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TEOREMA MILITAR LISTA 18- FÍSICA QUÂNTICA PROF. IGOR FERREIRA 1. (Upf 2017) Denomina-se de efeito fotoelétrico o fenômeno que consiste na liberação de elétrons pela superfície de um material quando esse é exposto a uma radiação eletromagnética como a luz. O fenômeno foi explicado por Einstein em 1905, quando admitiu que a luz é constituída por quanta de luz cuja energia é dada por E h f,= sendo h a constante de Planck e f a frequência da luz. Das seguintes afirmativas, assinale a correta. a) O efeito fotoelétrico acontece independentemente da frequência da luz incidente na superfície metálica. b) A teoria do efeito fotoelétrico afirma que, aumentando a frequęncia da luz incidente na superfície metálica, é possível arrancar prótons da superfície do metal. c) Considerando que, no vácuo, o comprimento de onda da luz vermelha é maior do que o comprimento de onda da luz azul, a energia dos quanta de luz vermelha é maior do que a energia dos quanta da luz azul. d) Quando uma luz monocromбtica incide sobre uma superfнcie metбlica e nгo arranca elйtrons dela, basta aumentar a sua intensidade para que o efeito fotoelйtrico ocorra. e) O efeito fotoelétrico fornece evidências das naturezas ondulatória e corpuscular da luz. 2. (Unisc 2017) A radiação eletromagnética tem uma natureza bastante complexa. Em fenômenos de interferência, por exemplo, ela apresenta um comportamento __________. Já em processo de emissão e de absorção ela pode apresentar um comportamento __________. Pode também ser descrita por “pacotes de energia” (fótons) que se movem no vácuo com velocidade de aproximadamente 300.000 km s e têm massa __________. Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas. a) ondulatório – ondulatório – nula. b) ondulatório – corpuscular – nula. c) ondulatório – corpuscular – diferente de zero. d) corpuscular – ondulatório – diferente de zero. e) ondulatório – ondulatório – diferente de zero. 3. (Ufrgs 2020) No início do século XX, a Física Clássica começou a ter problemas para explicar fenômenos físicos que tinham sido recentemente observados. Assim começou uma revolução científica que estabeleceu as bases do que hoje se chama Física Moderna. Entre os problemas antes inexplicáveis e resolvidos nesse novo período, podem-se citar a) a indução eletromagnética, o efeito fotoelétrico e a radioatividade. b) a radiação do corpo negro, a 1ª lei da Termodinâmica e a radioatividade. c) a radiação do corpo negro, a indução eletromagnética e a 1ª lei da Termodinâmica. d) a radiação do corpo negro, o efeito fotoelétrico e a radioatividade. e) a radiação do corpo negro, o efeito fotoelétrico e a indução eletromagnética. 4. (Unesp 2020) A sensibilidade visual de humanos e animais encontra-se dentro de uma estreita faixa do espectro da radiação eletromagnética, com comprimentos de onda entre 380 nm e 760 nm. É notável que os vegetais também reajam à radiação dentro desse mesmo intervalo, incluindo a fotossíntese e o crescimento fototrópico. A razão para a importância dessa estreita faixa de radiação eletromagnética é o fato de a energia carregada por um fóton ser inversamente proporcional ao comprimento de onda. Assim, os comprimentos de onda mais longos não carregam energia suficiente em cada fóton para produzir um efeito fotoquímico apreciável, e os mais curtos carregam energia em quantidade que danifica os materiais orgânicos. (Knut Schmidt-Nielsen. Fisiologia animal:adaptação e meio ambiente, 2002. Adaptado.) A tabela apresenta o comprimento de onda de algumas cores do espectro da luz visível: Sabendo que a energia carregada por um fóton de frequência f é dada por E h f,= em que 34h 6,6 10 J s,−= que a velocidade da luz é aproximadamente 8c 3 10 m s= e que 91nm 10 m,−= a cor da luz cujos fótons carregam uma quantidade de energia correspondente a 193,96 10 J− é a) azul. b) verde. c) amarela. d) laranja. e) vermelha. TEOREMA MILITAR LISTA 18- FÍSICA QUÂNTICA PROF. IGOR FERREIRA 5. (Ufu 2017) A natureza da luz é um assunto que tem estado presente nas discussões de cientistas e filósofos há séculos, principalmente a partir da possibilidade de aplicação de fenômenos luminosos por comportamentos tanto ondulatórios quanto corpusculares. Segundo o princípio da complementaridade, proposto por Niels Bohr em 1928, a descrição ondulatória da luz é complementar à descrição corpuscular, mas não se usam as duas descrições simultaneamente para descrever um determinado fenômeno luminoso. Desse modo, fenômenos luminosos envolvendo a propagação, a emissão e a absorção da luz são explicados ora considerando a natureza ondulatória, ora considerando a natureza corpuscular. Assinale a alternativa que apresenta um fenômeno luminoso mais bem explicado, considerando-se a natureza corpuscular da luz. a) Espalhamento da luz ao atravessar uma fenda estreita. b) Interferência luminosa quando feixes luminosos de fontes diferentes se encontram. c) Mudança de direção de propagação da luz ao passar de um meio transparente para outro. d) Absorção de luz com emissão de elétrons por uma placa metálica. 6. (Fuvest 2017) Na estratosfera, há um ciclo constante de criação e destruição do ozônio. A equação que representa a destruição do ozônio pela ação da luz ultravioleta solar (UV) é UV 3 2O O O⎯⎯⎯→ + O gráfico representa a energia potencial de ligação entre um dos átomos de oxigênio que constitui a molécula de 3O e os outros dois, como função da distância de separação r. A frequência dos fótons da luz ultravioleta que corresponde à energia de quebra de uma ligação da molécula de ozônio para formar uma molécula de 2O e um átomo de oxigênio é, aproximadamente, Note e adote: - E hf= - E é a energia do fóton. - f é a frequência da luz. - Constante de Planck, 34h 6 10 J s−= a) 151 10 Hz b) 152 10 Hz c) 153 10 Hz d) 154 10 Hz e) 155 10 Hz 7. (Fgv 2017) A função trabalho de certo metal é 199,94 10 J.− Considere a constante de Planck com o valor 346,63 10 J s.− A frequência mínima a partir da qual haverá efeito fotoelétrico sobre esse metal é, em 1510 Hz, de a) 1,1. b) 1,2. c) 1,5. d) 1,7. e) 1,9. 8. (Upf 2016) A física moderna trata da física desenvolvida no início do século XX e dos conhecimentos por ela gerados advêm muitos dos avanços tecnológicos observados nos dias atuais. Sobre fenômenos, conceitos e teorias abordados pela física moderna, analise as afirmativas que seguem. I. O efeito fotoelétrico explica como um próton pode ser arrancado de um metal. II. As leis da física são idênticas para todos os observadores em qualquer referencial inercial. III. Um elétron salta de uma órbita para outra somente quando perde energia. IV. A energia de um fóton é diretamente proporcional à sua frequência. Está correto apenas o que se afirma em: a) I e III. b) II e III. c) II e IV. d) I e II. e) III e IV. TEOREMA MILITAR LISTA 18- FÍSICA QUÂNTICA PROF. IGOR FERREIRA 9. (Feevale 2016) O efeito fotoelétrico foi descoberto por Hertz no final do século XIX, e a explicação do fenômeno foi dada por Einstein no começo do século XX. Com base nessa explicação, são feitas três afirmações. I. A energia contida no fóton depende da frequência da radiação incidente. II. A radiação, ao incidir sobre uma superfície, pode arrancar elétrons desta. III. A energia cinética do elétron arrancado de uma superfície depende da intensidade da radiação incidente. Marque a alternativa correta. a) Apenas a afirmação I está correta. b) Apenas a afirmação II está correta. c) Apenas a afirmação III está correta. d) Apenasas afirmações I e II estão corretas. e) Apenas as afirmações I e III estão corretas. TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Nas questões a seguir, quando necessário, use: - Aceleração da gravidade: 2g 10 m s ;= - Calor específico da água: c 1,0 cal g C;= - sen 45 cos 45 2 2. = = 10. (Epcar (Afa) 2019) O eletroscópio de folhas é um aparelho utilizado para detectar cargas elétricas. Ele é constituído de uma placa metálica que é ligada, através de uma haste condutora elétrica, a duas lâminas metálicas finas e bem leves. Se as duas lâminas estiverem fechadas, indica que o eletroscópio está descarregado (Figura 1); se abertas, indica a presença de cargas elétricas (Figura 2). Considere o eletroscópio inicialmente carregado positivamente e que a placa seja feita de zinco. Fazendo-se incidir luz monocromática vermelha sobre a placa, observa-se que a abertura das lâminas a) aumenta muito, pois a energia dos fótons da luz vermelha é suficiente para arrancar muitos elétrons da placa. b) aumenta um pouco, pois a energia dos fótons da luz vermelha é capaz de arrancar apenas alguns elétrons da placa. c) diminui um pouco, pois a energia dos fótons da luz vermelha é capaz de arrancar apenas alguns prótons da placa. d) não se altera, pois a energia dos fótons da luz vermelha é insuficiente para arrancar elétrons da placa. 11. (Epcar (Afa) 2017) A Figura 1 abaixo representa um arranjo experimental para a obtenção do espectro de emissão da luz emitida por uma lâmpada de gás de hidrogênio. Ao passar pelo prisma, a luz divide-se em quatro feixes de cores distintas: violeta, anil, azul e vermelho. Projetando-se esses feixes em um anteparo, eles ficam espalhados, como ilustrado na Figura 1. Considere agora a Figura 2, que ilustra esquematicamente alguns níveis de energia do átomo de hidrogênio, onde as setas I, II, III e IV mostram transições possíveis para esse átomo. Relacionando as informações contidas na Figura 2 com as cores da luz emitida pela lâmpada de gás de hidrogênio mostrada na Figura 1, é correto afirmar que a cor anil corresponde à transição a) I b) II c) III d) IV TEOREMA MILITAR LISTA 18- FÍSICA QUÂNTICA PROF. IGOR FERREIRA TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Na(s) questão(ões) a seguir, quando necessário, use: - Aceleração da gravidade: 2g 10 m s ;= - sen 19 cos 71 0,3; = = - sen 71 cos 19 0,9; = = - Velocidade da luz no vácuo: 8c 3,0 10 m s;= - Constante de Planck: 34h 6,6 10 J s;−= - 191eV 1,6 10 J;−= - Potencial elétrico no infinito: zero. 12. (Epcar (Afa) 2018) A tecnologia dominante nos controles remotos de televisores (TV) é o infravermelho (IV). A premissa básica do funcionamento de um controle remoto IV é o uso da “luz” para levar sinais entre um controle remoto e o aparelho que ele controla. Assim, o controle da TV é apenas um gerador de IV, tendo cada botão uma frequência diferente, e então, de acordo com a frequência recebida pela TV, ela interpreta como sendo um comando (exemplo: trocar de canal). Considerando que o comprimento de onda do IV utilizado nos controles remotos de TV varia de 750 nm a 1.000 m,μ a energia carregada por um fóton na informação enviada à TV estará no intervalo, em eV, cuja ordem de grandeza vale a) 110 b) 210 c) 310 d) 410 13. (Epcar (Afa) 2013) Raios X são produzidos em tubos de vácuo nos quais elétrons são acelerados por uma ddp de 44,0 10 V e, em seguida, submetidos a uma intensa desaceleração ao colidir com um alvo metálico. Assim, um valor possível para o comprimento de onda, em angstrons, desses raios X é, a) 0,15 b) 0,20 c) 0,25 d) 0,35 14. (Ita 2016) Sabendo que a função trabalho do zinco metálico é 195,82 10 J,− assinale a opção que apresenta a energia cinética máxima, em joules, de um dos elétrons emitidos, quando luz de comprimento de onda igual a 140 nm atinge a superfície do zinco. a) 1814,2 10− b) 188,4 10− c) 1914,2 10− d) 198,4 10− e) 2014,2 10− 15. (Epcar (Afa) 2013) O elétron do átomo de hidrogênio, ao passar do primeiro estado estacionário excitado, n 2,= para o estado fundamental, n 1,= emite um fóton. Tendo em vista o diagrama da figura abaixo, que apresenta, de maneira aproximada, os comprimentos de onda das diversas radiações, componentes do espectro eletromagnético, pode-se concluir que o comprimento de onda desse fóton emitido corresponde a uma radiação na região do(s) a) raios gama b) raios X c) ultravioleta d) infravermelho TEOREMA MILITAR LISTA 18- FÍSICA QUÂNTICA PROF. IGOR FERREIRA GABARITO: Resposta da questão 1: [E] O efeito fotoelétrico ocorre quando uma placa metálica é exposta a uma radiação eletromagnética de frequência alta, por exemplo, um feixe de luz, e este arranca elétrons da placa metálica. O efeito fotoelétrico para simples, mas intrigou bastantes cientistas durante algum tempo. Somente em 1905, Einstein explicou devidamente este efeito e com isso ganhou o Prêmio Nobel. Uma das dúvidas que se tinha a respeito era que quanto mais se diminuía a intensidade do feixe de luz o efeito ia desaparecendo e a respeito da frequência da fonte luminosa também intrigava muito os cientistas, pois ao reduzir a frequência da fonte abaixo de um certo valor o efeito desaparecia (chamado de frequência de corte), ou seja, para frequências abaixo deste valor independentemente de qualquer que fosse a intensidade, não implicava na saída de nenhum único elétron que fosse da placa metálica. Mais tarde, Einstein com a teoria dos fótons explicou que, a intensidade de luz é proporcional ao número de fótons (característica corpuscular) e que como consequência determina o número de elétrons a serem arrancados da superfície da placa metálica e, quanto maior a frequência (característica ondulatória) maior é a energia adquirida pelos elétrons assim eles saem da placa e abaixo da frequência de corte, os elétrons não recebem nenhum tipo de energia, assim não saem da placa. A figura ilustra o fenômeno. Adaptado de: http://www.infoescola.com/fisica/efeito-fotoeletrico/ Resposta da questão 2: [B] A interferência está associada ao comportamento ondulatório da radiação eletromagnética enquanto que o efeito fotoelétrico está associado ao comportamento corpuscular. O fóton que é tido com a partícula fundamental da luz não possui massa. Resposta da questão 3: [D] A radiação de corpo negro somente foi possível ser explicada por Planck, admitindo-se que a sua energia deveria ser quantizada, ou seja, ser composta por pequenos pacotes de energia chamados de quanta. O efeito fotoelétrico definitivamente provou que a luz era composta por corpúsculos, chamados de fótons (mediadores da força eletromagnética), que transferiam quantidade de movimento para os elétrons de um metal quando este era iluminado com uma luz de uma determinada frequência. A radioatividade ficou esclarecida após a correspondência entre massa e energia estabelecida por Einstein. TEOREMA MILITAR LISTA 18- FÍSICA QUÂNTICA PROF. IGOR FERREIRA Resposta da questão 4: [B] Temos que: 34 8 19 34 8 7 19 hc E hf E 6,6 10 3 10 3,96 10 6,6 3 10 5 10 3,96 10 500 nm λ λ λ λ − − − + − − = = = = = = Sendo assim, a cor procurada é a verde. Resposta da questão 5: [D] O efeito fotoelétrico é bem explicado considerando-se o comportamento corpuscular da luz, assumindo-se que fótons com determinada quantidade de movimento conseguem arrancar elétrons de uma placa metálica quando suas frequências atingem um valor mínimo chamado de função trabalho que depende do material metálico. Esta opção está contemplada na alternativa [D]. Resposta da questão 6: [A] [Resposta do pontode vista da disciplina de Física] O gráfico mostra que a energia potencial de ligação tem valor mínimo, 19mínE 6 10 J. −= − Para quebrar a ligação, a energia potencial deve se tornar nula. 19 15mín mín 34 E ( 6 10 ) E hf 0 f f 1 10 Hz. h 6 10 − − − −− + = = = = [Resposta do ponto de vista da disciplina de Química] A energia de ligação ou dissociação da molécula é igual ao módulo da energia potencial na separação de equilíbrio 0r : 34 19 19 15 34 E | U | h f | U | 6 10 f 6 10 6 10 f 1 10 Hz 6 10 − − − − = = = = = TEOREMA MILITAR LISTA 18- FÍSICA QUÂNTICA PROF. IGOR FERREIRA Resposta da questão 7: [C] Para o efeito fotoelétrico, a energia cinética dos elétrons arrancados do material é dada por: c máxE hf Φ= − Onde: c máxE = energia cinética máxima de saída do elétron; h = constante de Planck f = frequência da fonte luminosa incidente; Φ = função trabalho do material. Para a frequência mínima em que ocorre o efeito fotoelétrico temos que a energia cinética de ejeção do elétron é nula. Assim, ficamos com uma frequência mínima de: 19 15 mín mín mín mín34 9,94 10 J h f f f f 1,5 10 Hz h 6,63 10 J s Φ Φ = = = = Resposta da questão 8: [C] [I] Falsa. O efeito fotoelétrico explica a ejeção de elétrons de um metal pela incidência de fótons com uma determinada energia. [II] Verdadeira. As leis físicas são as mesmas independente dos observadores e dos referenciais inerciais adotados. [III] Falsa. O elétron ao receber energia salta para níveis mais externos do átomo e quando retorna emite energia na forma de luz, sendo esta emissão, bem como a absorção dada pela diferença de energia entre os níveis transitados. [IV] Verdadeira. A energia de um fóton é dada por: E h f,= onde h é a constante de Planck e f é a frequência do fóton. Resposta da questão 9: [D] [I] Verdadeira. A energia dos fotoelétrons depende da frequência da radiação incidente, mas não depende da intensidade da mesma. [II] Verdadeira. A radiação incidente, tendo uma frequência mínima, que varia de acordo com o material metálico alvo, poderá remover fotoelétrons da superfície do metal. Acima dessa frequência mínima, o efeito fotoelétrico pode ser aumentado aumentando a intensidade do raio incidente. [III] Falsa. A energia cinética dos fotoelétrons emitidos dependem, de acordo com os estudos de Einstein, da diferença entre a energia do fóton incidente e a energia mínima necessária para remover o elétron do material – chamada de função trabalho do material, φ de acordo com a equação: cE h f φ= − onde, h = constante de Planck f = frequência do raio incidente (em hertz) φ = função trabalho do material alvo cE = energia cinética dos fotoelétrons TEOREMA MILITAR LISTA 18- FÍSICA QUÂNTICA PROF. IGOR FERREIRA Resposta da questão 10: [D] O eletroscópio de folhas inicialmente está carregado positivamente e com as folhas abertas. De acordo com o efeito fotoelétrico, podemos retirar elétrons de uma placa metálica utilizando incidência de luz específica de frequência no ultravioleta, que possui mais energia que a luz monocromática vermelha. Sendo a placa carregada positivamente, mesmo que a luz vermelha possa retirar alguns elétrons, haverá uma atração a esses possíveis elétrons ejetados retornando à placa. Assim, a abertura das lâminas não deve ser alterada pela dificuldade imposta pela baixa energia da luz vermelha e pela força de atração aos elétrons da placa positiva. Resposta da questão 11: [B] Pela ordem de frequências das radiações mostradas tem-se: vi an az vmf f f f . De acordo com a equação de Planck, E hf,= a energia é diretamente proporcional à frequência da radiação. Como o anil é a segunda maior frequência das radiações mostradas, também é a transição com segundo maior salto, sendo do nível 4 para o nível 1, ou seja, a transição II. Resposta da questão 12: ANULADA Questão anulada no gabarito oficial. 34 8 22 3 mín 6 34 8 19 máx 9 máx mín hc E hf 6,6 10 3 10 E 1,93 10 J 1,20 10 eV 1000 10 6,6 10 3 10 E 2,64 10 J 1,65 eV 750 10 E E 1,65 eV λ − − − − − − − = = = = = = = = − Como a ordem de grandeza deste intervalo é 010 , não há alternativa correta. Resposta da questão 13: [D] A partir da TEC, temos que a energia emitida pelo fóton é dada por: E U.q U.eΔ = = Considerando que a energia do fóton emitido corresponde aproximadamente à energia perdida no processo de desaceleração, temos: 15 8 4 15 4 10 h.f U.e c h. U.e hc 4,13.10 eV.s.3.10 m / s Ue 4.10 V.e 3.10 .10 m 0,3.10 m λ λ λ λ − − − = = = = TEOREMA MILITAR LISTA 18- FÍSICA QUÂNTICA PROF. IGOR FERREIRA Resposta da questão 14: [D] A emissão de elétrons por um material, geralmente metálico, exposto a radiação eletromagnética de frequência suficientemente alta (como a luz) é conhecida como efeito fotoelétrico. Pelo método de Einstein: Energia do fóton = Energia necessária para remover um elétron + Energia cinética do elétron emitido Algebricamente: máximac h f E = + onde, h é a constante de Planck, f é a frequência do fóton incidente, 0h f = é a função trabalho, ou energia mínima exigida para remover um elétron de sua ligação atômica, máxima 2 c m 1 E m v 2 = é a energia cinética máxima dos elétrons expelidos, 0f é a frequência mínima para o efeito fotoelétrico ocorrer, m é a massa de repouso do elétron expelido, e mv é a velocidade dos elétrons expelidos. Então, Constante de Planck (h) 2 34 2 1 34 2 1 34 2 s h 6,626 10 m kg s 6,626 10 m kg s 6,626 10 J s s − − − − −= = = 195,82 10 J− = 140 nmλ = 8v 3,0 10 m / s= m 8 m 9 8 17 1 15 1m 9 v f v 3 10 m / s 140 10 m v 3 10 m / s f 0,021428571 10 s 2,1428571 10 s 140 10 m λ λ λ − − − − = = = = = = = máximac h f E = + máxima máxima máxima máxima máxima 34 15 1 19 c 34 15 1 19 c 19 19 c 19 c c 6,626 10 J s 2,1428571 10 s 5,82 10 J E E 6,626 10 J s 2,1428571 10 s 5,82 10 J E 14,19857114 J 10 J 5,82 10 J 8,37857114 J E 8,37857114 10 J E 8,4 10 − − − − − − − − − − = + = − = − = = 19 J TEOREMA MILITAR LISTA 18- FÍSICA QUÂNTICA PROF. IGOR FERREIRA Resposta da questão 15: [C] Os níveis de energia dos fótons emitidos e absorvidos por um átomo de hidrogênio são dados por: n 2 13,6eV E n − = No estado excitado (n=2), temos: 2 2 13,6eV 13,6eV E 3,4eV 42 − − = = = − No estado fundamental (n=1), temos: 1 2 13,6eV 13,6eV E 13,6eV 11 − − = = = − A diferença entre os níveis de energia é dada por: 2 1E E E 3,4 ( 13,6) 10,2eVΔ = − = − − − = A energia emitida através fóton é dada por E h.fΔ = em que 15h 4,13.10 eV.s− Assim sendo: 15 15 15 10,2 4,13.10 .f 10,2 f 2,47.10 Hz 4,13.10 − − Como c .fλ= 8 15 8 15 7 3.10 .2,47.10 3.10 2,47.10 1,2.10 m λ λ λ − = Analisando o diagrama, podemos concluir que a radiação correspondente a este comprimento de onda é o ULTRAVIOLETA.
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