FÍSICA MODERNA. Física Quântica

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1 FÍSICA MODERNA Física Quântica Teoria dos Quanta: Proposta por Planck, em A energia não é continua, mas discreta. As partículas que transportam essa energia bem definida são chamadas de fótons. E=h. f E = Energia, usualmente utilizada em ev (Elétron-Volt) 1 ev = 1,6x10-19 J h = Constante de Planck = 6,63 x J.s f = frequência, em Hertz. Lembre-se: a frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda Um elétron absorve (ou emite) um quantum E = hf ou nada (não é contínuo, é discreto). Fótons: Partículas (e ondas) de massa nula que transportam energia e viajam na velocidade da luz. Efeito Fotoelétrico: A luz ultravioleta, ao atingir um metal pode arrancar elétrons que terão uma determinada energia cinética que depende apenas do material e da freqüência da luz. E c =h.f φ A energia cinética de cada fotoelétron arrancado é igual a energia incidente (h.f) menos a energia necessária para arrancá-lo (φ). φ = freqüência de corte depende do material A intensidade de luz apenas aumenta o número de colisões entre fótons e elétrons, resultando um número maior de elétrons arrancados, mas todos com a mesma energia. f= c λ Dualidade Onda-Partícula: A luz é composta por fótons, entes quânticos, sem massa, que se deslocam a velocidade da luz. O conceito de ondas de matéria foi proposto por Louis de Broglie, em λ= h m.v * O produto m.v (ou m.c, no caso da luz) é conhecido como quantidade de movimento, ou momentum. O Modelo Atômico de Böhr: Características: * órbitas circulares; * algumas órbitas estáveis, denominadas estados estacionários. Nelas o átomo não irradia energia. * Na passagem de um estado para o outro E' E=h.f, E n = 13,6 Onde n 2, energia em ev Página 1

2 Ao passar de um estado mais excitado (n = 2) para um menos excitado (n = 1), o átomo emite um fóton. Ao passar de um estado menos excitado (n = 1), para um mais excitado (n = 2), o átomo absorve um fóton. Física Nuclear Fusão Nuclear: Os núcleos de um átomo se fundem para formar um novo elemento químico, liberando energia. Ocorre até o Fe 56. Ex: Sol. Fissão Nuclear: Elemento Instável se quebra, produzindo dois elementos mais leves, liberando nêutrons e energia. Ocorre a partir do Fe 56. Ex: Usinas Nucleares, Bomba Atômica Radioatividade: Emissão espontânea de partículas e radiações eletromagnéticas por parte do núcleo. Existem três tipos de radiações. unidades. Partículas α: Emissão de 2 prótons e 2 nêutrons. O número de massa diminui 4 unidades, e o número atômico U 4 2 α Th Partículas β: Nêutron transforma-se um próton, antineutrino e um elétron, que é expelido pelo núcleo com alta energia. O número de massa se mantém constante, e o número atômico aumenta 1 unidade Cs 0 1 β Ba Partícula γ: Radiação eletromagnética emitida pelo núcleo. Meia-vida: A meia-vida de um elemento radioativo é o intervalo de tempo após o qual o número de átomos radioativos existentes em certa amostra fica reduzido à metade. A meia-vida é chamada, também, de período de semidesintegração. Teoria da Relatividade Restrita Idealizada por Einstein, em 1905 no seu trabalho Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento. Postulados de Einstein: 1º - As leis da Física são idênticas em relação a qualquer referencial inercial. 2º - A velocidade da luz no vácuo é uma constante universal. É a mesma velocidade em todos os sistemas inerciais de referência. Não depende do movimento da fonte de luz e tem igual valor em todas as direções. Consequências: Simultaneidade: As interações não são simultâneas, elas são transmitidas na velocidade da luz, ou seja, ação e reação ocorrem em tempos diferentes. Contração do Comprimento: O comprimento se reduz na direção do movimento. Dilatação do Tempo: Para um observador que viaja próximo a velocidade da luz, mas está em repouso em relação ao um objeto, dizemos este é o tempo próprio. Todos os outros observadores medirão um intervalo de tempo maior que este. Esse fenômeno é conhecido como dilatação temporal. Massa pode se transformar em energia, e vice-versa. Nenhum corpo massivo pode alcançar a velocidade da luz, pois necessitaria de energia infinita. Página 2

3 Física Quântica: 01. Cerca de 60 fótons devem atingir a córnea para que o olho humano perceba um flash de luz, e aproximadamente metade deles são absorvidos ou refletivos pelo meio ocular. Em média, apenas 5 dos fótons restantes são realmente absorvidos pelos fotoreceptores (bastonetes) na retina, sendo os responsáveis pela percepção luminosa. (Considere a constante de Planck h igual a 6,6 x J.s) Com base nessas informações, é correto afirmar que, em média, a energia absorvida pelos fotoreceptores quando luz verde com comprimento de onda igual a 500 nm atinge o olho humano é igual a (A) 3,30 x J. (B) 3,96 x J. (C) 1,98 x J. (D) 3,96 x J. (E) 1,98 x J. 02. Na passagem do século XIX para o século XX, várias questões e fenômenos que eram temas de discussão e pesquisa começaram a ser esclarecidos graças a idéias que, mais tarde, viriam constituira área da física hoje conhecida como Mecânica Quântica. Na primeira coluna da tabela abaixo, estão listados três destes temas; na segunda, equações fundamentais relacionadas às soluções encontradas 1 Radiação do Corpo Negro 2 Efeito Fotoelétrico 3 Ondas de Matéria (a) λ = h/p (Postulado de Louis de Broglie) (b) P = σst 4 (Lei de Stefan-Boltzmann) (c) K = hf W (Relação de Einstein) Assinale a alternativa que associa corretamente os temas apontados na primeira coluna às respectivas equações, listadas na segunda coluna. (A) 1(a) 2(b) 3(c) (B) 1(a) 2(c) 3(b) (C) 1(b) 2(c) 3(a) (D) 1(b) 2(a) 3(c) (E) 1(c) 2(b) 3(a) 03. Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do texto abaixo, na ordem em que aparecem. Os espectros de emissão provenientes de elementos atômicos presentes em galáxias distantes apresentam linhas que não coincidem com aquelas observadas, para os mesmos elementos, quando a fonte está em repouso no laboratório. Interpretando esse efeito como efeito Doppler produzido pelo movimento relativo entre as galáxias, concluí-se que o Universo encontra-se em expansão, pois os comprimentos de onda dos fótons observados apresentam um desvio para o vermelho. Esse desvio corresponde à observação de comprimentos de onda maiores do que aqueles observados a partir de fontes em repouso. Com base no texto acima e levando em conta que no vácuo intergaláctico a velocidade de propagação de um fóton emitido pela galáxia é... velocidade de propagação da luz no vácuo, conclui-se que um fóton proveniente de uma fonte em repouso no laboratório possui energia... a de um fóton, correspondente a uma mesma linha de emissão, proveniente de uma galáxia que está se afastando. (A) menor que a menor que (B) menor que a maior que (C) igual à menor que (D) igual à maior que (E) maior que a menor que 04. O espectro de radiação emitido por um corpo negro ideal depende basicamente de (A) seu volume. (B) sua condutividade térmica. (C) sua massa. (D) seu calor específico. (E) sua temperatura. 05. Um átomo em seu estado fundamental absorve a energia de um fóton e passa para um estado excitado. Sabe-se que, ao decair para outro estado intermediário (exceto o fundamental), o átomo emite um fóton. Considere as seguintes afirmações a esse respeito. I O estado intermediário tem energia maior que o estado fundamental. II O fóton emitido tem freqüência menor que o fóton absorvido. III Ao emitir o fóton, o átomo não recua. (A) apenas I. (B) apenas I e II. (C) Apenas I e III. (D) Apenas II e III. (E) I, II e III. Página 3

4 Resolução Comentada Questão 5 I- Correta: O estado fundamental é o estado de menor energia, portanto qualquer estado intermediário terá maior energia. II- Correta: Ao decair de um estado excitado para um estado menos excitado, o elétron emite um fóton. No problema, o elétron não decai para o seu estado original do problema (fundamental), mas para um segundo estado intermediário. Portanto, a energia emitida será menor que a energia absorvida para eleválo do estado fundamental. Se ele voltasse para o estado fundamental, a freqüência seria a mesma. III- Falsa: O fóton apresenta comportamento dual (onda e partícula), por isso devido ao principio de conservação da quantidade de movimento, ao emitir um fóton para frente, o átomo deve recuar. Resposta correta: Letra B 06. Quando se faz incidir luz de uma certa freqüência sobre uma placa metálica, qual é o fator que determina se haverá ou não emissão de fotoelétrons? (A) A área da placa. (B) O tempo de exposição da placa à luz. (C) O material da placa. (D) O ângulo de incidência da luz. (E) A intensidade da luz. Resolução Comentada Questão 6 A questão se refere ao fato de haver, ou não, emissão de fotoelétrons, e não a quantidade que será emitida. Só há emissão quando a energia da onda (que depende da frequência) é superior a função trabalho, que é uma característica do material. Resposta Correta: C 07. Em 1999, um artigo de pesquisadores de Viena (M. Arndt e outros) publicado na revista Nature, mostrou os resultados de uma experiência de interferência realizada com moléculas de fulereno até então os maiores objetos a exibir dualidade onda-partícula. Nessa experiência, as moléculas de fulereno, que consistem em um arranjo de 60 átomos de carbono, eram ejetadas de um forno e passavam por um sistema de fendas antes de serem detectadas sobre um anteparo. Após a detecção de muitas dessas moléculas, foi observado sobre o anteparo um padrão de interferência similar ao do elétron, a partir do qual o comprimento de onda de de Broglie associado à molécula foi então medido. Os pesquisadores verificaram que o comprimento de onda de de Broglie associado a uma molécula de fulereno com velocidade de 220 m/s é de 2,50 x 10 - ²² m, em concordância com o valor teoricamente previsto. Qual seria o comprimento de onda de de Broglie associado a uma molécula de fulereno com velocidade de 110 m/s? (A) 1,00 x 10 - ¹¹. (B) 5,00 x 10 - ¹². (C) 1,25 x 10 - ¹². (D) 6,25 x 10 - ¹³. (E) 3,12 x 10 - ¹³. 08. Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do texto abaixo, na ordem em que aparecem. De acordo com a Física Quântica, a energia interna de um átomo está quantizada em níveis discretos. Pelo modelo atômico de Bohr, os valores de energia dos níveis discretos do átomo de hidrogênio livre são dados por E n = 2,18 x10 18 J n 2,n= 1,2,3,... Onde n é o número quântico que identifica cada nível de energia. Sendo h = 6,6 x J.s o valor aproximado da constante de Planck, para sofrer uma transição atômica do nível inicial n = 3 para o nível fundamental n = 1, um átomo de hidrogênio deverá... radiação eletromagnética de freqüência aproximadamente igual a... hertz. (A) absorver 1,6 x (B) emitir 2,5 x (C) absorver 3,6 x (D) emitir 2,9 x (E) absorver 3,3 x A intensidade luminosa é a quantidade de energia que a luz transporta por unidade de área transversal à sua direção de propagação e por unidade de tempo. De acordo com Einstein, a luz é constituída por partículas, denominadas fótons cuja energia é proporcional à sua freqüência. Luz monocromática com freqüência de 6 x Hz e intensidade de 0,2 J/m².s incide perpendicularmente sobre uma superfície de água igual a 1 cm². Qual o número aproximado de fótons que atinge a superfície em um intervalo de tempo de 1 segundo? (Constante de Planck: h = 6,63 x J.s) (A) 3 x (B) 8 x (C) 5 x (D) 4 x (E) 6 x Página 4

5 Resolução Comentada Questão 9 Lendo com atenção ao enunciado, chegamos a conclusão que: I= E Total A. Δt 0,2= E Total E Total =2x10 5 J Essa é a energia da luz que atinge a superfície do problema. foton E=h.f E=6,63 x x10 14 E=4x10 19 J Essa é a energia de um fóton. Através de uma regra três, podemos determinar a quantidade de fótons que atingem a superfície. 1foton= 4x10 19 J xfotons=2x10 4 J x= 2x10 5 4x10 19 x=5x10 13 fotons Resposta correta: letra C. III. A letra C representa uma constante, cuja unidade no Sistema Internacional é J, que corresponde à energia mínima que a luz incidente deve fornecer a um elétron do metal para remove-lo do mesmo. (A) Apenas I. (B) Apenas II. (C) Apenas I e III. (D) Apenas II e III. (E) I, II e III. 11. Um átomo de hidrogênio tem sua energia quantizada em níveis de energia (En), cujo valor genérico é dado pela expressão En = - Eo / n², sendo n igual a 1, 2, 3,... e Eo igual à energia do estado fundamental (que corresponde a n = 1). Supondo-se que o átomo passe do estado fundamental para o terceiro nível excitado (n = 4), a energia do fóton necessário para provocar essa transição é 1 (A) 16 Eo (B) 1 4 Eo (C) 1 2 Eo 10. Em 1887, quando pesquisava sobre geração e a detecção de ondas eletromagnéticas, o físico Heinrich Hertz ( ) descobriu o que hoje conhecemos por efeito fotoelétrico. Após a morte de Hertz, seu principal auxiliar, Philip Lenard (18), prosseguiu a pesquisa sistemática sobre o efeito descoberto por Hertz. Entre as várias constatações experimentais daí decorrentes, Lenard observou que a energia cinética máxima, K MAX, dos elétrons emitidos pelo metal era dada por uma expresão matemática bastante simples: K MAX = B.f C onde B e C são duas constantes cujos valores podem ser determinados experimentalmente. A respeito da referida expressão matemática, considere as seguintes afirmações. I. A letra f representa a freqüência das oscilações de uma força eletromotriz alternada que deve ser aplicada ao metal. II. A letra B representa a conhecida Constante Planck cuja unidade no Sistema Internacional é J.s. (D) Eo (E) Eo Resolução Comentada Questão 11 E = E 4 - E 1, mas como E = -Eo/n² E = -E 4 - (-E 1) = E 1 - E 4 ΔE= Eo 1 Eo ΔE= Eo 1 Eo 16 ΔE= 16Eo Eo 16 ΔE= Eo 12. Nas equações matemáticas utilizadas na física, freqüentemente encontramos um elemento básico que chamamos constante física. São exemplos bem conhecidos de constante física a constante k de Boltzmann, a constante universal R dos gases, a velocidade c da luz e a constante h de Planck. As duas primeiras estão presentes na teoria cinética dos gases, a velocidade da luz aparece como constante na teoria Página 5

6 da relatividade e a constante de Planck está presente na teoria quântica. A respeito das constantes citadas, são feitas as seguintes afirmações. I Há uma relação de proporcionalidade entre a constante k de Boltzmann e a constante universal R dos gases. II Desde 1983, o valor da velocidade da luz no vácuo é usado para definir o metro, por decisão do Comitê Internacional de Pesos e Medidas. III O quociente da energia pela freqüência de um fóton é igual à constante de Planck. (A) apenas I (B) apenas II. (C) Apenas I e III. (D) Apenas II e III. (E) I, II e III. 13. No inicio do século XX, as teorias clássicas da física como o eletromagnetismo de Maxwell e a mecânica de Newton não conduziam a uma explicação satisfatória para a dinâmica do átomo. Nessa época, duas descobertas históricas tiveram lugar: o experimento de Rutherford demonstrou a existência do núcleo atômico, e a interpretação de Einstein para o efeito fotoelétrico revelou a natureza corpuscular da interação da luz com a matéria. Em 1913, incorporando o resultado dessas descobertas Bohr propôs um modelo atômico que obteve grande sucesso, embora não respeitasse as leis da física clássica. Considere as seguintes afirmações sobre a dinâmica do átomo. I No átomo, os raios das órbitas dos elétrons podem assumir um conjunto continuo e valores, tal como os raios das órbitas dos planetas em torno do sol. II O átomo pode existir, sem emitir radiação, em estados estacionários cujas energias só podem assumir um conjunto discreto de valores. III O átomo absorve ou emite radiação somente ao passar de um estado estacionário para outro. Quais dessas afirmações foram adotadas por Bohr como postulados para o seu modelo atômico? (A) Apenas I (B) Apenas II (C) Apenas III (D) Apenas II e III (E) I, II e III 14. Selecione a alternativa que preenche corretamente as lacunas do texto abaixo, na ordem em que elas aparecem. Uma lâmpada de iluminação pública contém vapor de mercúrio a baixa pressão. Quando ela está em funcionamento, dois eletrodos no interior da lâmpada submetem o gás a uma tensão, acelerando íons e elétrons. Em conseqüência das colisões provocadas por essas partículas, os átomos são levados a estados estacionários de energia mais alta (estados excitados). Quando esses átomos decaem para estados menos excitados, ocorre emissão de luz. A luz emitida pela lâmpada apresenta, então, um espectro..., que se origina nas... de elétrons entre os diferentes níveis... de energia. (A) discreto transições atômicos (B) discreto transições nucleares (C) contínuo colisões atômicos (D) contínuo colisões nucleares (E) contínuo transições atômicos 15. Os modelos atômicos anteriores ao modelo de Bohr, baseados em conceitos da física clássica, não explicavam o espectro de raias observado na análise espectroscópica dos elementos químicos. Por exemplo, o espectro visível do átomo de hidrogênio que consiste de quatro raias distintas, de freqüência bem definidas. No modelo que Bohr propôs para o átomo de hidrogênio, o espectro de raias de diferentes freqüências é explicado (A) pelo caráter contínuo dos níveis de energia do átomo de hidrogênio. (B) pelo caráter discreto dos níveis de energia do átomo de hidrogênio. (C) pela captura de três outros elétrons pelo átomo de hidrogênio. (D) pela presença de quatro isótopos diferentes numa amostra comum de hidrogênio. (E) pelo movimento em espiral do elétron em direção ao núcleo do átomo de hidrogênio. 16. O decaimento de um átomo, de um nível de energia excitado para um nível de energia mais baixo, ocorre com a emissão simultânea de radiação eletromagnética. A esse respeito, considere as seguintes afirmações. I A intensidade de radiação emitida é diretamente proporcional à diferença de energia entre os níveis inicial e final envolvidos. Página 6

7 II A freqüência da radiação emitida é diretamente proporcional à diferença de energia entre os níveis inicial e final envolvidos. III O comprimento de onda da radiação emitida é inversamente proporcional à diferença de energia entre os níveis inicial e final envolvidos. (A) Apenas I. (B) Apenas II. (C) Apenas I e III. (D) Apenas II e III. (E) I, II e III. 17. Considere as seguintes afirmações sobre o efeito fotoelétrico. Em fenômenos como interferência e difração, por exemplo, ela apresenta um comportamento.... Em processos de emissão e absorção, por outro lado, ela pode apresentar comportamento..., sendo nesses casos, descria por pacotes de energia (fótons) que se movem no vácuo com velocidade c = km/s e têm massa.... (A) ondulatório ondulatório nula (B) ondulatório corpuscular nula (C) corpuscular ondulatório diferente de zero (D) corpuscular corpuscular diferente de zero (E) ondulatório corpuscular diferente de zero 20. O diagrama abaixo representa alguns níveis de energia do átomo de hidrogênio. 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. (A) Apenas I (B) Apenas II (C) Apenas I e II (D) Apenas I e III (E) I, II e III 18. 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 19. Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do texto abaixo. Segundo a interpretação vigente, a radiação eletromagnética tem uma natureza bastante complexa. Qual é a energia do fóton emitido quando o átomo sofre uma transição do primeiro estado excitado para o estado fundamental? (A) 1,8 ev (B) 5,0 ev (C) 10,2 ev (D) 12,0 ev (E) 17,0 ev 21. 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 diretamente proporcional à... da radiação envolvida nessa troca de energia. Assinale a alternativa que, pela ordem, preenche corretamente as lacunas. (A) contínua quanta amplitude (B) descontínua prótons freqüência (C) descontinua fótons freqüência (D) continua elétrons intensidade (E) contínua nêutrons amplitude Página 7

8 22. No ano passado, comemorou-se o centenário de divulgação de teorias atribuídas a Albert Einstein. Entre elas, destaca-se a do efeito fotoelétrico, o qual consiste na retirada de elétrons da superfície de um metal atingido por radiações eletromagnéticas que cedem energia aos elétrons do metal. Nesse efeito, a energia dos fótons incidentes depende diretamente da da radiação incidente, enquanto o número de elétrons liberados por ação da radiação depende da dessa radiação. As informações que preenchem corretamente e respectivamente as lacunas estão reunidas em (A) intensidade velocidade (B) intensidade freqüência (C) freqüência intensidade (D) freqüência velocidade (E) velocidade intensidade 23. Em 1905, Einstein propôs que a luz poderia se comportar como particular, os fótons, cuja energia E seria dada por E = hf, onde h é a constante de Planck e f é a freqüência da luz. Já em 1923, inspirado nas idéias de Einstein, Luis de Broglie propôs que qualquer partícula em movimento poderia exibir propriedades ondulatórias. Assim sendo, uma partícula em movimento apresentaria uma onda associada cujo comprimento de onda λ seria dado por λ= h p onde h é a constante de Planck e p é o momento linear da partícula. Estas relações participam da descrição do comportamento dualístico (partícula-onda) da matéria. Supondo que um elétron, um próton e uma bola de futebol se movam com a mesma velocidade escalar, a seqüência das partículas, em ordem crescente de seus comprimentos de onda associados, é: (A) elétron bola de futebol próton (B) elétron próton bola de futebol (C) próton bola de futebol elétron (D) bola de futebol elétron próton (E) bola de futebol próton elétron 24. Um dos cientistas mais populares da atualidade é Albert Einstein, principalmente pela conhecida Teoria da Relatividade. Entretanto, foi a sua explicação sobre o chamado Efeito Fotoelétrico que resultou em um Prêmio Nobel, em O efeito fotoelétrico consiste em arrancar elétrons de um metal pela incidência de radiação eletromagnética de certa frequência. A base dessa teoria consiste no fato de que toda radiação eletromagnética, segundo Einstein, é constituída por quanta (plural de quantum) de energia, os fótons. Ainda de acordo com essa teoria, a energia de cada fóton é dada por E = hf, onde h representa a constante de Planck e f representa a frequência da radiação. Sobre o efeito fotoelétrico, então, é correto afirmar que (A) independentemente do número de fótons da radiação incidente, cada fóton só arrancará um elétron se a energia desse fóton for suficiente para tal. (B) qualquer que seja a frequência da radiação incidente, os fótons terão energia para arrancar elétrons do metal sobre o qual incidem. (C) quanto maior for o número de fótons da radiação incidente sobre um metal, mais elétrons serão arrancados, independentemente da sua energia. (D) quanto maior for o comprimento de onda dos fótons da radiação incidente, mais elétrons serão arrancados. (E) quanto maior for a velocidade dos fótons da radiação incidente, mais elétrons serão arrancados. Física Nuclear: 01. Em 2011, Ano Internacional da Química, comemorase o centenário do Prêmio Nobel de Química concedido a Marie Curie pela descoberta dos elementos radioativos Rádio (Ra) e Polônio (Po). Os processos de desintegração do 224 Ra em 220 Rn e do 216 Po em 212 Pb são acompanhados, respectivamente, da emissão de radiação (A) α e α (B) α e β (C) β e β (D) β e γ (E) γ e γ 02. 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 Página 8

9 03. Recentemente foi inaugurado o LHC, um grande acelerador de partículas que deverá permitir a recriação das condições do universo logo após o Big Bang. De acordo com as teorias atuais, os prótons e os nêutrons são formados, cada um, por três partículas elementares chamadas de quarks. Existem doze tipos de quarks na natureza, mas os prótons e nêutrons são formados por apenas dois tipos. O quark up (u) possui carga elétrica positiva igual a 2/3 do valor da carga elétrica elementar (e), enquanto o quark down (d) possui carga elétrica negativa igual a 1/3 do valor da carga elétrica elementar. Assinale a alternativa que representa a composição do próton (p) e do nêutron (n), respectivamente: (A) (p) u, d, d (n) u, d, u. (B) (p) d, d, u (n) d, d, d. (C) (p) u, u, u (n) u, d, u. (D) (p) u, u, d (n) u, d, d. (E) (p) u, u, d (n) u, u, u. 04. Quando núcleo do átomo de um elemento emite uma partícula α ou β, forma-se o núcleo de uma partícula diferente. No gráfico abaixo, estão representados algumas transformações de um elemento em outro: o eixo vertical corresponde ao número atômico do elemento, e o eixo horizontal indica o número de nêutrons no núcleo do elemento. 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 06. 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. As transformações I, II e III assinaladas no gráfico correspondem, respectivamente, a emissões de partículas (A) α, β e α (B) α, β e β (C) α, α e β (D) β, α e β (E) β, β e α 05. Para responder à questão 10, 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 (A) Apenas I (B) Apenas II (C) Apenas I e III (D) Apenas II e III (E) I, II e III 07. O PET (Positron Emission Tomography ou tomografia por emissão de pósitron) é uma técnica de diagnóstico por imagens que permite mapear a atividade cerebral por meio de radiações eletromagnéticas emitidas pelo cérebro. Para a realização do exame, o paciente ingere uma solução de glicose contendo o isótopo radioativo flúor-18, que tem meia-vida de 110 minutos e decai por emissão de pósitron. Essa solução é absorvida rapidamente pelas áreas cerebrais em maior atividade. Os pósitrons emitidos pelos núcleos de flúor-18, ao encontrar Página 9

10 elétrons das vizinhas, provocam por aniquilação de par, a emissão de fótons de alta energia. Esses fótons são empregados para produzir uma imagem do cérebro em funcionamento. Supondo-se que não haja eliminação da solução pelo organismo, que porcentagem da quantidade de flúor-18 ingerido ainda permanece presente no paciente 5 horas e 30 minutos após a ingestão? (A) 0,00% (B) 12,50% (C) 33,33% (D) 66,66% (E) 87,50% 08. Em 1905, como conseqüência da sua Teoria da Relatividade Especial, Albert Einstein ( ) 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 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. (A) Apenas I. (B) Apenas II. (C) Apenas III. (D) Apenas I e II. (E) Apenas I e III. 09. Um contador Geiger indica que a intensidade da radiação beta emitida por uma amostra de determinado elemento radioativo cai pela metade em cerca de 20 horas. A fração aproximada do número inicial de átomos radioativos dessa amostra que se terão desintegrado em 40 horas é (A) 1/8. (B) 1/4. (C) 1/3. (D) 1/2. (E) 3/ Selecione a alternativa que preenche corretamente as lacunas do texto abaixo, na ordem em que elas aparecem. Entre os diversos isótopos de elementos químicos encontrados na natureza, alguns possuem núcleos atômicos instáveis e, por isso, são radioativos. A radiação emitida por esses três isótopos instáveis pode ser de três classes. A classe conhecida como radiação alfa consiste em núcleos.... Outra classe de radiação é constituída de elétrons e é denominada radiação.... Uma terceira classe de radiação, denominada radiação..., é formada de partículas eletricamente neutras chamadas de.... Dentre essas três radiações, a que possui maior poder de penetração nos materiais é a radiação.... (A) hidrogênio gama beta nêutrons beta. (B) hidrogênio beta gama nêutrons alfa. (C) hélio beta gama fótons gama. (D) deutério gama beta neutrinos gama. (E) hélio beta gama fótons beta. 11. Selecione a alternativa que preenche corretamente as lacunas do parágrafo abaixo, na ordem em que elas aparecem. Na partícula alfa que é simplesmente um núcleo de Hélio existem dois..., que exercem um sobre o outro uma força... de origem eletromagnética e que são mantidos unidos pela ação de forças.... (A) nêutrons atrativa elétricas (B) elétrons repulsiva nucleares (C) prótons repulsiva nucleares (D) prótons repulsiva gravitacionais (E) nêutrons atrativa gravitacionais 12. Selecione a alternativa que preenche corretamente as lacunas no texto abaixo. A chamada experiência de Rutherford ( ) consistiu essencialmente em lançar, contra uma lâmina muito delgada de ouro, um feixe de partículas emitidas por uma fonte radioativas. Essas partículas, cuja carga elétrica é..., são conhecidas como partículas.... (A) positiva alfa (B) positiva beta (C) nula gama (D) negativa alfa (E) negativa beta Página 10

11 13. A experiência de Rutherford ( ), 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. 14. 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 15. 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 16. Supondo que a meia-vida de um isótopo radioativo seja um dia, após 48 horas a quantidade restante deste isótopo será (A) 1/2 da quantidade inicial. (B) 1/4 da quantidade inicial. (C) 1/24 da quantidade inicial. (D) 1/48 da quantidade inicial. (E) zero. 17. O gráfico mostra as curvas de decaimento radioativo de duas amostras X e Y de duas substâncias radioativas puras. P indica o percentual de átomos radioativos presentes nas amostras em função do tempo. A partir dessa situação, é possível afirma que (A) a meia-vida de X é o dobro da de Y. (B) X e Y têm o mesmo número de átomos radioativos no instante 3t. (C) em relação a X, a amostra Y possui o dobro de átomos radioativos transformados no instante 4t. (D) transcorrido um tempo 2t, o número de átomos radioativos da amostra X que ainda permanece inalterado é igual ao dobro do número da amostra Y. (E) transcorrido um tempo 6t, o percentual do número original de átomos radioativos da amostra X que se desintegraram é maior do que o da Y. 18. Entre as partículas alfa (α), beta (β) e gama (γ), indique: a) a que tem o maior poder de penetração. b) as que têm cargas elétricas. a) b) (A) α β e γ (B) α α e β (C) β β e γ (D) γ α e β (E) γ α e γ 19. 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. Página 11

12 (A) Apenas I (B) Apenas II (C) Apenas I e III (D) Apenas II e III (E) I, II e III 20. 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 (0 3) 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 21. Em um processo de transmutação natural, um núcleo radioativo de U-238, isótopo instável do urânio do tório, através da reação nuclear U Th+X Por sua vez, o núcleo-filho Th-234, que também é radioativo, transmuta-se em um núcleo do elemento protactínio, através da reação nuclear Th Pa+Y O X da primeira reação nuclear e o Y da segunda reação nuclear são, respectivamente, (A) uma partícula alfa e um fóton de raio gama. (B) uma partícula beta e um fóton de raio gama. (C) um fóton de raio gama e uma partícula beta. (D) uma partícula beta e uma partícula beta. (E) uma partícula alfa e uma partícula beta. 22. INSTRUÇÃO: Responder à questão 22 com base nas informações a seguir e nas afirmativas. Defini-se como meia-vida de um elemento radioativo o tempo necessário para que a metade de seus átomos tenha se desintegrado. No caso do Césio-137, a meiavida é 30 anos. O gráfico abaixo indica o percentual de átomos radioativos, P(%), presentes em duas amostras radioativas puras, X e Y, em função do tempo, medido em unidades t. A partir do gráfico, afirma-se que I. a meia de X é o dobro da de Y. II. a meia-vida de X é 3 t. III. transcorrido um tempo 6 t, o percentual de átomos radioativos, da amostra X, que se desintegraram é maior do que o da amostra Y. Pela análise das informações acima, conclui-se que está / estão correta(s) apenas a(s) afirmativa(s). (A) I. (B) II. (C) III. (D) I e III. (E) II e III. Teoria da Relatividade Restrita 01. De acordo com a Teoria da Relatividade, quando objetos se movem através do espaço-tempo com velocidades da ordem da velocidade da luz, as medidas de espaço e tempo sofrem alterações. A expressão da contração espacial é dada por L=L o (1 v 2 /c 2 ) 1/2 onde v é a velocidade relativa entre o objeto observado e o observador, c é a velocidade de propagação da luz no vácuo, L é o comprimento medido para o objeto em movimento, e Lo é o comprimento medido para o objeto em repouso A distância Sol-Terra para um observador fixo na Terra é Lo = 1,5x10 11 m. Para um nêutron com velocidade v = 0,6 c, essa distância é de (A) 1,2 x m. (B) 7,5 x m. Página 12

13 (C) 1,0 x m. (D) 1,2 x m. (E) 1,5 x m. 02. 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. (A) Apenas I (B) Apenas II (C) Apenas I e II (D) Apenas II e III (E) I, II e II 03. 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 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 04. Num futuro em que as viagens para o espaço serão freqüentes, 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. Página 13

14 Respostas dos Exercícios Física Quântica 01. (UFRGS 2011) E 02. (UFRGS 2010) C 03. (UFRGS 2009) D 04. (UFRGS 2008) E 05. (UFRGS 2008) B 06. (UFRGS 2007) C 07. (UFRGS 2007) B 08. (UFRGS 2006) D 09. (UFRGS 2004) C 10. (UFRGS 2005) D 11. (UFRGS 2004) D 12. (UFRGS 2003) E 13. (UFRGS 2003) D 14. (UFRGS 2003) A 15. (UFRGS 2002) B 16. (UFRGS 2002) D 17. (UFRGS 2001) E 18. (UFRGS 2000) B 19. (UFRGS 1998) B 20. (UFRGS 1997) C 21. (UFRGS 1994) C 22. (PUCRS 2007/1) C 23. (PUCRS 2008/1) E 24. (PUCRS 2009/2) A Física Nuclear 01. (UFRGS 2011) A 02 (UFRGS 2010) D 03. (UFPel 2009/1) D 04. (UFRGS 2009) E 05. (PUCRS 2010/2) D 06. (UFRGS 2008) E 07. (UFRGS 2007) B 08. (UFRGS 2006) E 09. (UFRGS 2005) E 10. (UFRGS 2005) C 11. (UFRGS 2002) C 12. (UFRGS 2001) A 13. (UFRGS 2001) D 14. (UFRGS 2000) B 15. (UFRGS 2000) B 16. (UFRGS 1998) B 17. (UFRGS 1995) E 18. (UFRGS 1995) D 19. (UFRGS 1993) C 20. (UFRGS 1992) D 21. (UFRGS 2004) E 22. (PUCRS 2006/2) C Relatividade Restrita 01 (UFRGS 2011) D 02. (UFRGS 2009) C 03. (UFRGS 2008) C 04. (UCS 2005/1) D Fonte Bibliográfica: Prof Luciano Mentz Página 14