelétrica de Einstein.. ]. [C) A figura abaixo mostra o gráfico da energia cinética do elétron extraído em função da frequência da radiação (fóton, cor) incidente, para uma mesma placa metálica (célula fotoelétrica).

Fo é a freqüência mínima (frequência de corte) necessária para produzir o efeito fotoelétrico. Se f=fo o elétron é liberado, mas sua energia cinética é nula. Para freqüências inferiores a fo o fenômeno não ocorre. Porém, para valores superiores a fo, o número de elétrons arrancados é diretamente proporcional à intensidade da radiação eletromagnética incidente, ou seja, aumentando a intensidade da radiação (freqüência, cor) incidente no metal, aumenta-se o nível energético dos fótons incidentes, aumentando assim número de elétrons arrancados. ] - 

55D - 56C. 

 

 

Continua...