quarta-feira, 30 de novembro de 2016

Cursos do Blog - Eletricidade

Em determinados fenômenos, a luz apresenta natureza corpuscular 
e em outros, natureza ondulatória. É o caráter dual da luz.

37ª aula
O caráter dual da luz

Borges e Nicolau

O cientista holandês Christian Huygens (1629-1695) apresentou a teoria ondulatória da luz, segundo a qual a luz se propaga através do espaço por meio de ondas.

O caráter ondulatório da luz ficou plenamente estabelecido quando o físico escocês John Clerk Maxwell (1831-1879) formulou a teoria ondulatória eletromagnética, considerando a luz uma onda eletromagnética.

A teoria ondulatória justifica muitos fenômenos que ocorrem com a luz, como é o caso da interferência e da difração.

No entanto, o efeito fotoelétrico explicado por Einstein considera a luz como um fluxo de “partículas” ou “corpúsculos”, denominados fótons.

Ao colidir com a superfície de um metal as "partículas de luz" (fótons)podem "arrancar" elétrons desta superfície. Esse fenômeno é chamado de efeito fotoelétrico, resultando da colisão entre duas “partículas”, o fóton e o elétron.

A luz apresenta, portanto, dupla natureza: ondulatória e corpuscular, comportando-se como onda eletromagnética ou como fluxo de partículas, conforme o fenômeno estudado.

É esse o caráter dual de luz.

Como a luz pode se comportar como onda ou como “partícula”, o físico francês Louis De Broglie (1892–1987) apresentou, em 1924, a seguinte hipótese: partículas também possuem propriedades ondulatórias.

O comprimento de onda associado à partícula, denominado comprimento de onda de De Broglie, é dado por:


A quantidade de movimento m.v evidencia o caráter corpuscular, enquanto o comprimento de onda λ evidencia o caráter ondulatório.

Em 1927 cientistas dos laboratórios Bell, nos Estados Unidos, constataram um fenômeno até então considerado exclusivamente ondulatório: a difração de elétrons. Conclui-se, então, que partículas também apresentam propriedades ondulatórias, o que confirma hipótese formulada por Louis De Broglie.

Exercícios básicos

Exercício 1:
Analise as proposições:

I) Em determinados fenômenos a luz apresenta natureza ondulatória e, em outros, corpuscular. É o caráter dual da luz.

II) Os fenômenos da interferência da luz, da difração e o efeito fotoelétrico são explicados pela natureza ondulatória da luz.

III) Partículas, como os elétrons, também possuem propriedades ondulatórias.

Tem-se:

a) só I) é correta;
b) só II) é correta;
c) só III) é correta;
d) só I) e III) são corretas;
e) I), II) e III) são corretas.

Resolução: clique aqui

Exercício 2:
Um elétron se desloca com velocidade 3,0.106 m/s. Determine o comprimento de onda de De Broglie associado ao elétron.

Dados: massa do elétron m = 9,11.10-31 kg
constante de Planck h = 6,63.10-34 J.s.

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Exercício 3:
Uma bola de futebol se desloca com velocidade 10 m/s. Calcule o comprimento de onda de De Broglie associado à bola.

Dados: massa da bola de futebol m = 400 g
constante de Planck h = 6,63.10-34 J.s.

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Exercício 4:
Retome os dois últimos exercícios anteriores. Por meio dos valores dos comprimentos de onda associados ao elétron e à bola de futebol, explique por que não se pode observar efeitos ondulatórios, como a difração, para objetos em escala macroscópica.

Resolução: clique aqui

Exercícios de Revisão

Revisão/Ex 1:
(UFRN)
Bárbara ficou encantada com a maneira de Natasha explicar a dualidade onda-partícula, apresentada nos textos de Física Moderna. Natasha fez uma analogia com o processo de percepção de imagens, apresentando uma explicação baseada numa figura muito utilizada pelos psicólogos da Gestalt. Seus esclarecimentos e a figura ilustrativa são reproduzidos a seguir:

Figura citada por Natasha, na qual dois perfis formam um cálice e vice-versa.



A minha imagem preferida sobre o comportamento dual da luz é o desenho de um cálice feito por dois perfis. Qual a realidade que percebemos na figura? Podemos ver um cálice ou dois perfis, dependendo de quem consideramos como figura e qual consideraremos como fundo, mas não podemos ver ambos simultaneamente. É um exemplo perfeito de realidade criada pelo observador, em que nós decidimos o que vamos observar. A luz se comporta de forma análoga, pois, dependendo do tipo de experiência ("fundo"), revela sua natureza de onda ou sua natureza de partícula, sempre escondendo uma quando a outra é mostrada.

Diante das explicações acima, é correto afirmar que Natasha estava ilustrando, com o comportamento da luz, o que os físicos chamam de princípio da:

a) incerteza de Heisenberg. 
b) complementaridade de Bohr. 
c) superposição.
d) relatividade.

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Revisão/Ex 2:
(URGS-RS)
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) propagação, no vácuo, de ondas de rádio de frequência média.

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Revisão/Ex 3:
(UFC-CE)
Associamos a uma partícula material o que chamamos de comprimento de onda de De Broglie.

A) Dê a expressão que relaciona o comprimento de onda de De Broglie com o momentum da partícula. 
B) Considere duas partículas com massas diferentes e mesma velocidade. Podemos associar a cada uma o mesmo comprimento de onda de De Broglie? Justifique.

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Revisão/Ex 4:
(Olimpíada Paulista de Física)
Cálcule o momento linear de um fóton de comprimento de onda 780 nm, típico de diodos laser empregados na leitura de CDs.
Dado: h = constante de Planck = 6,63.10-34 J.s

a) 2,5.10-27 J.s/m
b) 3,5.10-28 J.s/m
c) 4,5.10-26 J.s/m
d) 8,5.10-28 J.s/m
e) 9,5.10-29 J.s/m

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b
Desafio: 

Louis-Victor de Broglie

Louis-Victor de Broglie, físico francês, nasceu em 1892. Em 1909 completou o ensino secundário. Fez o curso de História na Sorbonne, pretendendo dedicar-se à carreira diplomática. Durante a I Guerra Mundial, de Broglie serviu ao exército. Após a guerra interessou-se pelo estudo de Matemática e Física, por influência de seu irmão, Maurice de Broglie. Estudou Mecânica Quântica e realizou pesquisas sobre os Raios-X. Em 1924, na Faculdade de Ciências da Universidade de Paris, defendeu sua tese de doutoramento desenvolvendo o tema “Pesquisas sobre a teoria quântica”. Neste trabalho apresenta a seguinte hipótese: partículas também possuem propriedades ondulatórias e consequentemente, apresentam um comprimento de onda característico, denominado comprimento de onda de de Broglie, dado por:xλx=xh/(m.v).


Louis-Victor de Broglie recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1929 pelo trabalho sobre a dualidade onda-partícula.

Questão:

Calcule o comprimento de onda de de Broglie nas duas situações descritas abaixo:

a) para um elétron, deslocando-se com velocidade 40 m/s.


b) para uma pessoa de massa 60 kg, deslocando-se com velocidade 40 m/s.


c) em vista dos resultados obtidos, explique por que não podemos observar efeitos ondulatórios para objetos em escala macroscópica.
 

Dados: 
constante de Planck: h = 6,63.10-34 J.s; 
massa do elétron: me = 9,1.10-31 kg.

A resolução será publicada na próxima quarta-feira.

Resolução do desafio anterior:

Uma superfície de potássio é iluminada com luz de comprimento de onda 300 nm. A função trabalho do potássio é igual a 2,24 eV. Determine:

a) a energia cinética máxima para os fotoelétrons emitidos;
b) o comprimento de onda de corte.

Dados:

 
constante de Planck: 

h = 4,14.10-15 eV.s.
velocidade de propagação da radiação eletromagnética no vácuo:

c = 3,0.108 m/s


Resolução:

a) 
Equação fotoelétrica de Einstein:
 
EC = hf - Φ => Ec = h.(c/λ) - Φ =>
EC = 4,14.10-15.(3,0.108/300.10-9) - 2,24 => EC = 1,90 eV

b) 
c = λ0.f0 => c = λ0.Φ/h => λ0 = c.h/Φ => 
λ0 = (3,0.108m/s).(4,14.10-15eV)/2,24eV => λ0 ≅ 554 nm

Respostas: a) 1,90 eV; b) 554 nm

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