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Fótons para o ensino médio
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Fótons
Hoje sabemos que a luz é composta por diminutas partículas. Tais partículas são denominadas de fótons e nesse capítulo pretendemos
analisar as propriedades das mesmas.
Prevalece assim, nos dias de hoje, a idéia de que a luz tem uma natureza corpuscular. Newton, há muitos séculos, ao retomar a
discussão sobre a natureza da luz, defendia a natureza corpuscular da mesma. Essa teoria corpuscular, no entanto, caiu no esquecimento
por algum tempo em função da descoberta de fenomenos ondulatórios associados com a luz.
Einstein retomou a idéia da natureza corpuscular num trabalho que ficou célebre. Esse trabalho foi publicado em 1905 e evocava a teoria
corpuscular da luz para explicar o efeito fotoelétrico.
Assim, conquanto seja difícil de entender, nós lidamos todos os dias, ao longo do dia inteiro, com uma das partículas elementares.
Trata-se dos fótons.
Sempre que você estiver em contato com a luz, qualquer luz (do Sol, das estrelas, da lâmpada elétrica etc.) você estará em contato com
essas partículas elementares. Isso porque, hoje sabemos, a luz é composta por essas diminutas partículas.
Essas partículas, os fótons, estão em todo o Universo com certeza e em todas as suas regiões com a mesma abundância. Eles são muito
numerosos no Universo. Excedem em muito as demais partículas.
Na realidade, quando falamos dos fótons estamos falando não de um ou dois, mas de bilhões e bilhões.
Se os fótons são tão numerosos, por que não sentimos os seus efeitos? Na realidade, podemos sentir os efeitos associados à presença
de grande número de fótons. Por exemplo, só podemos ver se tivermos luz à nossa disposição. Fótons com energia compreendida entre
dois valores (os quais explicaremos depois), e desde que em grande número, compondo uma onda eletromagnética, são capazes de
sensibilizar um dos nossos sentidos (o da visão).
Propriedades dos fótons
O fóton é uma partícula muito curiosa. Vamos analisar algumas de suas propriedades.
1. O fóton não tem massa
Provavelmente, suspeitamos hoje, essa seja a única partícula elementar, encontrada livre no Universo, sem massa. Na verdade, os
gluons, partículas que assim como o fóton são associadas a uma força, também têm massa zero, mas não podem ser encontrados
livremente. Apesar de não ter massa o fóton tem energia. Isso parece ser um contrasenso, no entanto isso ocorre porque o fóton tem uma
quantidade de movimento. Então, se p = quantidade de movimento do fóton,sua energia, de acordo com a Teoria da Relatividade de
Einstein, é dada por
E = pc.
onde é c a velocidade da luz.
Outra conseqüência do fato de que o fóton não tem massa é que ele não interage gravitacionalmente e, portanto, passa próximo dos
corpos massivos sem se desviar. Para ser bem preciso, ele acaba se desviando um pouco e isso tem relação com a Teoria da
Relatividade Geral de Einstein.
2. O fóton não tem carga
Esta é outra propriedade interessante do fóton. Isso quer dizer apenas que ele não é atraído ou repelido por ímãs ou por objetos
eletrizados. O fóton é indiferente (do ponto de vista da força exercida sobre ele) à interação eletromagnética.
3. O fóton viaja muito rápido
O fóton viaja mais rápido do que qualquer outra partícula. Só eventuais outras partículas sem massa (como, eventualmente os neutrinos)
têm velocidade igual à do fóton.
A velocidade de qualquer fóton (não importa sua energia) é aproximadamente (utiliza-se para a velocidade da luz o símbolo c)
c= 300.000 km/s .
Como o fóton viaja sem interação, quer seja eletromagneticamente ou gravitacionalmente, pode-se prever que o fóton não se desvia do
seu caminho enquanto viaja. Ele deve, portanto, propagar-se em linha reta. Como a luz é composta por fótons, podemos agora afirmar:
A luz se propaga em linha reta.
FÍSICA
Absorção das Ondas
Aceleração Centrípeta
Aceleração Escalar
Acelerador Linear
Aceleradores de Partículas
Alavanca
Albert Einstein
Arco Íris
A Relatividade do Tempo
Arquimedes
Atividades do Sol
Aurora Boreal
Barreira do Som
Benjamin Franklin
Benjamin Franklin (Vídeos)
Biodiesel
Biografia de Lavoisier
Biometria
Bomba Atômica
Bóson de Higgs
Buracos Negros
Bússola
Campo Elétrico
Capacitores
Carga Elétrica
Carvão Mineral
Centro de Gravidade
Choque Elétrico
Cinemática Escalar
Circuitos Elétricos
Combustível
Comportamento de UmCondutor Eletrizado
Composição de Movimento
Condutores e Isolantes
Corrente Elétrica
Curiosa Curva de Carnegie
Deslocamento e DistânciaPercorrida
Dilatação Linear
Dilatação dos Sólidos,Líquidos e Gases
Dinamômetro
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Eclipses
Efeito Compton
Efeito Doppler
Einstein x Gemelli
Eletrodinâmica
Eletroímã
Empuxo
Energia
Energia Cinética
Energia da Biomassa
Energia das Marés
Energia Eólica
Energia Geotérmica
Energia Hidrelétrica
Energia Mecânica
Energia Nuclear
Energia Potencial Elástica
Energia PotencialGravitacional
Energia Solar
Equalizador Tripolar
Espectro do Hidrogênio
Espelhos Esféricos
Estados Físicos da Matéria
Etanol
Etanol Brasileiro (Vídeo)
Experimento de Oersted
Fases da Lua
Fibra Óptica
Física da Música
Física Moderna
Física Núclear
Fissão Nuclear
Fissão e Fusão Nuclear
Fluídos Reais Ideais
Fontes Alternativas deEnergia
Força
Força Centrípeta
Força Centrífuga
Força de Coriólis
Força e Aceleração
Força entre Moléculas
Forças Elétricas
Formas de Energia
Fótons
Funcionamento dosMotores a CombustãoInterna
Fusão Nuclear
Gás Hidrogênio
Gás Natural
Gases
Gerador Global
Granizo
Gravação e Reprodução doSom
Este é, na verdade, um dos princípios básicos da óptica geométrica.
4. A velocidade do fóton é a velocidade limite
Essas propriedades seguem da Teoria da Relatividade Especial de Einstein. O fato de a velocidade da luz ser a velocidade limite significa
que não existe na natureza nenhum objeto cuja velocidade exceda a velocidade da luz. Portanto, deve seguir daí que
O fóton detém o recorde universal de velocidade.
Será isso verdade? Continuamos suspeitando que Einstein tenha razão. Até hoje, não se detectaram (ou se encontraram) partículas mais
velozes do que o fóton. Admite-se, de acordo com Einstein, apenas um empate (velocidade igual à velocidade da luz). Dá-se o nome de
tachyons às eventuais partículas mais velozes do que a luz. Existem teorias para descrevê-las. Mas o fato é que até hoje não foram
encontradas. Então Einstein continua tendo razão nesse ponto.
O fato de que a maior velocidade no Universo é essa do fóton (300.000 km/s), leva-nos a afirmar que essa é a velocidade máxima que
temos à nossa disposição para enviar (ou receber) informações. Isso tem conseqüências muito profundas. Se você quiser enviar uma
mensagem até a estrela mais próxima (uma das de Alfa de Centauro), o tempo mínimo para o envio da mensagem e o recebimento da
resposta é de 8,6 anos. Para as estrelas mais longínquas seria de milhões ou bilhões de anos (é melhor esquecer a mensagem). De
qualquer forma, isso é apenas para lembrar que, ao receber a luz de uma estrela aqui na Terra hoje, essa luz foi produzida (na estrela) há
muitos anos atrás. Hoje, provavelmente a estrela até mesmo já tenha se apagado e, com certeza, não está exatamente no ponto em que
parece estar, pois durante o tempo da viagem a estrela se movimentou.
E se, por acaso, existirem partículas mais velozes do que o fóton? Bem, nesse caso, teríamos um meio mais eficiente de comunicação, é
claro. E a teoria de Einstein teria que ser modificada. A questão ainda não está resolvida.
5. A velocidade do fóton é absoluta
Estamos agora diante de outra coisa surpreendente a respeito dessas partículas.
Para entendermos isso, consideremos as partículas ordinárias, ou melhor, um grande número delas. Consideremos uma bola (sim, uma
bola grande). Digamos que essa bola deslize num vagão de um trem a uma velocidade de 20 km por hora na mesma direção do
deslocamento do trem que tem uma velocidade de 80 km.
Qual a velocidade da bola para quem está fora, parado, olhando o trem passar? A resposta é a adição de velocidades
vfora
= vtrem
+ vbola
Temos, portanto, que a velocidade da bola fora do trem é de 100 km, pois devemos somar as duas velocidades.
Agora vamos fazer a mesma experiência com os fótons. Vamos substituir a bola pelos fótons. Qual é a velocidade dos fótons? Seria
vfora
= vtrem
+ vfóton?
mas não é!! A velocidade dos fótons fora do trem é a mesma que dentro do trem:
vfora
= vfóton !
Einstein, sabe-se lá como!!, intuiu que para os fótons (na verdade ele se referia à luz) é diferente. Para ele a velocidade da luz é absoluta.
Isto é, não depende do sistema de referências. Isto vale apenas para sistemas de referências ditos inerciais. Isto é, sistemas que se
desloquem, uns em relação aos outros com velocidade constante. Podemos afirmar que
Os fótons têm a mesma velocidade para qualquer sistema inercial.
Interações e colisões de fótons
Os fótons colidem e interagem de uma maneira análoga às demais partículas. É isso que, afinal, justifica a classificação dos fótons como
partículas.
Apesar de sofrerem forças do tipo previsto pelo eletromagnetismo clássico, os fótons participam da interação eletromagnética (sendo os
mediadores dessa interação). Na realidade, a interação eletromagnética ocorre como resultado da troca de fótons. Eis aí o que
aprendemos nos últimos anos sobre as interações eletromagnéticas.
Imagine uma interação eletromagnética qualquer como, por exemplo, o afastamento de partículas portando cargas de sinais opostos. Ela
ocorre, a interação entre as duas cargas, mediante a troca de fótons.
A interação eletromagnética se dá, basicamente, em duas etapas. Consideremos a interação entre dois elétrons. Na primeira etapa uma
partícula (um dos elétrons), portanto uma carga negativa, produz um fóton (começou o processo de interação). Ao produzir esse fóton a
partícula muda de direção (uma vez que o fóton carrega uma parte da quantidade de movimento do próton). Na segunda etapa, o outro
elétron absorve esse fóton, com o impacto ele também muda de direção. O resultado é aquele da figura abaixo.
Hoje em dia imaginamos todas as interações fundamentais como resultante da troca de partículas elementares. Isto faz com que haja
sempre um agente (no caso do eletromagnetismo, o fóton) mediador da interação. Os agentes mediadores são sempre partículas
elementares. Assim, as partículas que interagem entre si nunca se tocam. A ação se dá à distância. Às partículas que fazem essa
intermediação damos o nome de bosons intermediários. A particula conhecida como w é uma delas
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Gravidade
Hádron
Hidrostática
História da Balança deTorção
História das Pilhas
História da Eletricidade
História da Física
História da Radiologia
Holografia
Ilusão de Ótica
Imã
Impulso
Irradiação Térmica
Isaac
Isolantes Elétricos
Isolantes Térmicos
Lã de Rocha
Lã de Vidro
Lâmina Bimetálica
Lançamento Horizontal
Lançamento Oblíquio
Lei da Gravitação Universal
Lei das Esferas e dasEspirais
Lei de Avogadro
Lei de Biot-Savart
Lei de Fourier
Leis da Física e daEletricidade
Leis de Kepler
Lei de Lenz
Leis de Newton
Lei de Snell-Descartes
Lentes
Lentes Fotocromáticas
Leonardo da Vinci
Lépton
Lesões Por Eletricidade
Linhas de Força
Lua
Lunetas
Luz
Luz: Geometria e Som
Máquinas de Carnot
Mecânica
Mecânica Ondulatória
Mecânica Quântica
Medidas de GrandezasFundamentais
Medidas de Tempo
Movimento CircularUniforme
Movimento HarmônicoSimples
Movimento Oscilatório
Movimento Uniforme
A colisão entre um fóton e outras partículas ocorre com muita freqüência no nosso mundo físico. Para essas colisões valem as mesmas
regras das colisões usuais, no sentido da conservação da energia e da quantidade do movimento. Um dos efeitos mais notáveis é o efeito
compton. Nesse efeito o resultado que se observa é a colisão de um fóton com um elétron em repouso (vide figura abaixo)
Dependendo da energia do fóton e do sistema com o qual ele colide, podemos ter um número muito grande de possibilidades. Uma
possibilidade é o fóton (ou os fótons) ser absorvido no processo de colisão. Nesse caso, sua energia e quantidade de movimento são
integralmente transferidas para a outra partícula. Eventualmente, essa partícula pode emitir (posteriormente) outro fóton. Esse
posteriormente significa um intervalo de tempo muito curto. Nesse caso dizemos que houve uma colisão elástica. No efeito compton, já
mencionado, a colisão é elástica.
Se o fóton tiver uma energia muito alta, outra série de coisas pode acontecer. Por exemplo, se o fóton tiver uma energia maior do que
duas vezes a energia de repouso do elétron ( ) o fóton pode desaparecer e produzir duas partículas (o elétron e a sua antipartícula, o
pósitron). A esse processo damos o nome de produção de pares.
Se sua energia for extremamente alta, ele pode arrebentar um próton em vários pedaços, produzindo uma gama muito grande de
partículas.
O método, de quebrar o próton em pedaços, se transformou nos últimos anos no melhor método de investigação da estrutura da matéria.
A idéia é a seguinte: aceleramos prótons a energias muito altas (produzimos um feixe de prótons) e fazemos essas partículas colidirem
com outros prótons. O ideal é termos um outro feixe vindo na "contramão" (isto é, na direção oposta).
Do início do universo até hoje
Os cientistas imaginam, aqueles que confiam na Teoria do Big Bang para descrever o início do Universo, que os fótons existem desde a
origem do Universo. Isso porque, nessa teoria, proposta em 1943 por Alpher, Bethe e Gamow, o Universo primordial (o Universo nos seus
primeiros instantes) seria basicamente composto por uma sopa de partículas. Dentre essas partículas, lá estavam os fótons.
Seguindo o raciocínio de um Universo composto apenas pelas "substâncias básicas", as partículas elementares, o Universo teria evoluído
deixando alguns "fósseis" dessa era primitiva. Dentre esses fósseis estariam os fótons. Fótons são, de longe, as partículas mais
abundantes no Universo. Estima-se que para cada próton (ou elétron) no Universo existem bilhões de fótons.
Onde estão eles? Estão distribuídos ao longo de todo o Universo. Eles são distribuídos de uma forma bastante homogênea. Isto é, eles
são encontrados em igual número numa caixa de que seja aqui na Terra, na Galáxia de Andrômeda ou em qualquer região do Universo. A
distribuição de fótons é uniforme e isotrópica (a mesma para qualquer direção que olharmos no Universo).
A evolução do conceito de fóton
Sendo a luz constituída dessas partículas diminutas, podemos nos perguntar por que só neste século nos demos conta disso? O homem
conhece a luz e seus efeitos desde priscas eras. A luz é o fenômeno primeiro. Nós nos damos conta da sua existência já ao nascer. Além
disso, ela participa, em vários estágios do ciclo da vida.
É claro que ela despertava a curiosidade dos antigos. A formação de sombras e penumbras ocorre no dia-a-dia de todos os seres
humanos. Os eclipses já eram utilizados alguns séculos antes de Cristo como um meio de determinar a distância da Terra até a Lua. Tales
de Mileto, seis séculos antes de Cristo, já aprendera o método de triangulação para medir distâncias, inferindo a altura da Pirâmide de
Gizé a partir da sombra projetada no solo pela pirâmide. Erastótenes utilizou a sombra de uma haste fincada no solo (um gnomo) para
determinar o raio da Terra.
As sombras e penumbras podem ser explicadas pelo Princípio da Propagação Retilínea da Luz. Princípio esse já enunciado pelos gregos
e aparece na obra de Euclides (300 a.C.)
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Movimento UniformementeVariado
Movimento, Trajetória eReferencial
Movimentos e Repousos
Movimentos em Curvas
Neutrino
Nuvem
Nuvens de Tempestade
Ondas de Choque
Ondas Elétricas
Ondas Eletromagnéticas
Ondas Estacionárias
Ondas de Luz
Ondas de Rádio
Ondas MecânicasHarmônicas
Ondulatória
Óptica
Origem da Teoria daRelatividade
Os Opostulados de Einstein
Paulo ari gemelli
Permeabilidade Magnética
Peso de um Corpo
Postulados de Einstein
Potência
Pressão
Pressão Atmosférica
Princípio da Ação e Reação
Princípio da Inérica
Processos de Eletrização
Proposta de Renovação doEcossistema
Quantidade de Movimento
Queda Livre
Radioatividade
Raios
Raios Catódicos
Raios Laser
Raio X
Reatores Nucleares
Referencial
Reflexão
Reflexão da Luz
Reflexão do Som
Refração da Luz
Relâmpago
Relatividade Especial
Resistência do Ar
Resistência Elétrica
Ressonância
Ressonância Magnética
Retrospectiva Gemelli
Sistema de Unidades
Solidificação
Som
Outros fenômenos associados à luz, como a reflexão e a refração, já eram conhecidos na Antigüidade. Fala-se muito em instrumentos
utilizados com muita engenhosidade por Arquimedes na defesa de Siracusa. Dentre eles estavam alguns espelhos para provocar
confusão nas hostes inimigas (os romanos).
A suspeita de que a luz tinha velocidade finita começou provavelmente com Galileu. Na época de Newton, ele já tinha conhecimento da
determinação da sua velocidade feita por Roemer. De acordo com ele, a luz levaria sete minutos para passar do Sol à Terra.
Esses fatos, bem como outros, poderiam ser explicados se a luz fosse composta por partículas. Por isso, Newton elaborou uma teoria
para a luz, cujo ponto básico é a sua constituição por corpúsculos de luz. O livro de Newton começa definindo:
Por raios de luz entendo as partes mínimas da luz e as que tanto são sucessivas nas mesmas linhas como simultâneas em várias linhas.
Newton se interessou pela óptica antes que pela mecânica. Publicou seu primeiro trabalho em óptica aos 29 anos. Preocupou-se com um
fenômeno que naquela época era célebre: o fenômeno das cores. Esse fenômeno, objeto do trabalho de decomposição da luz em
diversas cores ao passar por um prisma, já fora detalhadamente descrito por ele aos 23 anos, em 1666. No seu livro "Óptica" Newton
afirma que "é evidente que a luz consiste em partes" e se utiliza de termos como "corpos minúsculos" e "partículas de luz".
Muitos físicos, de valor excepcional, se opuseram à teoria de Newton. Dentre eles, Robert Hooke e Christiaan Huyghens. A idéia
dominante era a de que a luz era a pressão ou o movimento de alguma perturbação que atravessa um determinado meio. Muito próximo,
portanto, do que hoje denominamos de ondas.
A idéia da teoria corpuscular da luz prevaleceu (a despeito da oposição) durante o século XVII. Em parte graças ao prestígio de Newton e
em parte por falta de evidências contrárias à teoria de Newton.
A teoria de Newton sofreu, no entanto, um grande abalo com os trabalhos de Young e Fresnel a respeito do fenômeno da interferência da
luz. A teoria de Newton não é compatível com esse fenômeno.
Podemos ilustrar essa questão imaginando um dispositivo que contém duas fendas (elas estão a uma certa distância uma da outra) com
um anteparo a uma certa distância delas. Podemos fazer três experiências. Em cada uma delas enviamos um feixe de partículas.
a) Manter a fenda inferior fechada.
b) Manter a fenda superior fechada.
c) Manter as duas fendas abertas.
O resultado de Young e Fresnel mostrava que a luz exibia interferências. As ondas, ao se superporem (com as duas fendas abertas),
podem produzir máximos (quando ocorre interferência construtiva) ou mínimos (interferência dita destrutiva). As experiências de Young e
Fresnel levaram à Teoria Ondulatória da Luz. A luz seria constituída por vibrações (oscilações de campos elétricos e magnéticos, como se
viu depois) transversais à direção de propagação.
A partir dos trabalhos de Young e Fresnel, a teoria de Newton caiu no esquecimento. Foi de outra forma retomada depois do trabalho
pioneiro de Einstein, em ( ), sobre o efeito fotoelétrico.
Esse efeito pode ser resumido assim. Podemos arrancar elétrons de uma placa se fizermos incidir luz sobre ela. Essa é a origem do nome
"fotoelétrico". Sabemos que, para arrancar um elétron, devemos despender uma certa quantidade de energia, pois os elétrons estão
presos (ligados) à placa.
Se a luz não fosse constituída por corpúsculos, haveria a necessidade de um intervalo de tempo entre a luz incidir e o elétron sair. Isso
porque se acreditava na necessidade de o elétron acumular energia vinda da radiação luminosa. Ademais, qualquer onda eletromagnética
serviria (dizemos de qualquer comprimento de onda). Algumas seriam apenas mais eficientes do que outras. Isto é, arrancariam em
menor tempo do que outras.
Duas surpresas ocorreram. A primeira é a de que só radiação com uma freqüência acima de um certo valor podia arrancar elétrons. E a
segunda é a de que, para essa radiação, não havia a necessidade de se esperar nada. Einstein então, em 1905, interpretou,
corretamente, que o efeito fotoelétrico com essas características só poderia ser explicado se a luz fosse composta por partículas
(denominadas por ele de quanta de luz), denominadas hoje de fótons. Os fótons observados deram razão a Einstein. Desde então as
evidências têm-se acumulado em favor da teoria corpuscular da luz, que é a teoria vigente.
Como todas as partículas, os fótons exibem uma natureza dualística: onda e partícula. Os fótons em alguns fenômenos exibem mais
claramente a natureza ondulatória (como na interferência de Young) e em outros se torna mais evidente a natureza de partículas (como
no efeito fotoelétrico). Hoje, com o dualismo onda-matéria podemos conciliar a idéia de Newton com os resultados de Young e de Fresnel.
A confirmação inequívoca de que a luz exibe a natureza corpuscular veio com a descoberta, em 1923, do efeito Compton (em
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Supercondutividade
Tabelas
Telescópios
Teorema de Stevin
Teoria Geral da Lei dasEsferas e das Espirais
Teoria da Relatividade
Teoria da RelatividadeEspecial
Teoria Quântica
Termodinâmica
Terremotos
Trabalho de Uma Força
Transformador
Trens Maglev
Trovões
Tipos de Onda
Transmissão
Universo
Vasos Comunicantes
Vaso de Dewar
Velocidade da Luz
Velocidade Média
Velocidade Vetorial
Ventos
Vetores
Vibrações e Ondas
homenagem ao seu descobridor, Arthur Compton). Nesse efeito, o fóton exibe um comportamento típico de bola de bilhar. Isto é, a colisão
entre o fóton e um elétron obedece às regras de colisão entre partículas.
No cotidiano
Portas de elevadores utilizavam células fotoelétricas para fechar automaticamente. As células fotoelétricas funcionam pelo efeito
fotoelétrico.
Lâmpadas que acendem automaticamente conforme a luminosidade. Nessas lâmpadas existe um mecanismo, que quando a luz bate há a
emissão de elétrons. Dependendo da intensidade luminosa não há fornecimento de energia elétrica necessária para acender a lâmpada.
Quando está escuro o circuito se fecha e a lâmpada....
Fotômetro - O fotômetro é um medidor de luminosidade que fotógrafos usam para decidir em que condições a fotografia deve ser tirada.
Em sofisticadas máquinas modernas o fotômetro já está embutido.
Demonstração
A luz é energia. Os raios de luz do Sol transportam energia, de modo que se os concentrarmos numa região pequena, se torna de
quantidade suficiente para queimar um pedaço de papel. Antigamente fotógrafos de praças públicas usavam uma lupa para fazer secar
rapidamente uma fotografia. Use uma lupa e observe o fenômeno.
Não jogue latas de refrigerantes nas beiras de estrada. A superfície côncava da lata faz concentrar os raios solares e podem causar
incêndios das matas secas. Você deve ter visto muita notícia de queimadas nas épocas de estiagem prolongada.
Fonte: efisica.if.usp.br
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Teste Seu Inglês:Grátis
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