FÍSICA MODERNA

Física Moderna http://fisica.fe.up.pt/fisica12/parte4.html

Presente em muitos fenómenos do dia a dia

Motiva facilmente os alunos

Pode ser lecionada sem formalismos matemáticos complicados

Até agora muito ausente nos currículos portugueses

Física moderna em ação

Écrã de um televisor: tubo de raios catódicos, plasma ou cristal líquido.

Nos três casos o fenómeno usado para produzir a luz vermelha, verde ou azul é

o mesmo: fluorescência.

Física no fim do século XIX

Três áreas bem desenvolvidas:

Mecânica de Newton

Eletromagnetismo

Termodinâmica

Fracassos da Física Clássica

1. Radiação do corpo negro

Corpo negro: Objeto ideal com superfície que deixa sair/entrar toda a

radiação.

Lei de Stefan-Boltzmann: O calor radiado por um corpo negro com

temperatura absoluta , é igual a

Um corpo quente deveria produzir mais luz violeta do que vermelha, a qualquer

temperatura. Não é isso o que se observa:

2. Efeito fotoelétrico

Descoberto por Hertz, em 1887.

A energia cinética dos eletrões extraídos não aumenta com a intensidade mas

sim com a frequência da luz. Existe uma frequência limiar.

3. Velocidade da luz no éter

Na teoria electromagnética a velocidade da luz aparece como constante

fundamental. O meio hipotético onde se propagariam as ondas

eletromagnéticas designou-se por éter.

O Interferómetro de Michelson e Morley não indica qualquer diferença na

velocidade da luz em diferentes direções.

Teoria da Relatividade

Invariância da velocidade da luz (c)

Leis da física mantem-se iguais em qualquer referencial

inercial

Simples, do ponto de vista matemático, mas conduz a resultados

surpreendentes que contrariam o senso comum: dilatação do tempo e

contração das distâncias

Evento

Algo que acontece num ponto do espaço e num instante de tempo:

Medição

Comparação entre dois eventos.

Observadores em movimento relativo

Dilatação do tempo

E1: envio de um raio de luz perpendicular a um espelho

E2: regresso do raio de luz à fonte, após ter sido reflectido pelo espelho

Observador A: fonte e relógio em repouso

Observador B: fonte e relógio com velocidade

Dilatação do tempo

Tempo segundo o observador A:

Distância percorrida, segundo o observador B:

Tempo segundo o observador B:

Introdução à Física Quântica

Teoria de Max Planck (1900)

A energia de um oscilador muda em forma discreta, aumentando

num quantum de energia que depende da frequência

: constante de Planck

: frequência

: número de quanta de energia

Quanto maior a frequência, maior a distância entre níveis de energia e menor o

número de modos de oscilação.

Espectro de radiação do corpo negro

A energia radiada é proporcional ao número de modos de oscilação (teorema

de equipartição da energia).

Se o comprimento de onda for pequeno, existem menos modos de oscilação. O

resultado obtido reproduz os resultados experimentais:

Teoria dos fotões (Einstein, 1905)

A energia da luz só pode ser produzida e

absorvida em "pacotes" de energia (fotões).

Efeito fotoeléctrico

Luz: onda ou partícula?

A energia passa de um lugar para outro como se fosse uma onda, mas é

absorvida ou produzida em forma discreta, como partículas.

A energia de uma onda clássica depende da sua amplitude mas não da

sua frequência.

A energia de uma onda de luz depende do número de fotões. A energia

de cada fotão depende da frequência.

A relação para um fotão, implica

Modelos atómicos

Os fenómenos atómicos não podiam ser explicados pela física do século XIX.

No início do século XX surge a Mecânica Quântica.

Dualidade onda-partícula

Os electrões, e quaisquer outras partículas, também podem ser difractados

como ondas. A onda associada a cada partícula tem um comprimento de onda

que verifica a mesma relação dos fotões:

Princípio de incerteza

Aumentar a precisão na medição das distâncias implica radiação de

comprimento de onda menor e, consequentemente, momento linear maior e

menor precisão da medição de momentos lineares.

Estabilidade atómica: A força que produz uma órbita circular do eletrão num

átomo de hidrogénio é:

O produto entre o momento linear e o raio da órbita é:

O princípio de incerteza implica um valor mínimo do raio:

Núcleos atómicos e radioactividade

Níveis de um eletrão no átomo: força electromagnética.

Níveis de energia dos protões e neutrões no núcleo: força forte.

As reações nucleares são semelhantes às reacções químicas, mas com energias

muito mais elevadas.

Fusão nuclear

Núcleos combinam-se dando origem a núcleos maiores.

Fissão nuclear

Divisão de um núcleo grande dando origem a dois núcleos menores.

Radiações alfa, beta e gama

Alfa: núcleos de hélio produzidos por fissões nucleares.

Beta: eletrões resultantes da transição de um protão para neutrão, devida à

força fraca.

Gama: luz produzida pela mudança de estado energético dos protões ou

neutrões no núcleo.

INFORMAÇÃO RETIRADA DE http://fisica.fe.up.pt/fisica12/parte4.html

DOCUMENTAÇÃO PARA O CURSO DE ENGENHARIA FÍSICA DA FEUP.

ESEPF PÓS TIC PROJETO MBORGES NOV 2012 BOM TRABALHO!