FENÓMENOS CORPUSCULARES E ONDULATÓRIOS

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1 FENÓMENOS CORPUSCULARES E ONDULATÓRIOS

2 Interferência de ondas Onda resultante Onda 1 Onda 2 Duas ondas em fase Duas ondas desfasadas de λ/2

3 Figura de Interferência de ondas

4 DIFRACÇÃO Se o comprimento de onda é da ordem de grandeza da abertura, a onda sofre difracção Se o comprimento de onda não é comparável à abertura, apenas ocorre difracção diminuta nas bordas.

5 Ondas Estacionárias A n=2 n=1 0 L -A Se o comprimento total for L: λ pode ter apenas alguns valores: é quantificado n=1 λ=2l n=2 λ=l n=3 λ=2l/3 λ=2l/n

6 RADIAÇÃO ELECTROMAGNÉTICA Carga oscilante Comprimento de onda c (vácuo) = m.s -1 λ = c Τ = c/ν Direcção de propagação período frequência

7 ESPECTRO DA RADIAÇÃO ELECTROMAGNÉTICA λ 0.1 pm 1 pm 100 nm 400 nm 1 μm 1 mm 10 cm Raios cósmicos Raios γ Raios X Ultravioleta l Visível Infra vermelho Micro- ondas Rádio 400 nm 770 nm Frequência (ν)

8 Espectro da radiação electromagnática λ cm 10 9 cm 10 6 cm 10 4 cm 10 2 cm 1 cm 1 km Radiação gama Raios-X Visível Microondas Ultravioleta Infravermelho Rádio

9 FIGURAS DE DIFRACÇÃO Onda planar monocromática (ex: laser) Ecrã com duas Ecrã Ecrã óptico fendas óptico (visto de frente)

10 CARÁCTER CORPUSCULAR DA LUZ Não há emissão de electrões Potássio 2.0 ev necessários para haver ejecção de electrões EFEITO FOTOELÉCTRICO Descoberto por Heinrich Hertz em 1887

11 EFEITO FOTOELÉCTRICO E cin electrões / J Césio Sódio ν / s -1

12 OBSERVAÇÕES: EFEITO FOTOELÉCTRICO 1. Haver ou não emissão de fotoelectrões depende da frequência da radiação incidente e não da intensidade do feixe: luz de baixa frequência não causa ejecção de electrões, qualquer que seja a intensidade; id d 2. Para luz acima de uma certa frequência: - a energia cinética dos fotoelectrões é proporcional à frequência da luz incidente; id - o número de electrões ejectados é proporcional à intensidade da excitação. 3. Os electrões são emitidos imediatamente, t sem atraso; Einstein (1905): a energia do feixe incidente está concentrada em quanta de energia, e cada quantum (E=hν) é transportado por um corpúsculo (fotão) e pode ser absorvido por um electrão. h (contante de Planck) = Js J.s

13 EFEITO FOTOELÉCTRICO Condição de emissão de fotoelectrões: E feixe >Energia de ligação do electrão ao metal (W) E c = E feixe -W = hν -W E c = 1/2m e v 2

14 Dualismo onda-corpúsculo da luz E = hν E = mc 2 hν= mc 2 Como ν=c/λ hν= hc/λ=mc/ 2 donde h/λ=mc=p λ=h/p

15 Dualismo onda-corpúsculo da luz Fenómeno Reflexão Refracção Interferência Difracção Polarização Pode ser explicado em termos de ondas Pode ser explicado em termos de partículas Efeito Fotoeléctrico

16 Hipótese de Louis de Broglie (1923) Extensão do dualismo onda-corpúsculo a qualquer partícula λ=h/p Por exemplo aos electrões, conhecidos desde 1897 (Thompson) : m e = kg e = C Se a partícula não é relativista, λ=h/p=h/(mv) = h/ 2mE c

17 DIFRACÇÃO DE ELECTRÕES DAVIDSON e GERMER 1925 Hipótese de de Broglie Relação de de Broglie: λ=h/p=h/(mv) para qualquer partícula de massa m

18 n=3 n=2 n=1 Características de uma onda estacionária: Os nodos e os ventres ocorrem sempre nos mesmos pontos; O comprimento de onda é quantificado: λ=2l/n, com n= 1, 2, 3, ψ(x,t) ( ) é a soma de duas funções de onda [ψ(x,t) = A sen(kx+ωt)] com o mesmo λ e a mesma v, deslocando-se em sentidos opostos: ψ 3 ψ 2 ψ 1 0 x L λ=2l/n λ=2l/3 λ=l λ=2l ψ(x,t) = A sen(kx+ωt) + A sen(kx-ωt) = A [sen(kx+ωt) + sen(kx-ωt)] = A [senkx 2 cosωt)] = A senkx 2 cosωt ψ(x) ϕ(t) A função de onda é o produto de duas funções, uma dependente apenas do espaço e outra apenas do tempo, que podem ser estudadas separadamente. Estas funções obedecem a uma eq. muito simples (eq. de onda): d2 ψ(x) dx 2 = -K 2 ψ(x)

19 ψ(x) = A sen Kx ψ(x) λ A x Cálculo do valor de K: Num dado instante t, por exemplo t=0, os nodos da função de onda ocorrem para: x=0, λ/2, λ, 3λ/2,. Ou seja: x=nλ/2 Substituindo na função de onda: ψ(x) = A sen (Kx) = A sen(knλ/2) = 0 Como A 0, sen(knλ/2) = 0 Ou seja: Knλ/2 = nπ Donde: K= 2π/λ K vector de onda ψ(x) = A sen(2πx/λ)

20 Substituindo na equação de onda: d 2 ψ(x) dx 2 = -K 2 ψ(x) = - 4π 2 ψ(x) λ 2 Pela relação de de Broglie para uma partícula não relativista: λ = h 2mE c Substituindo na eq: d 2 ψ(x) 4π 2 2mE = - c ψ(x) dx 2 h 2 Donde: h 2 = - 8π 2 me c ψ(x) h 2 E c ψ(x) ) = - h 2 8π 2 m d 2 ψ(x) dx 2

21 Erwin Schrödinger: E c + E p = E E c. ψ(x) + E p. ψ(x) = E. ψ(x) - h 2 8π 2 m d 2 ψ(x) dx 2 + E p. ψ(x) = E. ψ(x) Equação a uma dimensão (x), independente do tempo, que traduz o comportamento de uma partícula descrita por uma onda (eq. de Schrödinger). Resolvendo-a conhece-se a função de onda ψ(x) e a energia da partícula, ambas quantificadas.

22 Fenómenos Corpusculares Fenómenos Ondulatórios: Sumário 2 - Ondas Progressivas: Interferência, Difracção - Ondas Estacionárias: Quantificação: λ=2l/n - Equação Geral das Ondas (1 dimensão) Carácter Corpuscular dos Fenómenos Ondulatórios (Fotão): - Efeito Fotoeléctrico - Equação de Planck: E=hν - Relação Massa-Comprimento de onda Carácter Ondulatório dos Fenómenos Corpusculares: -Hipótese de De Broglie - Difracção de Electrões

23 Sumário 2 Cont. Dualismo onda-corpúsculo: - Relação de De Broglie: λ=h/p Consequências do Dualismo Onda-Corpúsculo - Princípio de Incerteza de Heisenberg Equação geral das ondas a uma dimensão Equação da Partícula-Onda (eq. de Schrödinger a 1 dimensão). Teoria: Capítulo 1, pág Exercícios: