CAPÍTULO 38 HALLIDAY, RESNICK. 8ª EDIÇÃO

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1 FÍSICA QUÂNTICA: FÓTONS E ONDAS DE MATÉRIA Prof. André L. C. Conceição DAFIS CAPÍTULO 38 HALLIDAY, RESNICK. 8ª EDIÇÃO Fótons e ondas de matéria Revisão 1) Relatividade: Do Tempo: (dilatação temporal) Das Distâncias: v L L0 1 c 2 L L 0 (contração das distâncias) Das velocidades: (transformação relativística das velocidades) 1

2 Revisão 2) Efeito Doppler Apenas a frequência muda. Importante é apenas velocidade entre fonte e detector (fonte e detector se afastando) Freqüência própria (fonte e detector se aproximando) Revisão 3) Energia e momento relativísticos (momento relativístico) (Energia de repouso) K mc 2 1 (Energia cinética relativística) E E0 K mc (Energia cinética e momento) 2 (Energia total) E q mc 2 pc Desafio do dia Como ocorre a produção de energia elétrica nas células fotovoltaicas? 2

3 Um novo mundo Física quântica Por que as estrelas brilham? Tabela periódica Dispositivos microeletrônica Cobre bom condutor Vidro isolante Bioquímica etc O espectro de corpo negro Catástrofe do UV Teoria clássica: Lei de Rayleigh-Jeans u λ = 8πλ 4 O modelo de Planck Equação de Planck: Constante de Planck 6,63x10-34 J.s = 4,14x10-15 ev.s 3

4 Planck e sua constante O fóton Física quântica: mundo microscópico Quantum quantidade elementar Luz onda: O fóton 1905 Einstein: luz quantizada fóton (energia do fóton) Constante de Planck 6,63x10-34 J.s = 4,14x10-15 ev.s Átomos emitem ou absorvem fótons 4

5 Verificação Coloque as radiações a seguir em ordem decrescente da energia dos fótons correspondentes: (a) luz amarela de uma lâmpada de vapor de sódio; (b) raio gama emitido por um núcleo radioativo; (c) onda de rádio emitida pela antena de uma estação de rádio comercial; (d) feixe de microondas emitido pelo radar de controle de trafego aéreo de um aeroporto. Verificação b > a > d > c O espectro eletromagnético comp. de onda (em metros) tam. de um comp. de onda nome comum da onda longo campo de futebol casa ondas de rádio bola de baseball micro-ondas curto célula bactéria vírus proteína molécula de água infravermelho visível ultravioleta raios-x moles raios-x duros raios gama fontes freqüência (Hz) rádio AM cavidade rf rádio FM forno micro-ondas radar pessoas lâmpadas ALS elementos máq. de radiativos raios-x energia de um fóton (ev) baixa alta Exercícios e problemas Uma lâmpada ultravioleta emite luz com um comprimento de onda de 400 nm, com uma potência de 400 W. Uma lâmpada infravermelha emite luz com um comprimento de onda de 700 nm, também com uma potência de 400 W. (a) Qual das duas lâmpadas emite mais fótons por segundo? (b) Quantos fótons por segundo emite esta lâmpada? 5

6 No. de fótons/s = potência/energia de cada fóton Para UV: Para infravermelha (IR): O efeito fotoelétrico O efeito fotoelétrico Luz Fototubo (evacuado) Coletor (positivo) Placa de metal (negativa) Fotoelétrons Energia cinética máxima: Amperímetro VÍDEO 6

7 Potencial de corte V corte (V) O efeito fotoelétrico Freqüência da luz incidente (Hz) Os elétrons são liberados apenas quando a frequência da luz excede um certo valor. Quanto maior a frequência da luz, maior a energia cinética dos elétrons A equação do efeito fotoelétrico E Função trabalho fóton hf K max superfície F Função trabalho elétrons Substituindo K max : reta Verificação A figura abaixo mostra vários gráficos, do potencial de corte em função da freqüência da luz incidente, obtidos com alvo de césio, potássio, sódio e lítio. (a) Coloque os alvos na ordem dos valores das funções trabalho, começando pela maior. (b) Coloque os gráficos na ordem dos valores de h, começando pelo maior. V corte 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 f (10 14 Hz) 7

8 Energia cinética (ev) Freqüência de corte Função trabalho Freqüência Exercícios e problemas O leitor precisa escolher um elemento para uma célula fotoelétrica que funcione com luz visível. Quais dos seguintes elementos são apropriados (a função trabalho aparece entre parênteses): Tântalo (4,2 ev); tungstênio (4,5 ev); alumínio (4,2 ev), bário (2,5 ev), lítio (2,3 ev)? Luz visível: 400 nm ate 700 nm E = 3,11 ev E = 1,77 ev bário (2,5 ev), lítio (2,3 ev) 8

9 Perguntas Das afirmações a seguir a respeito do efeito fotoelétrico, quais são verdadeiras e quais são falsas? (a) Quanto maior a freqüência da luz incidente, maior o potencial de corte. (b) Quanto maior a intensidade da luz incidente, maior a freqüência de corte. (c) Quanto maior a função trabalho do material do alvo, maior a freqüência de corte. (d) Quanto maior a freqüência da luz incidente, maior a energia cinética máxima dos elétrons ejetados. Exercício A intensidade da luz solar na superfície da Terra é aproximadamente 1400W/m 2. Supondo que a energia média do fóton é 2,0 ev (correspondente a um comprimento de onda de aproximadamente 600nm), calcule o número de fótons que atingem uma área de 1,0 cm 2 a cada segundo. E Nhf e I P A onde E P t N 4,38x10 17 Próxima aula Fótons e ondas de matéria (cap. 38 Halliday) Bibliografia Básica: 1) HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; e WALKER, J.; Fundamentos de Física. Volume 4: Óptica e Física Moderna. 8ª edição. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A ) TIPLER, P. A.; LLEWELLYN, R.A.; Física Moderna. 5ª edição. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A