Relatório Ótica e Principios de Física Moderna

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Objetivo 
Estudar difração em fendas simples e padrões de interferência em fendas duplas. 
Introdução 
Se você direcionar um feixe de luz através de fendas estreitas espaçadas entre si por intervalos 
pequenos, a luz forma um padrão de difração. O padrão de difração é um conjunto de áreas claras e 
escuras e é causado pela interferência das ondas. A interferência das ondas pode ser construtiva (áreas 
claras) ou destrutiva (áreas escuras). Nesta atividade, você vai direcionar um laser sobre um dispositivo 
com duas fendas, que podem ser ajustadas para ficarem mais ou menos próximas, e vai investigar os 
padrões produzidos do outro lado das fendas. 
 
1 Inicie o Virtual Physics e selecione Diffraction and Interference na lista de experimentos. O 
programa vai abrir a bancada de física quântica (Quantum). 
 
117 
 
 
 
Fazer previsões, tirar conclusões, observar, interpretar dados, fazer generalizações e 
Aplicar conceitos. 
 
Almoxarifado 
 
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2 Um laser é usado como fonte luminosa porque ele tem somente um comprimento de onda. 
Portanto, você não vai observar padrões de difração de outros comprimentos de onda interferindo 
na imagem. Qual o comprimento da onda (Wavelenght) do laser? 
O comprimento Wavelenght padrão adotado foi de 700. nm 
Qual o espaçamento entre as duas fendas (Slit Spacing) no dispositivo? Compare o comprimento 
de onda do laser com a distância entre as fendas. 
O espaçamento entre fendas Slit Spacing é de 00.2 μm 
 
 
Como seria o padrão de difração se mantivéssemos a distância entre as 
fendas, mas diminuíssemos o comprimento de onda da fonte? (Dica: pense na distância entre as 
fendas como um obstáculo que as ondas de luz encontram no caminho.) 
Teríamos pouca luz chegando ao visor da câmera, visto que com o comprimento reduzido se 
aumentaria o padrão de difração. 
 
Observe o padrão exibido pela câmera de vídeo conforme você reduz 
o comprimento de onda para 600 nm e depois para 300 nm, clicando na seta abaixo do valor da 
centena. O que você pode afirmar sobre a relação entre o comprimento de onda e o padrão de 
refração quando o comprimento de onda é maior do que o obstáculo? 
Quanto menor o comprimento, diminui a percepção aos olhos humanos, ou seja, a IR 
infravermelho, abaixo dos 400nm, não temos mais percepções, sendo que a faixa onde podemos 
visualizar fica entre 400nm e 700nm. 
Sendo assim quanto maior o comprimento da onda, maior o impacto das fendas na luz provinda 
do laser. 
Uma vez que a refração altera a velocidade da luz ao depender do material e da intensidade da 
aplicação da luz, assim como nos sistemas de multiplexadores, como na fibra ótica há perdas, quanto 
maior o amplificador, ou seja quanto maior a potência do feixe de luz que transporta dados, menor a 
perda de dados por interferência, causada pelo material ao qual a luz é exposta, no caso a fibra ótica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Agora você vai investigar outros efeitos causados pela interferência da luz. Ao 
Distanciar mais as fendas, você vai começar a ver a interferência quando as ondas que atravessam 
as fendas afetarem umas às outras. Mude o comprimento de onda do laser para 500 nm e o 
espaçamento entre as fendas para 3 μm. Descreva o que você observa. O que está causando esse 
efeito? 
A luz se concentra na parte central. 
Conforme descrito na Aula 2 – Tema 3 – Isso é característico dos efeitos da refração da luz em 
uma fenda larga, a intensidade da luz projetada varia de acordo com a posição, e vai diminuindo a 
intensidade conforme vai se afastando da região central. 
Ou seja, conforme aumentamos o espaçamento da fenda, a característica de manter a 
intensidade na região central se acentuou mais, praticamente eliminando as luzes que podíamos 
visualizar anteriormente em 00.2μm. 
118 Difração e interferência 
6 Mude a intensidade (Intensity) do laser de 1 nW para 1 W. A intensidade da luz afeta o padrão de 
difração? 
Não afeta, conforme descrito na resposta anterior, esse é uma característica que depende da 
fenda em si não da intensidade (que é o material ao qual a luz está sendo exposta). A caracterização 
da refração se manteve, devido a posição da fenda de 3 μm ter sido mantida. 
Mude a distância entre as fendas para 1 μm. Observe o padrão exibi- 
do no vídeo conforme você altera a distância das fendas de 1 μm para 7 μm, de 1 em 1 μm. Qual a 
relação entre a distância das fendas e o padrão de difração? 
 
Quanto maior o espaçamento da fenda, maior a ação dos elementos refrativos, ou seja, a luz vai 
recebendo de volta padrões de refração com a mesma intensidade, fluxo e formas duplicadas, mas 
tudo de acordo com o primeiro sinal recebido. Existem fontes pontuais que emitem ondas coerentes 
com os sinais iniciais de luz, quanto maior a fenda, maiores quantidades de ondas coerentes irão 
existir. 
 
8 Mude a distância entre as fendas para 3 μm. Aumente o comprimento de onda do laser para 700 nm. 
Como o aumento no comprimento de onda afeta o padrão de interferência? 
Afeta a coloração a qual visualizamos, que conforme a tabela de Wavelenght (Spectrum Chart 
– Virtual Lab.) em 700nm, enxergamos em uma cor mais avermelhada. 
O Padrão de interferência tem uma maior escala em relação ao experimento anterior, ou seja, 
a refração tem menor incidência quando se aumenta o comprimento da onda. 
 
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O Padrão de refração tem menos repetições dos sinais de coerência com o maior comprimento 
da onda. 
9 Fazendo generalizações Ajuste a intensidade do laser para 1 000 fótons/segundo (p/s, do inglês, 
photons per second). Aperte o botão (Persist) na câmera de vídeo para manter na tela a 
visualização dos fótons que atravessam as fendas. Observe por um minuto. O que você pode afirmar 
sobre esse padrão em relação ao padrão produzido pelo feixe contínuo? 
A região central é preenchida gradualmente tomando forma conforme o experimento 
anterior, pois a luz é emitida por tempo, ou seja, em 1000 pixels por segundo a característica de 
refração é mantida, porém só pode ser observada após algum tempo até o preenchimento total 
dos pixels. 
10 Diminua a intensidade do laser para 100 fótons/segundo. Ative novamente a função Persist e 
observe por um minuto. Em baixas intensidades (1 000 ou 100 fótons/segundo), nunca há um 
momento em que dois fótons atravessam as fendas ao mesmo tempo. Como ocorre a difração de um 
único fóton? 
Esse único fóton será emitido de acordo com a área de difração apresentada anteriormente e 
esse fóton será emitido em pontos possíveis dentro dessa área de difração. 
E ele sempre aparece em tempos diferentes, mantendo a tese em que ele nunca atravessa a 
fenda ao mesmo tempo. (Alterei a intensidade para 1 fóton por segundo no Virtual LAB). 
 
 
A luz segundo a teoria de Einstein mantém a mesma velocidade independente do ponto de 
observação, e que ela sofre alterações tanto na velocidade quando na direção a depender do meio 
por onde ela é transportada, e que ela sofre efeitos difração, refração e interferência de acordo com 
os materiais onde a luz é projetada, efeitos aos quais foram feitos experimentos acima. 
Outro aspecto interessante que pude observar, é que a luz mantém aspectos similares, ou seja, 
padrões que condizem com a luz inicial projetada, apesar de transformada, assim como acontece 
com a corrente elétrica. 
 
 
 
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 Entre no almoxarifado (Stockroom). Clique na prancheta e selecioneo item 8,Two-Slit Diffraction – Electrons. Clique na seta verde Return to Lab. Este experimento é 
parecido com o experimento anterior, mas a fonte está emitindo elétrons e não fótons de luz. Por 
isso, o detector é uma tela de fósforo (Phosphor Screen) que detecta partículas com carga. Como o 
padrão de difração pode ser comparado com o padrão de difração da luz? 
 
 O sistema é bem parecido, pois os dois são emitidos por meio de ondas, e sofrem interferência dos meios 
aos quais são conduzidos/Transportados, conforme comentário anterior os dois emitem sinais coerentes 
aos sinais iniciais aplicados, os tornando bastante parecidos. 
 E da mesma forma a fenda tem interferência na 
propagação dos elétrons, emitindo padrões coerentes com os padrões aplicados na forma inicial, 
ocorrendo a difração desses elétrons através da fenda. 
 
 
 
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Objetivos 
Estudar o efeito fotoelétrico e entender a ligação entre comprimento de onda e energia da luz 
incidente e a emissão de fotoelétrons. 
Introdução 
Embora Albert Einstein tenha se tornado conhecido pela equação E = mc 2 e pelo seu trabalho 
sobre relatividade na mecânica, ele ganhou o prêmio Nobel por ter compreendido um experimento 
simples. Já se sabia que, ao direcionar um feixe de luz de determinado comprimento de onda sobre um 
metal, o metal emitia elétrons. Porém, a luz de outros comprimentos de onda não provocava a emissão 
de elétrons do metal, independentemente de seu brilho ou de sua intensidade. Na teoria clássica da 
Física, pensava-se que a energia da luz estava relacionada com sua intensidade, não com sua frequência. 
No entanto, os resultados do experimento fotoelétrico contradiziam a teoria clássica. Essas 
inconsistências levaram Einstein a sugerir que a luz deveria ser decomposta também em partículas 
(fótons) e não somente em ondas. Nesta atividade, você vai reproduzir um experimento fotoelétrico e 
demonstrar como a energia (E) de um fóton se relaciona à frequência e não à intensidade. 
 
1 Inicie o Virtual Physics e selecione The Photoelectric Effect na lista de experimentos. O programa 
vai abrir a bancada de física quântica (Quantum). 
 
 
 
 
 
 
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141 
2 Observando O laboratório está montado com um laser em determinado ângulo incidindo na lâmina 
de sódio — Metal Foil (Na). Os átomos do metal absorvem a energia da luz e emitem elétrons. A 
tela de fósforo (Phosphor Screen), no canto inferior, vai detectar os elétrons que ricochetearem do 
metal. A intensidade (Intensity) e o comprimento de onda (Wavelenght) do laser podem ser 
ajustados. Qual a intensidade e o comprimento de onda com que o laser está inicialmente 
programado? 
3 O comprimento de onda inicial é de: 400nM. 
 
Anote o comprimento de onda (em nm) na Tabela de dados da página seguinte. 
Calcule a frequência (em Hz) e a energia (em J) do laser utilizando a seguinte equação: f = 
c
 
ʎ 
 e E 
= h × f, em que c = 3 × 108 m/s é a velocidade da luz no vácuo e h = 6.626 × 1034 J · s. Não se 
esqueça de converter a unidade do comprimento de onda para metros. Lembre-se de que 109 nm = 
1 m. 
f= 3,00.10^8m/s / 4,00.10^-7 M f = 7.5.10^14 HZ 
Então E = 6,626 X 10^34 x 7,5.10^14 HZ E= 5.67 ^48 J 
 
 
 
Almoxarifado 
 
 
 
 
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4 Ligue a tela de fósforo (On/Off ) e clique no botão (Grid). O que o sinal da tela de fósforo indica 
sobre a luz do laser que está incidindo na lâmina de sódio? 
O fluxo de luz do laser está ordenado, e centralizado. 
 
142 O efeito fotoelétrico 
5 Diminua a intensidade do laser para 1 fóton/segundo (p/s, do inglês, photons per second) ajustando 
o controlador à esquerda. Como o sinal muda? O que isso indica sobre a relação entre a quantidade 
de fótons emitidos e a intensidade da luz incidente? 
O sinal fica mais fraco, e isso mostra que quanto menor o número de fótons menor a 
intensidade da luz. 
Porém a energia se mantém, pois, como sabemos para aumentar a energia aplicada, temos de 
diminuir o comprimento da onda de luz. 
 
de onda para 600 nm. O que você observa na tela de fósforo? 
Praticamente não se nota a incidência de luz. 
 
 
5.7.1019 
5.7.1019 
5.7.1019 
5.7.1019 
5.7.1019 
5.7.1019 
5.7.1019 
7.5.10³⁴ 5.7.1019 0.5679.1019 
0.4571.1019 
0 
0.2216.1019 
0.3324.1019 
0.1247.1019 
0 
0.0277.1019 
400 
410 
420 
430 
440 
450 
460 
470 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
0.05 
0.05 
0.05 
0.05 
0.05 
0.05 
0.05 
0.05 
 
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Photoelectric Effect (2). Clique na seta verde Return to Lab para retornar ao laboratório. A 
intensidade do laser está ajustada em 1 nW e o comprimento de onda em 400 nm. O detector usado 
neste experimento é o bolômetro (Bolometer), que será ligado automaticamente. Esse instrumento 
mede a energia cinética dos elétrons. Na janela do detector, clique na alavanca eV/Joules para 
mudar a unidade do eixo x. Você deve ver um pico verde no canto inferior esquerdo da tela de 
fósforo. A intensidade ou altura do sinal corresponde ao número de elétrons emitido do metal e o 
eixo x é a energia cinética dos elétrons. No gráfico, amplie a área pico clicando próximo a ele e 
arrastando o vértice do retângulo que vai aparecer. 
9 mova o cursor do mouse sobre o pico e anote a energia cinética e a intensidade dos elétrons na 
Tabela de dados. A unidade da energia cinética está em 10–19 J, então anote 10–19 para todo dado 
de energia que você coletar. Aumente o comprimento de onda em incrementos de 10 nm e anote, 
na tabela, a energia cinética e a intensidade do pico para cada comprimento de onda. Observe o 
que acontece se você continuar a aumentar o comprimento de onda depois de atingir o 
comprimento de onda máximo em que há emissão de elétrons do metal. Isso condiz com o que 
você havia observado anteriormente? 
Sim, condiz, pois Einstein diz que aumentar a intensidade de luz não aumenta a energia cinética 
do elétron, e sim apenas a intensidade da luz, emitindo mais fótons, porém permanece com a mesma 
energia conforme vimos no experimento. 
Quando começamos a alterar o comprimento da onda, aí sim variamos a energia cinética do 
elétron, se diminuímos o comprimento da onda, aumentamos a energia cinética do elétron, e no 
experimento, fizemos justamente o contrário, aumentamos o comprimento da onda, que é 
proporcionalmente inverso, quanto mais aumentávamos esse comprimento de onda, menor era a 
energia cinética do elétron.(conforme a tabela preenchida). 
 
KMAX = 2,28/4,14.10-15 => f0 ≅ 5,5.1014 Hz 
 
f ≅ 5,5.1014 Hz 
 
Clique no almoxarifado ( Para entrar. Clique na prancheta e selecione o item 5, 
 
 
 
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Análise e conclusão 
1 Desenhando gráficos A partir dos dados da tabela, plote o comprimento de onda da luz incidente 
versus a energia cinética dos elétrons ejetados do metal. Inclua alguns valores maiores de 
comprimento de onda que você observou na etapa 9. Rotule o eixo x como Comprimento de onda 
(nm) e o eixo y como Energia cinética (10 –19 J). 
 O efeito fotoelétrico 
 
 
143 
 
(Aumentei os valores para que pudessem ser comparados no gráfico, pelo Excel). 
 
Conforme podemos notar no gráfico, como já comentado na resposta anterior, quanto maior 
o comprimento da onda, menor será a energia cinética do elétron, até que se tenha um 
comprimento de onda máximo e esse valor venha a ser = 0.02 labor0711_FIS_BL2.indd 11 9/9/11 11:12 AM 
 
 
 
 
3 Interpretando dados 
4 
O que a forma do gráfico demonstra? O que significa no gráfico quando a energia cinética cai para 
zero? 
Quando ele atinge o corte, ou seja, quando se atinge o comprimento de onda máximo para emissão 
de elétrons. Há um comprimento de onda mínimo para que isso ocorra. 
Implicando na condição que já vimos anteriormente, em que quanto maior o comprimento da onda, 
menor a energia cinética do elétron. 
A partir dos dados da tabela, plote a energia do laser versus a ener- 
gia cinética dos elétrons. Inclua alguns valores maiores de comprimento de onda que você observou 
na etapa 9. Rotule o eixo x como Energia do laser (10 –19 J) e o eixo y como Energia cinética (em 
10 –19 J). 
 
 
144 O efeito fotoelétrico 
4 Interpretando dados Qual a relação entre a energia da luz incidente e a energia dos elétrons ejetados 
do metal? 
A energia projetada pelo laser não sofre alteração, apenas a energia cinética aplicada no metal. 
Diminua o comprimento de onda para um valor em que há emissão de elé- 
trons do metal. Observe o que acontece com o pico quando você aumenta e diminui a intensidade. 
Você terá de ampliar algumas regiões do gráfico para observar as mudanças. 
 
 
 
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Os valores de pico aumentam de acordo com que a intensidade é aumentada. 
 
Baseando-se neste experimento, explique por que a luz violeta causa a 
Emissão de elétrons, mas a luz laranja não. O que importa na formação de fotoelétrons: intensidade 
ou comprimento de onda? 
 
Porque as luzes laranjas tem comprimentos de onda muito altos, tornando impossível a emissão dos 
elétrons. 
Já nas luzes UV acontece o contrário, como as luzes possuem baixo comprimento de onda, favorece a 
emissão de elétrons, pois estão nas faixas em que ocorrem este processo. 
 
O que importa na formação de fotoelétrons é o comprimento da onda; E como já comentado 
anteriormente, as luzes UV estão nessa faixa de comprimento de onda que favorecem a emissão de 
elétrons.