Física revolução industrial

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Física revolução industrial

  1. 1. UAB – Univesidade Aberta do BrasilCiências Naturais e Matemática A Ciência na Época da Revolução Industrial Vamos discutir neste tópico um mundoque é mundo diferente do nosso: o mundo dosátomos e das partículas subatômicas. Esta novaárea, a Física Quântica, estabelecida em princípiosde incerteza e nãodeterminismo, é a base deciências como a Química e a Bioquímica. Originaria de um período de difíceis pressões políticas e disputasacadêmicas, em meio a duas guerras mundiais, a Física Quântica e seusaspectos muito estranhos para o nosso senso comum foram responsáveis pormuitas das inovações tecnológicas que mudaram os rumos da civilização noséculo XX.
  2. 2. UAB – Univesidade Aberta do BrasilCiências Naturais e Matemática A Ciência na Época da Revolução Industrial A Mecânica Quântica resume algumas das teorias desenvolvidas, a partir de 1900 para explicar a mecânica dos átomos e dos sistemas nucleares. Aceitando que os conceitos clássico e eletromagnético eram incapazes para uma explicação adequada e coerente do mundo microscópico mas suficientes para explicação domundo macroscópico a Mecânica Quântica Antiga compreende as teorias dePlanck, Einstein, Bohr e De Broglie. As teorias de Heisenberg até Paul Dirac sãoconhecidas como Mecânica Quântica Moderna.
  3. 3. CONHECIMENTO CIENTÍFICO NO FINAL DO SÉCULO XIXMecânica Clássica - Isaac Newton (inglês: 1643 - 1727) Principia mathematica philosophiae naturalis (1687)
  4. 4. CONHECIMENTO CIENTÍFICO NO FINAL DO SÉCULO XIXÓptica- Christiaan Huygens (inglês: 1629-1695)Tratado da Luz (1690)
  5. 5. CONHECIMENTO CIENTÍFICO NO FINAL DO SÉCULO XIXÓptica- Thomas Young (inglês: 1773-1829)Trabalhos sobre interferências luminosas (1802)
  6. 6. CONHECIMENTO CIENTÍFICO NO FINAL DO SÉCULO XIX Óptica e Eletromagnetismo- James C. Maxwell (inglês: 1831-1879) Estabeleceu a relação entre o eletromagnetismoe a luz, e a propagação pelo “éter”. Posteriormente, Hertzconstruiu, a partir da teoria de Maxwell, o primeirotransmissor de rádio.
  7. 7. CONHECIMENTO CIENTÍFICO NO FINAL DO SÉCULO XIX
  8. 8. NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS O estudo de descargas elétricas em gases rarefeitos levou à descoberta dos raios catódicos.
  9. 9. NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS Os raios catódicos levaram à descoberta dos raios X, que eram úteis mas misteriosos.
  10. 10. NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS J. J. Thomson, estudando os raios catódicos, descobriu o elétron. Mas que relação os elétrons tinham com os átomos da matéria? O modelo de átomo descrito por Thomsonconsiste em elétrons localizados no interior de umadistribuição contínua de carga positiva (plum pudding).
  11. 11. NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS O modelo de átomo descrito por Rutherford mostrou que, em vezde estar espalhada por todo o átomo, a carga positiva deveria estarconcentrada numa região muito pequena do átomo, ou núcleo, no seucentro.
  12. 12. NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS O modelo de átomo de Bohr determinou algumas leis paraexplicar o modo pelo qual os elétrons giram em órbita ao redor do núcleoatômico.Primeira Lei: os elétrons podem girar em órbita somente a determinadasdistâncias permitidas do núcleo.Segunda Lei: um átomo irradia energia quando um elétron salta de umaórbita de maior energia para uma de menor energia. ....AulasSimulaçõeshydrogen-atom_pt.jar
  13. 13. NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS Os estudos de HenriBecquerel e do casal Curie levaramà descoberta da radioatividade e deestranhos elementos que emitiamenergia de origem desconhecida.
  14. 14. O PROBLEMA DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO O que é um corpo negro? É um objeto capaz de absorver toda a radiação nele incidente. É um objeto capaz de emitir, em cada parte do espectro eletromagnético, a máxima energia devido à sua temperatura apenas.
  15. 15. O PROBLEMA DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO O que é radiação térmica? É a radiação emitida por qualquer corpo, devido à sua temperatura.
  16. 16. O PROBLEMA DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO 1) Quais as características da emissão térmica de um corpo negro? 1879 - Josef Stefan Energia radiante emitida por um corpo negro é proporcional a T4 (resultado experimental).
  17. 17. O PROBLEMA DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO -100 C 0 C 1000 C
  18. 18. O PROBLEMA DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO O 1400 aquecido temperatura igual ou pois suas 560 C só emite A corpo corpoo à corpo já emite luz, emite radiação visível composto Um C, em torno de 2000 C inferior a radiações, emborapredominantemente infravermelhas, permanecem também à região do espectro(luz), praticamente em todos os comprimentos de onda. radiação infravermelha;visível (luz amarela);
  19. 19. HIPÓTESE DE PLANCK A Teoria Quântica Segundo o físico alemão Max PLANCK (1900): "Um elétron, ao oscilar com uma freqüência f, emite ou absorve umaradiação eletromagnética de igual freqüência, porém essa energia não é emitidaou absorvida continuamente, mas em quantidades descontinuas, discretas. " "A energia radiante de freqüência f, só pode ser emitida ou absorvida emquantidades discretas (quantum), múltiplos inteiros de hf, sendo h a constanteuniversal de Planck (6,6 x 10-34 J.s). " E = h.f
  20. 20. O EFEITO FOTOELÉTRICO - Heinrich Hertz, 1890 Recebe o nome de efeito fotoelétrico áobservação de que quando um pedaço de metal éiluminado com luz, uma pequena corrente elétrica fluiatravés do metal.
  21. 21. O EFEITO FOTOELÉTRICO Aplicações Sensores de Portas Automáticas Parque de energia solar de Sanlucar la Mayor, ao sul de Sevilha
  22. 22. O EFEITO FOTOELÉTRICO Segundo Einstein (1905):. A luz monocromática consistia de um fluxo de partículas(pacotes de energia ou fótons) com energia E = hf Cada fóton com sua energia hf
  23. 23. O EFEITO FOTOELÉTRICO . Existe um limiar de freqüências. hf < w não há emissão de elétrons.Energia cinética do fotoelétron Ec = hf - w Trabalho para remover o elétron do metal Energia do Fóton incidente 1 eV = 1,6.10-19 joule
  24. 24. O EFEITO FOTOELÉTRICO Dualidade onda-partícula "A Luz apresenta propriedades ondulatórias (reflexão, refração, difração,interferência e efeito Dopler) e corpusculares (efeito fotoelétrico e efeitoCompton)". A hipótese de Einstein sugere que a luz, ao atravessar o espaço, não secomporta como uma onda, mas sim com uma partícula. ....AulasSimulaçõesphotoelectric_en.jar
  25. 25. O EFEITO FOTOELÉTRICO Em um laboratório, são fornecidas a um estudante duas lâmpadas de luzmonocromática. Uma emite luz com comprimento de onda correspondente ao vermelho(4,0.1014 Hz) e com potência de 150 Watts. A outra lâmpada emite luz com comprimento deonda correspondente ao violeta (7,5.1014 Hz) e cuja potência é de 15 Watts. O estudante deverealizar uma experiência sobre o efeito fotoelétrico. Inicialmente, ele ilumina uma placa de lítiometálico com a lâmpada de 150 W e, em seguida, ilumina a mesma placa com a lâmpada de 15W. A freqüência-limite do lítio metálico é aproximadamente 6,0.1014 Hz. Em relação à descrição apresentada, assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S).( ) Ao iluminar a placa de lítio com a lâmpada de 15 W, elétrons são ejetados dasuperfície metálica.( ) Como a lâmpada de luz vermelha tem maior potência, os elétrons serão ejetados dasuperfície metálica, ao iluminarmos a placa de lítio com a lâmpada de 150 W.( ) A energia cinética dos elétrons, ejetados da placa de lítio, é diretamenteproporcional à freqüência da luz incidente.( ) Quanto menor a frequência da luz utilizada, maior a energia cinética dos elétronsejetados da superfície metálica.( ) Se o estudante iluminasse a superfície de lítio metálico com uma lâmpada de 5 W deluz monocromática azul, os elétrons seriam ejetados da superfície metálica do lítio.( ) Se o estudante utilizasse uma lâmpada de luz violeta de 60 W, a quantidade deelétrons ejetados da superfície do lítio seria quatro vezes maior que a obtida com a lâmpada de15 W.
  26. 26. EFEITO COMPTON Na interação entre um fóton e um elétron ocorreria umespalhamento, o elétron recuaria e absorveria parte da energia. O fótonespalhado teria então menos energia, e portanto, freqüência mais baixaque a do fóton incidente.
  27. 27. PRINCIPIO DA INCERTEZA - Heisenberg, 1925 (alemão) Afirma a impossibilidade de se determinarsimultaneamente a posição e a velocidade de umapartícula com precisão arbitrariamente grande. Em 1925, com a descoberta da Mecânica Quântica, Werner Heisenbergtornou-se um dos maiores físicos de todos os tempos. Onde ħ é a Constante de Planck (h) dividida por 2π. Nessa análise da observação de um elétron, o fóton representa a ação doobservador sobre o objetode Planck (h) dividida por 2π.Onde ©¤ é a Constante observado.
  28. 28. PRINCIPIO DA INCERTEZA Na verdade é possível especificar qualquer uma dessas duasquantidades tão precisamente quanto se queira, mas, a medida que se aumenta aprecisão na determinação de uma, perde-se precisão na determinação da outra. E para surpresa da comunidade científica, a resposta da MecânicaQuântica foi de que era impossível calcular a trajetória de um elétron pela razãode que não existia trajetória! Nessa análise da observação de um elétron, o fóton representa a ação doobservador sobre o objeto observado. O fato de o elétron ser visto implica anecessidade de que um fóton seja emitido por ele, com as conseqüênciasdescritas. O princípio da incerteza é, assim, uma manifestação da impossibilidadede se ignorar a interação observador-sistema observado.
  29. 29. O CARACTÉR CORPUSCULAR DA MATÉRIA - Louis De Broglie, 1927 (francês) Lançou a hipótese de que, se a luz apresentavanatureza dual, também uma partícula poderia comportar-sede modo semelhante. Segundo o físico francês Louis De Broglie as partículas subatômicas(elétrons, prótons, etc.) também possuem características ondulatórias. Esse fatofoi comprovado por Clinton Davisson, Lester Germer e G. P. Thomson (filho de J.J. Thomson). E E hf hf h h Q mc .c Q . Como E hf Q λ 2 c c f Q cOnde ©¤ é a Constante de Planck (h) dividida por 2π. ....VídeosDr. Quatum.mpg
  30. 30. O GATO DE SCHRÖDINGER - Erwin Schrödinger (austríaco: 1887-1961) Famoso por suas contribuições à MecânicaQuântica, especialmente a Equação de Schrödinger, pelaqual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1933. Tambémpropôs o experimento conceitual (mental) conhecido como oGato de Schrödinger. O gato de Schrödinger foi pensado como exemplo para mostrar claramente as diferenças existentes entre o mundo quotidiano e o mundo quântico.Onde ©¤ é a Constante de Planck (h) dividida por 2π.
  31. 31. O GATO DE SCHRÖDINGER A Função de Onda deSchrödinger ψ, apesar de não apresentarnenhum significado físico, contém todasas informações relevantes a respeito dapartícula. Pela interpretação de Max Born afunção ψ2 diz respeito a probabilidade deencontrar a particula. -1 2
  32. 32. O GATO DE SCHRÖDINGER . A Mecânica Quântica diz-nos que nada é real, eque não podemos afirmar nada acerca dos fenômenosexceto quando os vemos. . O gato de Schrödinger foi pensado como exemplo para mostrarclaramente as diferenças existentes entre o mundo quotidiano e o mundoquântico. . No mundo quântico já não vigoram mais as leis que nos sãofamiliares. Os acontecimentos são regidos por probabilidades.
  33. 33. O GATO DE SCHRÖDINGER Schrödinger, tão preocupado como Einstein com as implicaçõesda teoria quântica, tentou mostrar o absurdo de tais implicaçõesimaginando uma experiência como a referida, que ocorreria numa sala oucaixote fechado, em cujo interior estariam ainda um gato vivo e um frascode gás venenoso, tudo disposto de maneira que se a desintegraçãoradioativa se desse, o frasco seria quebrado e o gato morreria. No mundoquotidiano a morte do gato tem 50% de probabilidade de ocorrer, e, semolhar para o interior do caixote, podemos dizer com segurança que o gatoou está vivo ou está morto. Mas aqui deparamos com a estranheza do mundo quântico. Segundo a teoria, nenhuma das duas possibilidades de concretização (o gato vivo e fato morto) tem realidade a não ser que seja observada.
  34. 34. O GATO DE SCHRÖDINGER Assim a desintegração nem aconteceu nem não aconteceu e o gatonão morreu nem sobreviveu até que tenhamos olhado para o interior docaixote. Os teóricos que aceitam a versão pura da Mecânica Quântica dizemque o gato existe num estado indeterminado que não é vida nem é morte, atéque um observador olhe para dentro do caixote. Nada é real se não éobservado.
  35. 35. Essa idéia era um anátema paraEinstein. "Deus não joga dados", dizia, referindo-se à teoria de que o mundo evolui em conseqüência de escolhas aleatórias ao nível quântico
  36. 36. 01. Construa um mapa conceitual sobre o assunto.

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