Física Moderna Educandario 2012

13/09/2012

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AULA DE

FÍSICA

FÍSICA MODERNA

ProfessorCARLOS HÉCTOR GALLEGO

13/09/2012

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Efeito Fotoelétrico

FÍSICA MODERNAAplicação Prática

Energia e Quantidade de Movimento de um Fóton

Natureza Dual da Luz

Modelo Atômico de Bohr

RADIOATVIDADE

Célula Fotoelétrica

Átomo de Hidrogênio

Energia Absorvida ou Emitida

Certos metais, ao sofrerem a incidência de umfeixe luminoso originam a emissão de elétrons.

Placa metálica

EFEITO FOTOELÉTRICO

Luz incidente

elétron

e eee

ee

ee

ee e

e

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Luz

• Efeito Fotoelétrico

Para cada material existe uma freqüência mínimade luz, chamada freqüência limiar para que oselétrons sejam arrancados.

fóton

f1E1I1

f2E2I2

f1 < f2E1 < E2I1 = I2

EFÓTON = 30 JE (W) = 20 JEELÉTRON= 10 J

O elétron não foi arrancado.

Para se poder arrancar umelétron do metal é necessáriorealizar o trabalho de arranque W.Portanto, a energia de umquantum deve ser superior a estetrabalho.

E

F

E = 30 JE = 10 J

• Efeito Fotoelétrico�� A energia dos elétrons é diretamenteproporcional a freqüência da luz incidente, nãodependendo da intensidade da mesma.

f2E2I2


f3E3I3


f2 < f3E2 < E3I2 = I3

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• Efeito FotoelétricoO número de elétrons arrancados depende daintensidade da luz incidente, não dependendo daenergia ou freqüência da mesma.

f3E3I3


f3 = f4E3 = E4I3 < I4

f4

E4

I4

OBS.:

E ELÉTRONS αααα fno ELÉTRONS �� I

Aplicação prática do Efeito Fotoelétrico• CÉLULA FOTOELÉTRICA

É um dispositivo que transforma energia luminosa em energia elétrica.

+ + +

i

+ + +

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Aplicação prática do Efeito Fotoelétrico

• RELÉ FOTOELÉTRICO

V = 110 V

NOITE

V = 110 VV = 110 V

DIA

O efeito fotoelétrico mostrao caráter corpuscular da luz.


De acordo com Marx Planck, físico que formuloua teoria quântica, cada fóton (quantum) transportaenergia proporcional a freqüência da onda.

E = h x f h = constante de Plank

E = m x c2EQUAÇÃO DE EINSTEIN

c = velocidade da luz no vácuo

m = massac = 3 x 108 m/s

h = 6,6 x 10-34

m . c² = h . fm . c . c = h . f

p . c = h . fp = h . f

cp = h . f

λλλλ .fp = h

λλλλ

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m . c² = h . f

m . c . c = h . f

p . c = h . Fp = h

. fc

p = h . f

λλλλ. f

p = h

λλλλ

p = quantidade de movimentoou momento linear.

IMPORTANTE

E αααα f

p αααα f

E α 1

λ

p αααα 1

λλλλ

NATUREZA DUAL DA LUZ• DUALIDADE DE ONDA - PARTÍCULA

Em determinados fenômenos a luz se comparacomo se tivesse natureza ondulatória e em outros,natureza de partícula e daí incidir na superfície de ummetal, provocando a emissão de fotoelétrons.

Modernamente as teorias físicas propõem para aluz tanto natureza ondulatória (onda eletromagnética)quanto a natureza corpuscular (fóton).

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MODELO ATÔMICO de BOHR

Os elétrons descrevem ao redor do núcleoórbitas circulares com energia fixa, são aschamadas órbitas estacionárias.

Nas órbitas estacionárias os elétrons nãoemitem energia.

Quando um elétron recebe energia elemuda de órbita, afastando-se do núcleo. Navolta à órbita original, essa energia é devolvidaao meio.

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•ÁTOMO DE HIDROGÊNIO

E = - 13,6 eV

E = - 3,4 eV

E = - 1,5 eV

E = - 0,7 eV

Núcleo

1H1,00Hidrogênio

n = 1

n = 2

n = 3

n = 4

1 eV = 1,6 x 10-19 j

eee

e

ee

Nas órbitas estacionárias os elétrons não emitem energia.

e

Afastando-se do núcleo o elétron absorve energia (recebe)

ABSORVEenergia

e

e

e

e

e

ee

eee

eVoltando à órbita original o élétron emite energia

EMITEenergia

•ENERGIA ABSORVIDA OU EMITIDA

E = - 13,6 eV

E = - 3,4 eV

E = - 1,5 eV

E = - 0,7 eV

Núcleo

1H1,00Hidrogênio

n = 1

n = 2

n = 3

n = 4

eee

eee

e

ee

e

e

EMITEenergia

EEmitida = EFinal - EInicial

E = - 1,5 - (- 0,7)E = - 1,5 + 0,7

E = - 0,8 eV

ERecebida = EFinal - EInicial

E = - 3,4 - (-13,6)E = - 3,4 + 13,6E = + 10,2 eV

ABSORVEenergia

e

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RADIAÇÃO TÉRMICA

Radiação térmica. A radiação emitida por um corpo devido à sua temperatura é chamada radiaçãotérmica. Todo corpo emite esse tipo de radiação para o meio que o cerca, edele a absorve. Se um corpo está inicialmente mais quente do que o meio, eleirá se esfriar, porque a sua taxa de emissão de energia excede à taxa deabsorção. Quando o equilíbrio térmico é atingido, as taxas de emissão eabsorção são iguais.A temperaturas usuais, a maioria dos corpos é visível para nós não pela luz queemitem, mas pela luz que refletem. Se nenhuma luz incidir sobre eles, não ospodemos ver. A temperaturas muito altas, no entanto, os corpos temluminosidade própria. Podemos vê-los brilhar num quarto escuro; mas mesmo atemperaturas da ordem de muitos milhares de Kelvin, bem mais de 90% daradiação térmica emitida é invisível para nós, estando na região doinfravermelho do espectro eletromagnético. Portanto, corpos com luminosidadeprópria são muito quentes.De maneira mais geral, a forma detalhada do espectro da radiação térmicaemitida por um corpo quente depende de algum modo da composição dessecorpo. No entanto, a experiência nos mostra que há um tipo de corpo quenteque emite espectros térmicos de caráter universal. Esses corpos são chamadoscorpos negros, isto é, corpos cujas superfícies absorvem toda a radiaçãotérmica incidente sobre eles. O nome é apropriado porque esses corpos nãorefletem luz e são negros.Max Planck concluiu que a energia luminosa é emitida, de modo descontínuo, istoé, agrupada em quantidades bem definidas (pacotes de energia) que foramchamados de fótons de energia.

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Cada radiação eletromagnética é definida por sua freqüência f que, para a luz visível, cresce do vermelho para o violeta na seqüência em que as cores aparecem no arco-íris: Vermelho – alaranjado –amarelo – verde – azul - anil e violeta.

O "quantum" de energia, isto é, a quantidade de energia E, associado a cada fóton de luz, é proporcional à freqüência f da radiação:

E=hfh = constante de Planck = 6,62. 10-34 J.s

Einstein comprovou que a energia luminosa também se propaga e é absorvida de modo descontínuo, isto é, através dos fótons de luz.

Assim, quando a luz se propaga no espaço, a energia luminosa não está presente em toda a região varrida pela luz, mas sim concentrada em "pacotes" de energia, verdadeiros grãos de energia que são os fótons de luz e que correspondem aos "quanta" de energia apresentados por Planck.

3. EFEITO - FOTOELÉTRICO Quando determinado tipo de luz atinge a superfície de ummetal, observa-se que o metal passa a emitir elétrons. Essefenômeno é chamado de efeito fotoelétrico.O efeito fotoelétrico foi explicado em 1905 por Einstein e lhevaleu o prêmio Nobel de Física. Einstein propôs que, no efeitofotoelétrico, um fóton é inteiramente absorvido por um únicoelétron em um tipo de interação semelhante à colisão entreduas partículas.

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Para que o elétron seja emitido, é necessário que a e Energiatransportada pelo fóton de luz (E = h f) seja superior à energiade ligação (w) entre o elétron e o núcleo do átomo.A energia cinética com que o elétron abandona o átomo é adiferença entre a energia do fóton e a energia de ligação a servencida:

h.f > WPortanto, para que uma luz consiga arrancar elétrons de ummetal, ela deve ter uma freqüência adequada dada por:

Ecin = h.f - WSe fizermos um gráfico da energia cinética do elétron emitidoem função da freqüência da luz incidente, teremos:Observe que, como cada elétron só pode absorver um únicofóton, é irrelevante para o valor da energia cinética aintensidade da luz incidente, importando apenas a freqüência(cor) dessa luz.

3. DUALIDADE ONDA - PARTÍCULA: LOUIS DE BROGLIE

O efeito fotoelétrico mostrou que a luz, embora tenha naturezaondulatória, pode ter comportamento análogo ao de uma partícula(partícula de energia que é o fóton).Este comportamento dual onda-partícula se aplica, não apenas para aluz, mas para todas as partículas.Assim para uma partícula em movimento a intensidade da ondaassociada, num dado ponto, é proporcional à probabilidade de seencontrar a partícula naquele ponto.Um fóton de luz monocromática de freqüência f e comprimento deonda λ transporta energia E e quantidade de movimento Q dados por:

Analogamente, a uma partícula em movimento, com quantidade demovimento Q e energia cinética E, associamos uma onda de f ecomprimento de onda λ dados por:

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EXERCÍCIOS01 - Raios X e ondas de rádio estão se propagando novácuo. Os raios X têm comprimento de onda igual a7,2.10-11m e as ondas de rádio, comprimento de ondaigual a 3,0 m.

Sejam EX a energia dos fótons de raios X, ER a energiados fótons da onda de rádio e VX e VRrespectivamente, os módulos de suas velocidades depropagação.

Com base nessas informações, é correto afirmar que:

a) EX > ER e VX = VR

b) EX = ER e VX = VR

c) EX > ER e VX > VR

d) EX = ER e VX > VR

02 - O efeito fotoelétrico consiste:

a) na existência de elétrons em uma ondaeletromagnética que se propaga em um meiouniforme e contínuo.

b) na possibilidade de se obter uma foto do campoelétrico quando esse campo interage com a matéria.

c) na emissão de elétrons quando uma ondaeletromagnética incide em certas superfícies.

d) no fato de que a corrente elétrica em metais éformada por fótons de determinada energia.

e) na idéia de que a matéria é uma forma de energia,podendo transformar-se em fótons ou em calor.

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03 - Considere as duas colunas a seguir, colocando no espaço entreparênteses o número do enunciado da coluna A que mais relação temcom o da coluna B.

Coluna A1. Existência do núcleo atômico

2. Determinação da carga do elétron

3. Caráter corpuscular da luz

4. Caráter ondulatório das partículas

Coluna B( ) Hipótese de de Broglie

( ) Efeito fotoelétrico

( ) Experimento de Millikan

( ) Experimento de Rutherford

A relação numérica correta, de cima para baixo, na coluna B, queestabelece a associação proposta, é:

a) 4 - 3 - 2 - 1. b) 1 - 3 - 2 - 4. c) 4 - 2 - 3 - 1.

d) 4 - 3 - 1 - 2. e) 4 - 1 - 2 - 3.

04 - A presença de um elemento atômico em um gáspode ser determinada verificando-se as energias dosfótons que são emitidos pelo gás, quando este éaquecido.

No modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio, asenergias dos dois níveis de menor energia são:

E1 = - 13,6 eV E2 = - 3,40 eV.

Considerando-se essas informações, um valorPOSSÍVEL para a energia dos fótons emitidos pelohidrogênio aquecido é

a) -17,0 eV.

b) -3,40 eV.

c) 8,50 eV.

d) 10,2 eV.

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05 – Dois feixes de raios X, I e II, incidem sobre umaplaca de chumbo e são totalmente absorvidos por ela.O comprimento de onda do feixe II é três vezes maiorque o comprimento de onda do feixe I.

Ao serem absorvidos, um fóton do feixe I transfere àplaca de chumbo uma energia E1 e um fóton do feixeII, uma energia E2.

Considerando-se essas informações, é correto afirmarque:

a) E2 = 9 E1

b) E2 = E1

c) E2 = 3 E1

d) E2 = 1/3 E1

06 – Assinale a alternativa que preenche corretamentea lacuna do parágrafo abaixo. O ano de 1900 pode serconsiderado o marco inicial de uma revolução ocorridana física do século XX.

Naquele ano, Max Planck apresentou um artigo àSociedade Alemã de Física, introduzindo a idéia da____________ da energia, da qual Einstein se valeupara, em 1905, desenvolver sua teoria sobre o efeitofotoelétrico.

a) conservação

b) quantizaçãoc) transformação

d) conservação

e) propagação

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BOA SORTE

Professor:CARLOS HÉCTOR GALLEGO

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