Caderno
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Física Moderna I
Conteúdos
Clássico e Moderno, Modelos Atômicos de Thonsom e Rutherford, Emissão e Absorção da Luz, O Espectro Atômico, Lei de Stefan-Boltzmann, Lei de Wien e Radiação do Corpo Negro, O Modelo de Bohr, Efeito Fotoelétrico, Produção de Raios X, Espalhamento de Raios X, A Dualidade Onda-Partícula, Onda de De Broglie, Difração de Elétrons, Probabilidade e Incerteza, A função de Onda e Equação de Schrödinger.
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Do que se Trata?
...
Confira!
No final do século XIX, algumas teorias da Física Clássica* falhavam quando aplicadas a objetos extremamente pequenos, como átomos ou objetos que se moviam perto da velocidade da luz. A Física Moderna é a Física desenvolvida no início do século XX quando esses ‘problemas’ com a Clássica tornaram-se óbvios por demais.
Neste Caderno apresentamos exercícios que tratam de como as novas ideias se desenvolveram, os paradoxos experimentais e teóricos que forçaram o pensamento a sair do caminho tradicional, do senso comum, para essa nova Física que busca uma melhor compreensão da natureza.
* A Física Clássica se refere à Física de corpos e forças com base, especialmente, nas leis do movimento de Newton e, não se engane, continua muito válida.
Exercícios do Caderno
Aqui você encontrará os exercícios referentes a esses conteúdos. Ao final de cada exercício você poderá verificar a resposta e a resolução comentada deste. Caso prefira, faça o download e tenha a sua lista em formato .doc ou .pdf:
01
O que é ‘Física Moderna’?
Baseada no que era conhecido antes do século XX, as Leis de Newton, as Equações de Maxwell, a Termodinâmica, entre outras, a Física ‘Clássica’ está muito mais de acordo com o senso comum.
Superando esse senso comum, como forma de obter uma melhor compreensão da natureza, surgiu a Física Moderna, baseada nos dois grandes avanços do início do século XX:
a) a Teoria da Relatividade e a Teoria Quântica.
b) a Teoria do Big Bang e a Radioatividade.
c) a Teoria da Evolução e a estrutura do DNA.
d) a Teoria dos Fractais e a Teoria Autopoiética.
e) a Distribuição dos Elementos de Mendeleev e a Teoria das Cordas.
Resolução Comentada
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02
(UNESP) No ano de 1897, o cientista britânico J.J. Thomson descobriu, através de experiências com os raios catódicos, a primeira evidência experimental da estrutura interna dos átomos. O modelo atômico proposto por Thomson ficou conhecido como “pudim de passas”. Para esse modelo, pode-se afirmar que:
a) O núcleo atômico ocupa um volume mínimo no centro do átomo.
b) As cargas negativas estão distribuídas homogeneamente por todo o átomo.
c) Os elétrons estão distribuídos em órbitas fixas ao redor do núcleo.
d) Os átomos são esferas duras, do tipo de uma bola de bilhar.
e) Os elétrons estão espalhados aleatoriamente no espaço ao redor do núcleo.
03
(UFPR) Considere as duas colunas abaixo, colocando no espaço entre parênteses o número do enunciado da primeira coluna que mais relação tem com o da segunda coluna.
1. Existência do núcleo.
2. Determinação da carga do elétron.
3. Caráter corpuscular da luz.
4. Caráter ondulatório das partículas
( ) I. Hipótese de de Broglie.
( ) II. Efeito fotoelétrico.
( ) III. Experimento de Millikan.
( ) IV. Experimento de Rutherford.
Assinale a alternativa que relaciona corretamente as colunas:
a) 1.I; 2.II; 3.III; 4.IV.
b) 1.IV; 2.II; 3.III; 4.I.
c) 1.IV; 2.III; 3.II; 4.I.
d) 1.IV; 2.II; 3.III; 4.I.
e) 1.IV; 2.I; 3.II; 4.III.
04
(UEL) “O átomo contém um núcleo positivo, muito pequeno e denso, com todos os prótons, que concentra praticamente toda a massa. Os elétrons devem estar distribuídos em algum lugar do volume restante do átomo”.
Esta afirmação é devida a:
a) Rutherford.
b) Millikan.
c) Thomson.
d) Bohr.
e) Faraday.
05
(UEL) Uma estrela distante emite luz branca em espectro contínuo. Um pesquisador, na Terra, observa o espectro de luz dessa estrela como apresentado na figura I. Assim, sabendo que entre a Terra e a estrela há uma grande nuvem de poeira e gás, que absorve parte da luz proveniente da estrela e conhecendo o espectro de absorção de alguns elementos puros (Figura II) que podem estar presente na nuvem, dentre esses, qual(is) elemento(s) a nuvem interestelar contém?
a) Hidrogênio.
b) Hélio.
c) Oxigênio e nitrogênio.
d) Hidrogênio e carbono.
e) Hidrogênio, hélio e nitrogênio.
06
(UFRGS) No início do século XX, a Física Clássica começou a ter problemas para explicar fenômenos físicos que tinham sido recentemente observados. Assim começou uma revolução científica que estabeleceu as bases do que hoje se chama Física Moderna.
Entre os problemas antes inexplicáveis e resolvidos nesse novo período, podem-se citar
a) a indução eletromagnética, o efeito fotoelétrico e a radioatividade.
b) a radiação do corpo negro, a 1ª lei da Termodinâmica e a radioatividade.
c) a radiação do corpo negro, a indução eletromagnética e a 1ª lei da Termodinâmica.
d) a radiação do corpo negro, o efeito fotoelétrico e a radioatividade.
e) a radiação do corpo negro, o efeito fotoelétrico e a indução eletromagnética.
07
Um corpo irradia calor a uma taxa de 4 cal/s/m2, quando está à temperatura absoluta T. Qual o calor irradiado por este mesmo corpo, em cal/s/m2, quando estiver à temperatura absoluta 2T?
a) 2.
b) 4.
c) 8.
d) 16.
e) 64.
Complementar: Usando a lei que relaciona a potência irradiada P com a área A da superfície emissora e a temperatura absoluta T, formulada por Stefan e Boltzmann, determine a potência irradiada por um bloco de metal (ε = 0,8), em Watts, de área A = 1,2 m2, à temperatura de 227 °C.
( Constante de Stefan-Boltzmann: 5,67.10 W/m2/K ).
[ Veja a solução em https://youtu.be/KMQj5rCfEp0 ]
-8
08
Em um experimento sobre o efeito fotoelétrico, a função de trabalho de um metal é 2,0 eV. O fenômeno ocorre quando um feixe de luz, que incide sobre uma lâmina do metal, provoca a emissão de elétrons desta superfície.
Com relação ao experimento, avalie as afirmações a seguir:
I. Um elétron não é emitido até que a luz incidente transfira energia suficiente para vencer a sua ligação no material, levando a uma demora até o início do processo.
II. Se fótons de luz vermelha, de energia 1,9 eV, atingirem a superfície do metal, a energia cinética máxima dos fotoelétrons emitidos será de 0,1 eV.
III. Se fótons de luz azul, de energia 2,3 eV, atingirem a superfície do metal, a energia cinética máxima dos fotoelétrons emitidos será de 0,3 eV.
IV. Se fótons de luz violeta, de energia 3,1 eV, atingirem a superfície do metal, a energia cinética máxima dos fotoelétrons emitidos será de 1,1 eV.
Assim, é correto o que se afirma em
a) I e II, apenas.
b) III e IV, apenas.
c) I, III e IV, apenas.
d) II, III e IV, apenas.
e) I, II, III e IV.
09
De acordo com a explicação fornecida pelo Efeito Compton, a frequência dos raios X espalhados por elétrons livres:
a) não se altera, pois, os raios X não interagem com os elétrons livres.
b) sofre um aumento em decorrência da natureza ondulatória dos fótons, que transferem momento linear aos elétrons.
c) sofre um aumento em decorrência da natureza corpuscular dos fótons, que transferem momento linear aos elétrons.
d) sofre uma diminuição em decorrência da natureza corpuscular dos fótons, que transferem momento linear aos elétrons.
e) sofre uma diminuição em decorrência da natureza ondulatória dos fótons, que transferem momento linear aos elétrons.
10
(UFRGS) O físico francês Louis de Broglie (1892-1987), em analogia ao comportamento dual onda-partícula da luz, atribuiu propriedades ondulatórias à matéria. Conforme de Broglie, o comprimento de onda para um elétron com velocidade de módulo v é, aproximadamente:
a) 3,3.10 m.
b) 3,3.10 m.
c) 3,3.10 m.
d) 3,3.10 m.
e) 3,3.10 m.
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3
9
10
Dado:
Constante de Planck
h = 6,6.10 J/s.
Massa do Elétron
m = 9.10 Kg.
Velocidade
v = 2,2.10 m/s.
-34
-31
6
Respostas
01. Letra A.
02. Letra B.
03. Letra C.
04. Letra A.
05. Letra D.
06. Letra D.
07. Letra E [Complementar: 3402 W].
08. Letra B.
09. Letra D.
10. Letra A.