1) O documento discute os principais conceitos e descobertas da física quântica no século XX, incluindo a hipótese quântica de Planck, a dualidade onda-partícula, o princípio da incerteza de Heisenberg e a mecânica quântica de Schrödinger. 2) A física quântica estabeleceu novos princípios como a incerteza e o não-determinismo que são a base de ciências como a química e bioquímica. 3)

1. UAB – Univesidade Aberta do Brasil
Ciências Naturais e Matemática
A Ciência na Época da Revolução Industrial
Vamos discutir neste tópico um mundo
que é mundo diferente do nosso: o mundo dos
átomos e das partículas subatômicas. Esta nova
área, a Física Quântica, estabelecida em princípios
de incerteza e nãodeterminismo, é a base de
ciências como a Química e a Bioquímica.
Originaria de um período de difíceis pressões políticas e disputas
acadêmicas, em meio a duas guerras mundiais, a Física Quântica e seus
aspectos muito estranhos para o nosso senso comum foram responsáveis por
muitas das inovações tecnológicas que mudaram os rumos da civilização no
século XX.

2. UAB – Univesidade Aberta do Brasil
Ciências 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 do
mundo macroscópico a Mecânica Quântica Antiga compreende as teorias de
Planck, Einstein, Bohr e De Broglie. As teorias de Heisenberg até Paul Dirac são
conhecidas como Mecânica Quântica Moderna.

4. Mecânica Clássica
- Isaac Newton (inglês: 1643 - 1727)
Principia mathematica philosophiae naturalis (1687)
CONHECIMENTO CIENTÍFICO NO FINAL DO SÉCULO XIX

5. Óptica
- Christiaan Huygens (inglês: 1629-1695)
Tratado da Luz (1690)
CONHECIMENTO CIENTÍFICO NO FINAL DO SÉCULO XIX

6. Óptica
- Thomas Young (inglês: 1773-1829)
Trabalhos sobre interferências luminosas (1802)
CONHECIMENTO CIENTÍFICO NO FINAL DO SÉCULO XIX

7. Óptica e Eletromagnetismo
- James C. Maxwell (inglês: 1831-1879)
Estabeleceu a relação entre o eletromagnetismo
e a luz, e a propagação pelo “éter”. Posteriormente, Hertz
construiu, a partir da teoria de Maxwell, o primeiro
transmissor de rádio.
CONHECIMENTO CIENTÍFICO NO FINAL DO SÉCULO XIX

8. CONHECIMENTO CIENTÍFICO NO FINAL DO SÉCULO XIX

9. O estudo de descargas
elétricas em gases rarefeitos
levou à descoberta dos raios
catódicos.
NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS

10. Os raios catódicos levaram à
descoberta dos raios X, que eram úteis mas
misteriosos.
NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS

11. 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 Thomson
consiste em elétrons localizados no interior de uma
distribuição contínua de carga positiva (plum pudding).
NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS

12. O modelo de átomo descrito por Rutherford mostrou que, em vez
de estar espalhada por todo o átomo, a carga positiva deveria estar
concentrada numa região muito pequena do átomo, ou núcleo, no seu
centro.
NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS

13. O modelo de átomo de Bohr determinou algumas leis para
explicar o modo pelo qual os elétrons giram em órbita ao redor do núcleo
atômico.
Primeira Lei: os elétrons podem girar em órbita somente a determinadas
distâncias permitidas do núcleo.
Segunda Lei: um átomo irradia energia quando um elétron salta de uma
órbita de maior energia para uma de menor energia.
NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS
....AulasSimulaçõeshydrogen-atom_pt.jar

14. Os estudos de Henri
Becquerel e do casal Curie levaram
à descoberta da radioatividade e de
estranhos elementos que emitiam
energia de origem desconhecida.
NOVAS DESCOBERTAS EXPERIMENTAIS

15. 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.
O PROBLEMA DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO

16. O que é radiação térmica?
É a radiação emitida por qualquer corpo, devido à sua
temperatura.
O PROBLEMA DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO

17. 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).
O PROBLEMA DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO

18. O PROBLEMA DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO
-100 °C 0 °C
1000 °C

19. Um corpo à temperatura igual ou inferior a 560°C só emite
radiação infravermelha;
A 1400 °C, o corpo já emite luz, pois suas radiações, embora
predominantemente infravermelhas, permanecem também à região do espectro
visível (luz amarela);
O corpo aquecido em torno de 2000 °C emite radiação visível composto
(luz), praticamente em todos os comprimentos de onda.
O PROBLEMA DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO

20. HIPÓTESE DE PLANCK
A Teoria Quântica
Segundo o físico alemão Max PLANCK (1900):
"Um elétron, ao oscilar com uma freqüência f, emite ou absorve uma
radiação eletromagnética de igual freqüência, porém essa energia não é emitida
ou absorvida continuamente, mas em quantidades descontinuas, discretas. "
"A energia radiante de freqüência f, só pode ser emitida ou absorvida em
quantidades discretas (quantum), múltiplos inteiros de hf, sendo h a constante
universal de Planck (6,6 x 10-34 J.s). "
E = h.f

21. - Heinrich Hertz, 1890
O EFEITO FOTOELÉTRICO
Recebe o nome de efeito fotoelétrico á
observação de que quando um pedaço de metal é
iluminado com luz, uma pequena corrente elétrica flui
através do metal.

22. Aplicações
Parque de
energia solar de
Sanlucar la
Mayor, ao sul de
Sevilha
Sensores de Portas Automáticas
O EFEITO FOTOELÉTRICO

23. Segundo Einstein (1905):
Cada fóton com sua
energia hf
. A luz monocromática consistia de um fluxo de partículas
(pacotes de energia ou fótons) com energia
E = hf
O EFEITO FOTOELÉTRICO

24. Ec = hf - w
Energia cinética do fotoelétron
Energia do Fóton incidente
Trabalho para remover o
elétron do metal
. Existe um limiar de freqüências.
hf < w não há emissão de elétrons.
1 eV = 1,6.10-19 joule
O EFEITO FOTOELÉTRICO

25. "A Luz apresenta propriedades ondulatórias (reflexão, refração, difração,
interferência e efeito Dopler) e corpusculares (efeito fotoelétrico e efeito
Compton)".
A hipótese de Einstein sugere que a luz, ao atravessar o espaço, não se
comporta como uma onda, mas sim com uma partícula.
Dualidade onda-partícula
....AulasSimulaçõesphotoelectric_en.jar
O EFEITO FOTOELÉTRICO

26. O EFEITO FOTOELÉTRICO
Em um laboratório, são fornecidas a um estudante duas lâmpadas de luz
monocromática. 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 de
onda correspondente ao violeta (7,5.1014 Hz) e cuja potência é de 15 Watts. O estudante deve
realizar uma experiência sobre o efeito fotoelétrico. Inicialmente, ele ilumina uma placa de lítio
metálico com a lâmpada de 150 W e, em seguida, ilumina a mesma placa com a lâmpada de 15
W. 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 da
superfície metálica.
( ) Como a lâmpada de luz vermelha tem maior potência, os elétrons serão ejetados da
superfície metálica, ao iluminarmos a placa de lítio com a lâmpada de 150 W.
( ) A energia cinética dos elétrons, ejetados da placa de lítio, é diretamente
proporcional à freqüência da luz incidente.
( ) Quanto menor a frequência da luz utilizada, maior a energia cinética dos elétrons
ejetados da superfície metálica.
( ) Se o estudante iluminasse a superfície de lítio metálico com uma lâmpada de 5 W de
luz 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 de
elétrons ejetados da superfície do lítio seria quatro vezes maior que a obtida com a lâmpada de
15 W.

27. Na interação entre um fóton e um elétron ocorreria um
espalhamento, o elétron recuaria e absorveria parte da energia. O fóton
espalhado teria então menos energia, e portanto, freqüência mais baixa
que a do fóton incidente.
EFEITO COMPTON

28. PRINCIPIO DA INCERTEZA
Onde ©¤ é a Constante de Planck (h) dividida por 2π.
- Heisenberg, 1925 (alemão)
Nessa análise da observação de um elétron, o fóton representa a ação do
observador sobre o objeto observado.
Afirma a impossibilidade de se determinar
simultaneamente a posição e a velocidade de uma
partícula com precisão arbitrariamente grande.
Em 1925, com a descoberta da Mecânica Quântica, Werner Heisenberg
tornou-se um dos maiores físicos de todos os tempos.
Onde ħ é a Constante de Planck (h) dividida por 2π.

29. E para surpresa da comunidade científica, a resposta da Mecânica
Quântica foi de que era impossível calcular a trajetória de um elétron pela razão
de que não existia trajetória!
Nessa análise da observação de um elétron, o fóton representa a ação do
observador sobre o objeto observado. O fato de o elétron ser visto implica a
necessidade de que um fóton seja emitido por ele, com as conseqüências
descritas. O princípio da incerteza é, assim, uma manifestação da impossibilidade
de se ignorar a interação observador-sistema observado.
Na verdade é possível especificar qualquer uma dessas duas
quantidades tão precisamente quanto se queira, mas, a medida que se aumenta a
precisão na determinação de uma, perde-se precisão na determinação da outra.
PRINCIPIO DA INCERTEZA

30. O CARACTÉR CORPUSCULAR DA MATÉRIA
Onde ©¤ é a Constante de Planck (h) dividida por 2π.
- Louis De Broglie, 1927 (francês)
Segundo o físico francês Louis De Broglie as partículas subatômicas
(elétrons, prótons, etc.) também possuem características ondulatórias. Esse fato
foi comprovado por Clinton Davisson, Lester Germer e G. P. Thomson (filho de J.
J. Thomson).
Q
h
λ 












h
f
hf
c
hf
Q
hf
E
Como
.
c
E
Q
c
.
c
E
mc
Q
2
Lançou a hipótese de que, se a luz apresentava
natureza dual, também uma partícula poderia comportar-se
de modo semelhante.
....VídeosDr. Quatum.mpg

31. O GATO DE SCHRÖDINGER
Onde ©¤ é a Constante de Planck (h) dividida por 2π.
Famoso por suas contribuições à Mecânica
Quântica, especialmente a Equação de Schrödinger, pela
qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1933. Também
propôs o experimento conceitual (mental) conhecido como o
Gato de Schrödinger.
O gato de Schrödinger foi pensado
como exemplo para mostrar claramente as
diferenças existentes entre o mundo quotidiano
e o mundo quântico.
- Erwin Schrödinger (austríaco: 1887-1961)

32. A Função de Onda de
Schrödinger ψ, apesar de não apresentar
nenhum significado físico, contém todas
as informações relevantes a respeito da
partícula.
Pela interpretação de Max Born a
função ψ2 diz respeito a probabilidade de
encontrar a particula.
O GATO DE SCHRÖDINGER
2
-1

33. . A Mecânica Quântica diz-nos que nada é real, e
que não podemos afirmar nada acerca dos fenômenos
exceto quando os vemos.
. O gato de Schrödinger foi pensado como exemplo para mostrar
claramente as diferenças existentes entre o mundo quotidiano e o mundo
quântico.
. No mundo quântico já não vigoram mais as leis que nos são
familiares. Os acontecimentos são regidos por probabilidades.
O GATO DE SCHRÖDINGER

34. Schrödinger, tão preocupado como Einstein com as implicações
da teoria quântica, tentou mostrar o absurdo de tais implicações
imaginando uma experiência como a referida, que ocorreria numa sala ou
caixote fechado, em cujo interior estariam ainda um gato vivo e um frasco
de gás venenoso, tudo disposto de maneira que se a desintegração
radioativa se desse, o frasco seria quebrado e o gato morreria. No mundo
quotidiano a morte do gato tem 50% de probabilidade de ocorrer, e, sem
olhar para o interior do caixote, podemos dizer com segurança que o gato
ou 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.
O GATO DE SCHRÖDINGER

35. Assim a desintegração nem aconteceu nem não aconteceu e o gato
não morreu nem sobreviveu até que tenhamos olhado para o interior do
caixote. Os teóricos que aceitam a versão pura da Mecânica Quântica dizem
que o gato existe num estado indeterminado que não é vida nem é morte, até
que um observador olhe para dentro do caixote. Nada é real se não é
observado.
O GATO DE SCHRÖDINGER

36. Essa idéia era um anátema para
Einstein.
"Deus não joga dados", dizia,
referindo-se à teoria de que o mundo
evolui em conseqüência de escolhas
aleatórias ao nível quântico

37. 01. Construa um mapa conceitual sobre o assunto.