André Luiz Malvezzi Departamento de Física Faculdade de Ciências UNESP - Bauru A Revolução da...

André Luiz MalvezziDepartamento de FísicaFaculdade de Ciências

UNESP - Bauru

André Luiz MalvezziDepartamento de FísicaFaculdade de Ciências

UNESP - Bauru

A Revolução da Física ModernaA Revolução da Física Moderna

Outubro - 2009 Outubro - 2009

2005: Ano Internacional da Física2005: Ano Internacional da Física

Aniversário de 100 anos do ano miraculoso de Einstein

Aniversário de 100 anos do ano miraculoso de Einstein

Publicou cinco artigos extraordinários, que apareceram na prestigiosa revista

alemã Annalen der Physik

Publicou cinco artigos extraordinários, que apareceram na prestigiosa revista

alemã Annalen der Physik

Física Clássica

Física Clássica

As leis da Mecânica de Isaac Newton (1642-1727)

As leis da Mecânica de Isaac Newton (1642-1727)

As leis da Eletrodinâmica de James Clerk Maxwell (1831-1879)

As leis da Eletrodinâmica de James Clerk Maxwell (1831-1879)

As leis da Termodinâmica e a Teoria Cinética dos Gases

As leis da Termodinâmica e a Teoria Cinética dos Gases

As duas categorias de fenômenos em Física ClássicaAs duas categorias de fenômenos em Física Clássica

Partículas:Partículas:

Ondas:Ondas:

Pequenos objetos com massa definida.

Obedecem as Leis de Newton.

Pequenos objetos com massa definida.

Obedecem as Leis de Newton.

Se estendem através do espaço.

Transportam energia mas não massa.

Interferem entre si.

Se estendem através do espaço.

Transportam energia mas não massa.

Interferem entre si.

“Atualmente pairam apenas duas pequeninas nuvens cinzentas

sobre o céu cristalino da Física”

Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society -

Abril 1900




Abril 1900




Abril 1900




Abril 1900

A radiação térmicaA radiação térmica

É a radiação eletromagnética emitida por um objeto devido à

sua temperatura.

É a radiação eletromagnética emitida por um objeto devido à

sua temperatura.

Teoria clássica do eletromagnetismo

Teoria clássica do eletromagnetismo

Temperatura T e freqüência f maioresTemperatura T e freqüência f maiores

Todo corpo incandescente deveria ser branco

Todo corpo incandescente deveria ser branco

Representação esquemática da produção de ondas eletromagnéticas pelo elétron oscilante.

Representação esquemática da produção de ondas eletromagnéticas pelo elétron oscilante.

A radiação térmica

A radiação térmica

Produzida pelos elétrons oscilantes na superfície do material

Produzida pelos elétrons oscilantes na superfície do material

O nascimento da teoria Quântica: os quanta de Planck(1900)

O nascimento da teoria Quântica: os quanta de Planck(1900)

A energia E de um quantum é proporcional à freqüência f da radiação térmica emitida.

A energia E de um quantum é proporcional à freqüência f da radiação térmica emitida.

E = h.fE = h.f

h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planckh = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck

A energia dos elétrons que produzem a radiação térmica é constituída de pacotes discretos, chamados quanta (plural de quantum).

A energia dos elétrons que produzem a radiação térmica é constituída de pacotes discretos, chamados quanta (plural de quantum).

Hz6,1L

g

2π

1f Hz6,1

L

g

2π

1f

Exemplo: quantização do pêndulo simplesExemplo: quantização do pêndulo simples

amplitude = 20o com a verticalamplitude = 20o com a vertical

m = 0,01 kgm = 0,01 kg

Energia total = mgh = 6 x 10-4 JEnergia total = mgh = 6 x 10-4 J

L = 0,1 mL = 0,1 m

quantum = E = h.f = 6,63 x 10-34. 1,6 = 10-33 Jquantum = E = h.f = 6,63 x 10-34. 1,6 = 10-33 J

ΔE/E = 2 x 10-30 !!!!ΔE/E = 2 x 10-30 !!!!

O efeito fotoelétricoO efeito fotoelétrico

A luz ejeta elétrons de diversas superfícies metálicas.A luz ejeta elétrons de diversas superfícies metálicas.

Exemplo de aplicação do efeito fotoelétrico

Exemplo de aplicação do efeito fotoelétrico

O tempo de atraso entre o momento em que a luz é ligada e a ejeção dos primeiros elétrons não é afetado pela intensidade ou pela freqüência da luz.

O tempo de atraso entre o momento em que a luz é ligada e a ejeção dos primeiros elétrons não é afetado pela intensidade ou pela freqüência da luz.

O que é observado experimentalmente?

O que é observado experimentalmente?

O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa luz vermelha.

O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa luz vermelha.

A quantidade de elétrons ejetados por segundo é proporcional à intensidade da luz.

A quantidade de elétrons ejetados por segundo é proporcional à intensidade da luz.

A energia máxima dos elétrons ejetados não é afetada pela intensidade da luz, mas depende da freqüência.

A energia máxima dos elétrons ejetados não é afetada pela intensidade da luz, mas depende da freqüência.

Características do efeito fotoelétrico

Características do efeito fotoelétrico

A energia radiante está quantizada em pacotes

concentrados, os fótons.

A energia radiante está quantizada em pacotes

concentrados, os fótons.

A teoria quântica da luz: Einstein e o fóton (1905)A teoria quântica da luz: Einstein e o fóton (1905)

A energia E de cada fóton é dada pela fórmula de Planck:

E = h.f

A energia E de cada fóton é dada pela fórmula de Planck:

E = h.f

ondaonda

emissão ou absorção

emissão ou absorção

fótonfóton

partículapartícula

propagaçãopropagação

dualidadedualidade

A dualidade onda-partícula da luzA dualidade onda-partícula da luz

O tempo de atraso entre o momento em que a luz é

ligada e a ejeção dos primeiros elétrons não é

afetado pela intensidade ou pela freqüência da luz.

O tempo de atraso entre o momento em que a luz é

ligada e a ejeção dos primeiros elétrons não é

afetado pela intensidade ou pela freqüência da luz.

Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quânticaEfeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica

luz menos intensa

luz menos intensa

menos energi

a

menos energi

a

demora mais para ejetar o

elétron

demora mais para ejetar o

elétron

Clássica

Quânticaenergia

chega em pacotes

energia chega em pacotes


energia da luz não depende da freqüência (cor)


Clássica

Quântica energia da luz é proporcional à

freqüência (E=h.f)

energia da luz é proporcional à

freqüência (E=h.f)

O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa

luz vermelha.

O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa

luz vermelha.

freqüência maior

freqüência maior

mais fácil ejetar os elétrons

mais fácil ejetar os elétrons


Clássica

Quânticaluz mais intensa

luz mais intensa

A quantidade de elétrons ejetados

por segundo é proporcional à

intensidade da luz.

A quantidade de elétrons ejetados

por segundo é proporcional à

intensidade da luz.

mais fótons

mais fótons

luz mais intensa

luz mais intensa

mais energi

a

mais energi

a

mais elétrons

mais elétrons

mais elétrons

mais elétrons


freqüência maior

freqüência maior

Clássica

Quântica

A energia máxima dos elétrons ejetados não é

afetada pela intensidade da luz, mas depende da

freqüência.

A energia máxima dos elétrons ejetados não é

afetada pela intensidade da luz, mas depende da

freqüência.



energia é proporcional à freqüência (E=h.f)

energia é proporcional à freqüência (E=h.f)

elétrons mais energéticos


energia é proporcional à intensidade:energia é proporcional à intensidade:

maior intensidade

maior intensidade



Louis de Broglie e a dualidade onda-partícula (1924)Louis de Broglie e a dualidade onda-partícula (1924)

Toda partícula material tem associada a ela uma onda de matéria que governa seu movimento.

Toda partícula material tem associada a ela uma onda de matéria que governa seu movimento.

Partícula de massa m e velocidade v

Partícula de massa m e velocidade v vm

h

.

Comprimento de onda da onda de matéria

associada à partícula.

Comprimento de onda da onda de matéria

associada à partícula.

bala com massa m = 0,02 kg e velociadade v = 330 m/s

bala com massa m = 0,02 kg e velociadade v = 330 m/s

Exemplos: bala x elétronExemplos: bala x elétron

λ = 10-34 mλ = 10-34 m

Elétron a 2% da velocidade da luz

Elétron a 2% da velocidade da luz λ = 10-10 mλ = 10-10 m

Microscopia eletrônica

Microscopia eletrônica

O princípio da complementaridade de BohrO princípio da complementaridade de Bohr

No nível quântico, ambos os aspectos, o corpuscular e o ondulatório, são necessários para uma descrição completa do sistema estudado.

No nível quântico, ambos os aspectos, o corpuscular e o ondulatório, são necessários para uma descrição completa do sistema estudado.

O princípio da incerteza de Heisenberg (1927)

O princípio da incerteza de Heisenberg (1927)

O ato de medir algo afeta a própria quantidade que está sendo medida.

O ato de medir algo afeta a própria quantidade que está sendo medida.

É impossível medir simultaneamente e com precisão arbitrária a posição e a

velocidade de uma partícula.

É impossível medir simultaneamente e com precisão arbitrária a posição e a

velocidade de uma partícula.

Natureza probabilísticaNatureza probabilística

Mecânica QuânticaMecânica Quântica

E = h.fE = h.f

h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planckh = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck

Quantum de energia

Quantum de energia

Dualidade onda-partículaDualidade onda-partícula Princípio da complementaridade

Princípio da complementaridade

Natureza probabilística

Natureza probabilísticaPrincípio da IncertezaPrincípio da Incerteza

Einstein e a Teoria Especial da Relatividade (1905)

Einstein e a Teoria Especial da Relatividade (1905)

Mecânica de Newton

Mecânica de Newton

Leis físicas não dependem do movimento do

observador

Leis físicas não dependem do movimento do

observador

Eletromagnetismo de Maxwell

Eletromagnetismo de Maxwell

Não existe um referencial absoluto

Não existe um referencial absoluto

Leis físicas dependem do movimento do

observador

Leis físicas dependem do movimento do

observador

O éter é o referencial absoluto

O éter é o referencial absoluto

?

A velocidade de propagação da luz no espaço livre tem o mesmo valor para todos os observadores, não importando o

movimento da fonte ou do observador; ou seja, a rapidez de propagação da luz é uma constante.

A velocidade de propagação da luz no espaço livre tem o mesmo valor para todos os observadores, não importando o

movimento da fonte ou do observador; ou seja, a rapidez de propagação da luz é uma constante.

Como pareceria um feixe luminoso se você estivesse se deslocando lado a lado com ele?

Como pareceria um feixe luminoso se você estivesse se deslocando lado a lado com ele?

Os Postulados Teoria Especial da RelatividadeOs Postulados Teoria Especial da Relatividade

Todas as leis da natureza são as mesmas em todos os sistemas de referência que se movam

com velocidade uniforme.

Todas as leis da natureza são as mesmas em todos os sistemas de referência que se movam

com velocidade uniforme.

c ~ 300.000.000 m/s = 300.000 km/sc ~ 300.000.000 m/s = 300.000 km/s

Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade


Dois eventos que são simultâneos em um sistema de referência não necessariamente devem ser simultâneos em um sistema que

se move em relação ao primeiro.

Dois eventos que são simultâneos em um sistema de referência não necessariamente devem ser simultâneos em um sistema que

se move em relação ao primeiro.SimultaneidadeSimultaneidade



Dilatação TemporalDilatação Temporal

Cálculo da dilatação temporalCálculo da dilatação temporal

2

2

1

1

cv

2

2

1

1

cv

t = γ t0

t = γ t0

tempo próprio

tempo próprio

tempo relativo

tempo relativo

fator de Lorentz

fator de Lorentz

A viagem do gêmeoA viagem do gêmeo

v = 0v = 0

v = 0,5.cv = 0,5.c

v = 0,87.cv = 0,87.c

t = t0 t = t0

t = 1,15.t0 t = 1,15.t0

t = 2.t0 t = 2.t0

v = 0,995.cv = 0,995.c t = 10.t0 t = 10.t0

0v 1

cv 1

Quão viáveis são as viagens espaciais longas?




2

2

1

1

cv

2

2

1

1

cv



Adição de VelocidadesAdição de Velocidades2

21

21

.1

cvvvv

V

v1 = 0,5.c

v2 = 0,5.c

v1 = 0,5.c

v2 = 0,5.c

cc

cc

ccV

25,1.25,01

.5,0.5,0

2

2

21,vv



Contração do Comprimento


0LL 1



E = m0 .c2E = m0 .c2Conservação do momento linear

Conservação do momento linear

massa relativística

massa relativística

0.mm

energia de repouso

energia de repousomassa de

repouso

massa de repouso

m0 = 1 gramam0 = 1 grama E = 9 x 1013 JE = 9 x 1013 J28.500

lâmpadas de 100 W acessas por um ano!!

28.500 lâmpadas de

100 W acessas por um ano!!

massamassa energiaenergia

Acender palito de fósforoAcender palito de fósforo

Xícara de café quenteXícara de café quente

Relógio de cordaRelógio de corda

Energia nuclearEnergia nuclear

PostuladosPostulados

Teoria Especial da RelatividadeTeoria Especial da Relatividade

Não há referenciais absolutosNão há referenciais absolutos

A velocidade da luz é constanteA velocidade da luz é constante

c ~ 300.000 km/sc ~ 300.000 km/sConseqüências:Conseqüências:

SimultaneidadeSimultaneidade Dilatação TemporalDilatação Temporal Contração do Comprimento


E = m0 .c2E = m0 .c2massamassa energiaenergia

Movimento browniano

Movimento browniano

Radiação térmica

Radiação térmica

“A eletrodinâmica dos corpos em movimento”

“A eletrodinâmica dos corpos em movimento”

A Revolução da Física ModernaA Revolução da Física Moderna

EletromagnetismoEletromagnetismo

MecânicaMecânica TermodinâmicaTermodinâmica

RelatividadeRelatividade Mecânica Quântica

Mecânica Quântica

Mecânica Estatística

Mecânica Estatística

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