8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
1/30
A Fsica do sculo XX
NicolauNicolau Gilberto Ferraro
Paulo A. ToledoToledo Soares
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
2/30
Lorde Kelvin (1824-1907)
Fsico ingls
Conferncia na Royal Society em maro de 1900
A completude da Fsica:
A mecnica de NewtonO eletromagnetismo de Maxwell
A termodinmica de Boltzmann
No h nada mais a descobrirem Fsica
As duas pequenas nuvens no horizonte da Fsica
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
3/30
As duas nuvenzinhas
O fracasso das experincias de Michelson e
Morley, ao medir a velocidade da luz
atravs do ter em direes perpendiculares.
A dificuldade em explicar a distribuio de
energia na radiao de um corpo aquecido.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
4/30
As tempestades das duas
nuvenzinhas
O nascimento da Fsica Moderna
A teoria da Relatividade
A Fsica Quntica
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
5/30
A Fsica Quntica
O corpo negro
A teoria dos quanta
O efeito fotoeltrico
O tomo de Bohr
A natureza da luz
Dualidade onda-
partcula
Princpio da incerteza
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
6/30
Radiaes trmicas
Um corpo em qualquer
temperatura emite
radiaes
eletromagnticas.
Por estarem
relacionadas com a
temperatura do corpo,costumam ser
chamadas de
radiaes trmicas.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
7/30
O corpo negro
Para o estudo das radiaes emitidas foi idealizado um
corpo, denominado corpo negro. Ele absorve toda radiao
incidente, isto , sua absorvidade igual a 1 (a = 1) e sua
refletividade nula (r = 0), da decorrendo seu nome. Todo bom
absorvedor bom emissor; por isso o corpo negro tambm
um emissor ideal. Sua emissividade igual a 1 (e = 1).
Um modelo prtico de corpo negro obtido com um
objeto oco provido de um pequeno orifcio: qualquer radiaoque penetra nesse orifcio no sai mais, sendo absorvida pelas
paredes internas do objeto oco. O orifcio constitui o corpo
negro. Se o objeto oco for aquecido por uma fonte de calor no
seu interior, h emisso de radiao pelo orifcio.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
8/30
Intensidade da radiao emitida
e Comprimento de onda
Dados experimentais permitem relacionar a intensidade I
da radiao emitida por um corpo negro em funo do
comprimento de onda , a uma dada temperatura, como mostra afigura:
Observe no grfico que, para dado comprimento de onda,
a intensidade da radiao adquire valor mximo.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
9/30
A Lei de Stefan-Boltzmann
Repetindo-se a experincia para
temperaturas diferentes, obtm-se
os resultados mostrados na figura.
Da, conclui-se que: aumentando-se a temperatura,
para dado comprimento de onda,
a intensidade da radiao aumenta.
A lei de Stefan-Boltzmann, aplicada
ao corpo negro fornece a intensidade
total I da radiao emitida:
I = T4
onde = 5,67 108 W / m2 K4 a constante de Stefan-
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
10/30
Lei do deslocamento de Wien
Retomando o grfico anterior,
outra concluso que pode ser
tirada: aumentando-se a temperatura,
o pico da distribuio se desloca
para comprimentos de onda
menores.
De acordo com a lei do
deslocamento de Wien, temos:
I mx T = 2,898 103 m K
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
11/30
A catstrofe do ultravioleta
Ao explicar, por meio da teoria clssica, os resultados obtidos
observou-se que, para comprimentos de onda elevados, havia
razovel concordncia com osresultados experimentais.
Entretanto, para comprimentos
de onda menores, a discordncia
entre a teoria e a experincia eragrande. Essa discordncia ficou
conhecida como a catstrofe
do ultravioleta.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
12/30
A teoria de Planck
Em dezembro de 1900, Max Planck (1858-1947)apresentou Sociedade Alem de Fsica um estudo
terico sobre a emisso de radiao de um corpo negro,no qual deduz uma equao plenamente em acordo comos resultados experimentais. Entretanto, para conseguiruma equao a qualquer custo, teve que considerar aexistncia, na superfcie do corpo negro, de cargas
eltricas oscilantes emitindo energia radiante no demodo contnuo, como sugere a teoria clssica, mas simem pores descontnuas, partculas que transportam,cada qual, uma quantidade E bem definida de energia.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
13/30
Os ftons e o quantum
As partculas de energia sugeridas por Planck
foram denominadas ftons. A energia E de cada
fton denominada quantum (no plural quanta ).
O quantum E de energia radiante de freqncia f
dado por:
E = h f
Nessa frmula, h a constante de proporcionalidadedenominada constante de Planck, dada por:
h = 6,63 1034 Js.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
14/30
Uma nova Fsica
A soluo de Planck para a
questo do corpo negro,
considerando que a energia quantizada, permitiu explicar
outros conceitos fsicos a nvel
microscpico.
Embora o desenvolvimento efetivo da nova teoria stenha ocorrido a partir de 1920, dezembro de 1900 considerado o marco divisrio entre a Fsica Clssicae a Fsica Quntica a teoria fsica dos fenmenos
microscpicos.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
15/30
Efeito fotoeltrico
Quando uma radiao
eletromagntica incide sobre
a superfcie de um metal,eltrons podem ser
arrancados dessa superfcie.
Esse fenmeno denominado
efeito fotoeltrico.Os eltrons arrancados so
chamados fotoeltrons.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
16/30
A explicao de Einstein
Einstein (1879-1955) explicou o efeito fotoeltricolevando em considerao a quantizao daenergia: um fton da radiao incidente, ao atingir o
metal, completamente absorvido por um nicoeltron, cedendo-lhe sua energia hf.
Com essa energia adicional o eltron
pode escapar do metal. Essa teoriade Einstein sugere, portanto, que a
luz ou outra forma de energia radiante
composta de partculas de energia,
os ftons.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
17/30
A funo trabalho
Funo trabalho o nome que se d energiamnima necessria para que um eltron escape dometal. Seu valor varia de metal para metal.
4,73 eVPrata
4,50 eVFerro
4,31 eVZinco
4,08 eVAlumnio
2,28 eVSdio
Funotrabalho
Metal
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
18/30
Equao fotoeltrica de Einstein
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
19/30
Freqncia mnima ou freqncia de
corte
Existe uma freqncia mnima (f0) chamada
freqncia de corte para a qual o eltron escapar
se a energia que ele receber do fton (hf0) for igual
energia mnima.
hfhf o0
==
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
20/30
Grfico Ec(mx) em funo de f
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
21/30
Comparando partcula e fton
Partcula
E = Ecin+Epot (E: energia mecnica)
Q = mv (Q: quantidade de movimento)
Fton
E = hf (E: quantum de energia)
Q = h/ (Q: quantidade de movimento)
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
22/30
O modelo de Bohr aplicado ao
tomo de hidrognio
1 postulado
O eltron descreve rbitascirculares em torno do ncleo,
formado por um nico prton.
A fora eletrosttica a fora
centrpeta responsvel por
esse movimento.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
23/30
O modelo de Bohr aplicado ao
tomo de hidrognio
2 postulado
Apenas algumas rbitas estveis, denominadas
estados estacionrios,so permitidas ao eltron.Nelas o tomo no irradia energia.
3 postulado
A passagem de um eltron de um estado para outro possvel mediante absoro ou liberao deenergia:
E- E = hf
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
24/30
O modelo de Bohr aplicado ao
tomo de hidrognio
4 postulado As rbitas permitidas ao eltron so aquelas em que
o momento angular orbital um mltiplo inteiro de
Assim:
( n=1,2,3,...)Raios das rbitas permitidas:
: raio de Bohr ( corresponde ao estado
fundamental).
2p
h
2
hnmvr =
B
2
n
rnr =
A53,0rB
=
2h
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
25/30
Energia mecnica do eltron no
n-simo estado estacionrio
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
26/30
Natureza Dual da Luz
Em determinados fenmenos, a luz se comporta
como se tivesse natureza ondulatria (interferncia,
difrao) e, em outros, natureza de partcula (efeitofotoeltrico).
As duas teorias da natureza da luz se completam.
Cada teoria por si s correta para explicar
determinado fenmeno.
No h fenmeno luminoso que nenhuma delas
possa explicar.
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
27/30
Dualidade onda-partcula:
Hiptese de De Broglie
Hiptese de De Broglie (1892-1987)
Se a luz apresenta natureza dual, uma partculapode comportar-se de modo semelhante,apresentando tambm propriedades
ondulatrias. O comprimento de
onda de uma partcula em funo
da quantidade de movimento
dado por:
Q
h=
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
28/30
Princpio da incerteza de
Heisenberg (1901-1976)
Quanto maior a preciso na determinao da posio do eltron,menor a preciso na determinao de sua quantidade demovimento e vice-versa.
Deus no joga dados com o Universo (Einstein)
Einstein, pare de dizer a Deus o que ele deve ou no fazer."(Niels Bohr)
"Deus no s joga dados, como os esconde..."(Stephen Hawking)
4hQ x
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
29/30
Noes de Radioatividade
As reaes que alteram os ncleos atmicos so
chamadas reaes nucleares.
A radioatividade consiste na emisso de partculas
e radiaes eletromagnticas por ncleos instveis,
que se transformam em ncleos mais estveis. Estas
reaes so chamadas reaes de desintegrao
radioativa ou de transmutao ou ainda de
decaimento.
No decaimento natural de um ncleo atmico, podem
ser emitidas partculas , partculas e raios .
8/14/2019 Fsica PPT - Sculo XX
30/30