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15 1 Prof.ª Fernanda Fonseca FÍSICA ÓTICA E ONDAS Aula 4 15 2 Conversa Inicial 15 3 Compreender os conceitos básicos da Física Quântica Identificar e utilizar as teorias da Física Quântica na análise de fenômenos e resolução de problemas OBJETIVO DA AULA 15 4 TEMA 1 – PRINCÍPIOS DA FÍSICA QUÂNTICA 15 5 Objeto hipotético que absorve toda a radiação incidente (não reflete luz) Emite radiação proporcional á temperatura Mesma temperatura T emitem radiação na mesma faixa do espectro eletromagnético Exemplo: T=300 K (infravermelho) CORPO NEGRO 15 6 Rayleigh-jeans (séc. XX) Descreve a radiância espectral da radiação eletromagnética 𝑆 𝜆 = 2𝜋𝑐𝑘𝑇 𝜆4 (𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝑅𝑎𝑦𝑙𝑒𝑖𝑔ℎ − 𝐽𝑒𝑎𝑛𝑠) Em que 𝑆(𝜆) é a radiância espectral → sendo 𝑆 𝜆 𝑑𝜆 a potência irradiada por unidade de área da abertura da cavidade 𝑘 = 1,38 × 10−23 𝐽 𝐾 = 8,62 × 10−23 𝑒𝑉 𝐾 (𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐵𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛𝑛) LEI CLÁSSICA DA RADIAÇÃO 15 7 LEI CLÁSSICA DA RADIAÇÃO 15 8 Os átomos das paredes da cavidade em estados de energia com valores particulares as partículas (osciladores) vibram com frequência 𝑓, com energia 𝐸 = 𝑛 ∙ ℎ ∙ 𝑓 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑛 = 0, 1, 2, … MAX PLANCK: A QUANTIZAÇÃO DA ENERGIA 15 9 Se ajusta melhor aos dados experimentais 𝑆 𝜆 = 2𝜋𝑐2ℎ 𝜆5 1 𝑒 ൗ ℎ𝑐 𝜆𝑘𝑇 − 1 Em que ℎ = 6,626 × 10−34 𝐽 ∙ 𝑠 = 4,136 × 10−15 𝑒𝑉 ∙ 𝑠 (𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑙𝑎𝑛𝑐𝑘) LEI DA RADIAÇÃO DE PLANCK (1900) 15 10 Luz como pacotes de energia Quanta de luz 𝐸 = ℎ𝑓 Não tem massa (𝑚 = 0) Momento de um fóton 𝐸2 = 𝑝 ∙ 𝑐 2 + 𝑚 ∙ 𝑐2 2 ⇒ p = ℎ 𝜆 O FÓTON!!! 15 11 Durante uma desintegração radioativa, um certo núcleo emite um raio gama, cujo fóton tem energia de 1,35 𝑀𝑒𝑉. a) Qual o comprimento de onda correspondente a esse fóton? b) Qual é o momento do fóton? EXEMPLO 15 12 Resolução 15 13 Albert Einstein: Prêmio Nobel de 1921 Incidência de radiação em superfície metálica: emissão de elétrons 𝐸 = 𝜙 + 𝐾𝑚𝑎𝑥 ⇒ ℎ𝑓 = 𝜙 + 𝐾𝑚𝑎𝑥 Em que 𝐾𝑚𝑎𝑥 = 𝑒𝑉0 EFEITO FOTOELÉTRICO 15 14 Obtenha a função trabalho do sódio a partir do gráfico. EXEMPLO 15 15 Resolução 15 16 TEMA 2 – HIPÓTESE DE BROGLIE 15 17 A dualidade onda-partícula não se aplica apenas à luz Comprimento de onda para todos os corpos, grandes ou pequenos! 𝑓ó𝑡𝑜𝑛 𝑝 = ℎ 𝜆 ⇒ 𝜆 = ℎ 𝑝 (𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎) HIPÓTESE DE LOUIS DE BROGLIE 15 18 Experimento mostram que elétrons e fótons sofrem difração e interferência, assim como se comporta como partícula!! HIPÓTESE DE LOUIS DE BROGLIE 15 19 Mediram várias correntes elétricas 𝑖 para vários valores de 𝜙. Máximo de difração (𝑖 máxima) para 𝑉 = 54 𝑉 𝑒 𝜙 = 50° Obs: Gráficos em coordenadas polares: comprimento indica intensidade e ângulo de difração. EXPERIMENTO DE DAVISSON-GERMER 15 20 Mas o que isso significa?? 𝑑 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜙 = 𝑚𝜆 (𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑚 = 0, 1, 2, … ) No Cristal de Níquel 𝑑 = 215 𝑝𝑚 Para 𝑚 = 1 𝑒 𝜙 = 50° 215 × 10−12 ∙ 𝑠𝑒𝑛 50° = 1𝜆 𝜆 = 164,7 × 10−12 𝑚 𝜆 = 164,7 𝑝𝑚 Comprimento de onda para elétrons com energia de 54 𝑒𝑉 EXPERIMENTO DE DAVISSON-GERMER 15 21 Raio X ou Elétrons: mesmo padrão de interferência Fenômenos de mesma natureza EXPERIMENTO DE GEORGE P. THOMPSON 15 22 NÃO É POSSÍVEL MEDIR A POSIÇÃO E O MOMENTO DO ELÉTRON AO MESMO TEMPO Perde-se precisão 𝛥𝑥 ∙ ∆𝑝 ≥ ℎ 4𝜋 ou 𝛥𝐸 ∙ ∆𝑡 ≥ ℎ 4𝜋 𝛥𝑥 ∙ ∆𝑝 ≥ ℏ 2 ou 𝛥𝐸 ∙ ∆𝑡 ≥ ℏ 2 Em que ℏ = 𝒉 𝟐𝝅 , denominada Constante de Planck cortada. PRINCÍPIO DA INCERTEZA DE HEISENBERG 15 23 Qual o comprimento de onda de De Broglie de um elétron que tem energia cinética de 120 𝑒𝑉? EXEMPLO 15 24 Resolução 15 25 TEMA 3 – EQUAÇÃO DE SCHRÖDINGER E O ÁTOMO DE HIDROGÊNIO 15 26 Característica ondulatória da matéria Descreve a distribuição de uma partícula no espaço Equação de Edwin Schödinger (1926) − ℏ 𝟐𝒎 ∙ 𝝏𝟐𝚿(𝒙; 𝒕) 𝝏𝒙2 = 𝒊 ∙ ℏ ∙ 𝝏𝚿(𝒙; 𝒕) 𝝏𝒕 Função de onda para uma partícula livre (sem ação de forças sobre ela) 𝚿 𝒙; 𝒕 = 𝑨 𝒄𝒐𝒔 𝒌𝒙 − 𝝎𝒕 + 𝒊 ∙ 𝒔𝒆𝒏(𝒌𝒙 − 𝝎𝒕) ou 𝚿 𝒙; 𝒕 = 𝑨 ∙ 𝒆𝒊(𝒌𝒙−𝝎𝒕) FUNÇÃO DE ONDA 15 27 A integral de 𝚿 𝒙; 𝒕 𝟐𝒅𝒙 sobre todos os valores possíveis de x deve ser 1 (100%) 𝚿 𝒙; 𝒕 𝟐 não é uma probabilidade, mas é a função de distribuição de probabilidade Descreve como a probabilidade de encontrar a partícula em diferentes locais se distribui no espaço DENSIDADE DE PROBABILIDADE 15 28 𝚿 𝒙; 𝒕 𝟐 = 𝑨 𝟐 (independe da posição) Para ter uma função de onda mais localizada no espaço: sobreposição de funções senoidais Reforço de máximos, anulação de ondas intermediárias DENSIDADE DE PROBABILIDADE 15 29 Partícula e onda: pacote de ondas 𝛹 𝑥; 𝑡 = න −∞ +∞ 𝐴(𝑘) ∙ 𝑒𝑖(𝑘𝑥−𝜔𝑡)𝑑𝑘 PACOTE DE ONDAS 15 30 Armadilha de elétrons: poço de potencial CONFINAMENTO DE ELÉTRONS 15 31 A probabilidade de encontrarmos um elétron em qualquer ponto é proporcional ao quadrado da amplitude da função de onda nesse poço න 0 𝐿 𝚿(𝒙; 𝒕) 2 𝑥 𝑑𝑥 = 1 Isso significa que o elétrons está no poço!! CONFINAMENTO DE ELÉTRONS 15 32 Energia total do elétron é sempre igual a sua energia cinética. 𝐸 = 𝐾 = 𝑝2 2𝑚 Como o momento depende do seu número quântico n, 𝑝 = ℎ 𝜆 = ℎ𝑛 2𝐿 Energia total 𝐸𝑛 = 𝑛 2 ℎ2 8𝑚𝐿2 ENERGIA DOS ESTADOS PERMITIDOS 15 33 𝑛 = 1 (Estado Fundamental) → Estados Estacionários de cordas vibrantes Elétrons NUNCA está em repouso no poço de potencial!! Energia do ponto zero (𝑛 = 1) 𝐸1 = ℎ2 8𝑚𝐿2 → 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 à 𝑇 = 0 𝐾 (𝑍𝑒𝑟𝑜 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜) ENERGIA DOS ESTADOS PERMITIDOS 15 34 O elétron está confinado num poço infinito, cuja largura L é 120 𝑝𝑚, aproximadamente o diâmetro de um átomo. Quais são as energias dos quatro estados para os quais 𝑛 = 1, 𝑛 = 2, 𝑛 = 3 𝑒 𝑛 = 15? EXEMPLO 15 35 Resolução 15 36 Uma partícula de poeira de 1,5 g move-se para frente e para trás entre as duas barreiras rígidas separadas por 0,10 mm. Ela se move tão lentamente que leva 120 s para cobrir essa distância. Vamos imaginar que esse movimento seja de uma partícula confinada num poço infinito. Qual o número quântico associado ao estado da partícula? EXEMPLO 15 37 Resolução 15 38 Resolução 15 39 SITUAÇÃO MAIS SIMPLES POSSÍVEL: elétron 𝑒− ⇔ 𝑛ú𝑐𝑙𝑒𝑜 𝑝+ TEORIA CLÁSSICA → O elétrons no estado fundamental move-se em órbita circular (átomo de Bohr) com raio 𝑟𝐵 = 52,92 𝑝𝑚 TEORIA QUÂNTICA → O núcleo é envolto por uma nuvem de probabilidade de elétrons. O ÁTOMO DE HIDROGÊNIO 15 40 Estados de Energia permitidos para o elétron 𝐸𝑛 = − 1 𝑛2 𝑚𝑒4 8𝜖0 2ℎ2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑛 = 1, 2, 3, … A medida que 𝑛 aumenta, o elétrons passa para estados mais energéticos (menos negativos) → porque 𝑈 = 0 no infinito 68% do tempo → afastado do núcleo 32% do tempo → próximo ao núcleo (região do raio de Bohr) O ÁTOMO DE HIDROGÊNIO 15 41 TEMA 4 – EFEITO TÚNEL 15 42 Partícula escapa de regiões cercadas por barreiras de potencial mesmo quando sua energia cinética é menor que a energia potencial da barreira Transposição estado de energia classicamente proibido EFEITO TÚNEL 15 43 Teoria Clássica: barreira de potencial pode ser transposta por uma partícula cuja energia E é maior que a energia da barreira (E>U) Teoria Quântica: a probabilidade de uma partícula estar em determinada posição permite uma probabilidade de transmissão da partícula através da barreira, mesmo que sua energia seja menor que a energia potencial da mesma (E<U) EFEITO TÚNEL 15 44 EFEITO TÚNEL 15 45 𝑇 = 𝐺 ∙ 𝑒−2𝑘𝐿 Para a qual 𝑘 = 8𝜋2𝑚 𝑈−𝐸 ℎ2 e 𝐺 = 16 𝐸 𝑈 1 − 𝐸 𝑈 Probabilidade de Reflexão 𝑅 + 𝑇 = 1 PROBABILIDADE DE TUNELAMENTO 15 46 Um elétron cuja energia total é 5,1 eV aproxima-se de uma barreira de potencial cuja altura U é 6,8eV e cuja espessura L é 750 pm. a)Qual é o comprimento de onda de De Broglie do elétron incidente? b)Qual o coeficiente de Transmissão? c)E o coeficiente de Reflexão? EXEMPLO 15 47 Resolução 15 48 Resolução 15 49 Resolução 15 50 TEMA 5 – CIÊNCIA NA TECNOLOGIA E NA SOCIEDADE 15 51 MICROSCÓPIO ELETÔNICO DE TUNELAMENTO (STM) 15 52
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