Concepções de luz na física moderna.Semana 1

Luz é onda ou partícula?

Louis de Broglie Isaac Newton

“Bom senso é o conjunto dos preconceitos adquiridos antes dos 18 anos.“

Albert Einstein

No entanto, as coisas não são assim com a física moderna. À primeira vista, fenômenos relativísticos ou quânticos parecem bizarros porque estão muito além da nossa realidade imediata. Isso porque lidamos, neste caso, com objetos de escala atômica, ou não mais leves que estrelas e velocidades comparadas com a velocidade da luz. Nossa visão do mundo natural, portanto, é bastante limitada.Site PUCSP:Disponível em http://www.pucsp.br/pos/cesima/schenberg/alunos/cristianemendes/mecanica.htm em 14 de março de 2012

“Não leve essa aula muito a sério… apenas relaxe e desfrute dela. Vou contar para vocês como a natureza se comporta. Se você admitir simplesmente que ela tem esse comportamento, você a considerará encantadora e cativante. Não fique dizendo para você mesmo “Mas como ela pode ser assim?” porque nesse caso você entrará em um beco sem saída do qual ninguém escapou ainda. Ninguém sabe como a natureza pode ser assim”.

Richard Feynman (1918-1988) Nobel 1965

Conceitos Prévios

Espectro, Difração e Interferência

Amarelo e AzulQual dos feixes de luz possui:

• Maior comprimento de onda

• vermelho

• Maior freqüência.• Violeta

• Maior energia• Violeta

Difração

Interferência Þ superposição

construtiva

destrutiva

Óptica ondulatória

http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.

php?topic=18.0

Embate

• Isaac Newton :• Partículas• Cada tipo de

partícula uma cor.• Forma-se as sombras

• Christian Huygens :• Ondulatório• Sofre interferência

como as ondas.

Situação

• Final do Século XIX – Luz era apenas uma onda eletromagnética.

• Teoria corpuscular perde importância.• Física clássica não explicava tudo.

• http://chaos.nus.edu.sg/simulations/Classical%20Physics/PropagationOfLight/light.html

Prova da luz ser onda

• Difração: comportamento ondulatório• Difração por fenda dupla: interferência

O experimento de Young: Fenda Dupla

Prova da luz ser onda

Prova da luz ser onda

Provas da luz ser partícula• Câmara de bolhas

PartículaEfeito Foto-Elétrico

• Luz azul “arranca” elétrons

• Luz vermelha não “arranca” elétrons

1. O efeito não dependia da intensidade da luz incidente.2.O efeito dependia da freqüência, cor da luz incidente

Efeito Compton

• Veremos adiante

Problemas

Radiação do corpo negro, difração, efeito foto-elétrico

RADIAÇÃO TÉRMICA

•Medição de altas temperaturas e falta de instrumentos

• necessidade de associação da cor do material (frequência da onda) à temperatura.

Raio x seria mais intenso que luz visível

RADIAÇÃO DE CORPO NEGRO

É um absorvedor e emissor ideal de radiação.

Radiação Emitida = Radiação absorvida

•O espectro da energia emitida é contínuo•Depende:

• da temperatura do corpo• comprimento de onda da radiação.

•Comprimento de onda:• Inversamente proporcional a temperatura

•Freqüência:• diretamente proporcional à temperatura

RADIAÇÃO DE CORPO NEGRO: CONCLUSÃO

Max Planck• O fóton carrega também quantidade de

movimento• Radiação “pressiona” parede. (Maxwell)• Toda carga elétrica emite radiação na freqüência

que oscila.• Toda radiação faz a carga oscilar.• Quantizada da energia da luz• Em “pacotes” (fótons) • Valor E = h . f , onde h = 6,63×10-34 J.s é a

constante de PlanckMomento linear

Mudanças• Albert Einstein, usando a ideia de Max Planck• feixe de luz são pequenos pacotes de energia e estes são

os fóton• O efeito fotoelétrico seria um problema de colisões

entre luz e partículas.• Quando o fóton se choca com um elétron, com energia

suficientemente alta, ele sai da superfície com uma determinada energia cinética.

• "quando um fóton colide com um elétron, ambos comportam-se como corpos materiais."

Conclusão

“fótons ou constituintes fundamentais da matéria podem comportar-se como partículas ou como ondas, dependendo do aparato experimental. A dualidade onda partícula só é relevante para objetos cujo comportamento é determinado pela mecânica quântica, como átomos ou partículas subatômicas.”

Albert Einstein

De Broglie

• Interferência de Ondas?• Ok• Interferência de elétrons?• A dualidade aplicada às ondas também se

aplicaria aos elétrons e outras partículas elementares.

• As ondas “guiariam” as partículas;

Luigui De Broglie

• Associou onda ao elétron.• Relações sugeridas por Einstein para fótons.• Thompson Filho: difração de elétrons por

cristais

“J. J. Thomson (pai) mostrou que o elétron é uma partícula, G. P. Thomson (filho) mostrou que o elétron é uma onda”

EFEITO COMPTON: LUZ COMO PARTÍCULAS

•Um feixe de raio-x incidindo em um alvo de carbono, sofria espalhamento.•Feixe espalhado tinha frequência alterada.

EFEITO COMPTON: LUZ COMO PARTÍCULAS

A DUALIDADE PARTICULA-ONDA

Uma bola de futebol de 430 gramas, atinge uma velocidade, com um bom chutador de 35m/s. Qual é o comprimento de onda associado:

A DUALIDADE PARTÍCULA-ONDA

Um elétron com uma massa de 9,1x10-31 kg a 1,5.108m/s tem um comprimento de onda associado de:

O que é a luz e a matéria então?•A luz é partícula ou onda?•Newton: luz se comportava como partículas.•Young: constatou interferência - onda.•Einstein + Planck = dualidade onda-particula.•Energia em uma onda é quantizada = dividida em “pacotes”, onde se observa comportamento corpuscular.•Para a física quântica apresenta experimentos:•Luz é onda e Luz é partícula. Matéria é partícula e também é onda.•De Broglie: expandiu a ideia onda-partícula para todos os corpos.•Comptom: “parece” choque de esferas

Exercícios

01) (UFC) - Quanto ao numero de fótons existentes em 7 joule de luz verde, 1 joule de luz vermelha e 1 joule de luz azul, podemos afirmar, corretamente, que

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

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

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

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

Resolução A energia total associada a n fótons de freqüência f e

dada por: E = n hf Para a mesma energia E, o numero de fótons é

inversamente proporcional a sua freqüência f n=_E_ hfsendo: f azul > f verde > f vermelhaResulta: n azul < n verde < n vermelha

Resposta: Alternativa B

02) (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 com

porta 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.

04.0 efeito fotoelétrico somente pode ser explicado satisfatoria

mente quando consideramos a luz formada por partículas, os

fótons.

08.0 efeito fotoelétrico e conseqüência' do comportamento

ondulatório da luz.

16.Devido a alta freqüência da luz violeta, o "fóton violeta" e mais

energético do que o "fóton vermelho".Dê como resposta a soma dos números associados as proposições corretas.

Resolução

(01)VERDADEIRA. O efeito fotoelétrico e uma das principaisevidencias do comportamento corpuscular da luz.

(02)VERDADEIRA.(04)VERDADEIRA. Explicação dada por

Einstein e que Ihe valeu o premio Nobel de Física.

(08)FALSA.(16)VERDADEIRA. E = h f, quanto maior a

freqüência da luz maior e a energia associada a seu fóton.

03) (PUC-RS-2001) O dualismo onda-partícula refere-se a características corpusculares presentes nas ondas luminosas e a características ondulatórias presentes no comportamento de partículas, tais como elétrons. A Natureza nos mostra que características corpusculares e ondulatórias não são antagônicas mas, sim, complementares. Dentre os fenômenos listados, o único que não está relacionado com o dualismo onda-partícula é:a) o efeito fotoelétrico.b) a ionização de átomos pela incidência de luz.c) a difração de elétrons.d) o rompimento de ligações entre átomos pela incidência de luz.e) a propagação, no vácuo, de ondas de rádio de freqüência média.

Concepções de luz na física moderna.Semana 2

O Efeito Fotoelétrico

Material adaptado do Original elaborado por: Prof.: Dr. Marcelo Rosella

Histórico• Hertz descobre o efeito fotoelétrico, em

que a luz, quando incide em metais arranca elétrons desses metais.

Heinrich Rudolf Hertz1857 - 1894

Efeito Fotoelétrico

Luz: PARTICULAS OU ONDAS?• Explicação da emissão instantânea dos

fotoelétrons no efeito fotoelétrico.

• Explicável se a luz fosse constituída de partículas que transferissem energia durante as colisões com os elétrons.

• A teoria ondulatória da luz não explica o efeito fotoelétrico! Pois não estabelece nenhuma relação entre a freqüência de uma onda e a energia que ela transporta.

Max Planck (1838 – 1947)

• Formulou a hipótese do “pacote” ou “quantum” de energia.

• A energia não varia continuamente, mas em pacote ou quantum de energia: E = h.f, ou seja, a

energia se manifesta em quantidades que são sempre um múltiplo de uma certa quantidade

muito pequena, um pacote de energia ou quantum de energia

• h = 6,63x10-34 J.s = constante de Planck

• f = freqüência da radiação

Einstein (1879 – 1955)• Em 1905, Einstein explica o Efeito Fotoelétrico.• Postula que a luz é composta de “partículas de

radiação” ou “pulsos eletromagnéticos” chamados “fótons”

• Fótons não têm massa.• Fótons são “partículas” de energia. • Luz é energia pura!

• Efoton = h.f.

• A energia cinética máxima dos fotoelétrons é proporcional à frequência da luz e não depende da intensidade desta.

Função Trabalho

• Explicação de Einstein para o Efeito Fotoelérico.

• Energia do fotoelétron E = h.f – • = energia para vencer a barreira de

potencial. Depende do material

Níveis energéticos para o átomo

Lâmpada fluorescente 1a Fase: radiação átomo de Hg

Excitação e Des-excitação dos átomos de Hg

Na Des-excitação

os átomos de Hg emitem grande quantidade de fótons de radiação ultravioleta

(alta freqüência e não visíveis)

Lâmpada fluorescente 2a Fase: excitação e des-excitação

FLUORESCÊNCIA

A “excitação” dos átomos de fósforo é feita por fótons ultravioletas emitidos por átomos de Hg

A fluorescência do fósforo transforma a radiação ultravioleta (não visível) em luz.l

A “des-excitação” dos átomos de fósforo

ocorre em forma de “escada”.

fluorescência

Lâmpada fluorescente

Animação