Notas de Aula de Física Moderna (Prof. Carlos R. A. Lima)

Prévia do material em texto

2
 
 
NOTAS DE AULAS DE 
FÍSICA MODERNA 
 
 
 
Prof. Carlos R. A. Lima 
 
 
CAPÍTULO 1 
 
INTRODUÇÃO AO CURSO E 
TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIAL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Edição de janeiro de 2008 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3
CAPÍTULO 1 – TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIAL 
 
ÍNDICE 
1.1- Introdução 
1.2- Transformações de Galileu 
1.3- Relatividade Newtoniana 
1.4- Eletromagnetismo e Relatividade Newtoniana 
1.5- Experiência de Michelson - Morley 
1.6- Tentativas para “Salvar o Éter” - FACULTATIVO 
 1.6.1- Hipótese da Contração de Lorentz - Fitzgerald 
 1.6.2- Hipótese do Arrastamento do Éter 
1.7- Postulados da Teoria da Relatividade Especial 
1.8- Cinemática Relativística 
 1.8.1- Sincronização e Simultaneidade 
 1.8.2- Transformações de Lorentz 
 1.8.3- Transformação de Velocidades 
 1.8.4- Diagramas Espaço – Tempo 
 1.8.5- Dilatação dos Tempos e Contração dos Comprimentos 
 1.8.6- Técnicas Experimentais de Medidas de Espaço e Tempo 
 em Relatividade – FACULTATIVO 
 1.8.6.1- Relógio de Luz 
 1.8.6.2- Relógio Atômico 
 1.8.7- Intervalo no Espaço – Tempo 
 1.8.8- Efeito Doppler na Relatividade 
 1.8.9- Paradoxo dos Gêmeos 
1.9- Dinâmica Relativística 
 1.9.1- Momento Relativístico 
 1.9.2- Energia Relativística 
 1.9.3- Transformações do Momento, Energia, Massa e Força 
 1.9.4- Invariância da Energia de Repouso 
 1.9.5- Partículas sem Massa 
1.10- Velocidades Superluminosas e Táquions 
 
Nessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como facultativos. Os 
assuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor durante a exposição de 
aula sem prejuízo da continuidade do curso de Estrutura da Matéria. Entretanto, é desejável que os 
alunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor fora do horário de aula. Fica a cargo do 
professor a cobrança ou não dos tópicos facultativos. 
 
Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 6 aulas de quatro 
créditos. 
 
 4
 
 5
 
 6
 
 7
 
 8
 
 9
 
 10
 
 11
 
 12
 
 13
 
 14
 
 15
 
 16
 
 17
 
 18
 
 19
 
 20
 
 21
 
 22
 
 23
 
 24
 
 25
 
 26
 
 27
 
 28
 
 29
 
 30
 
 31
 
 32
 
 33
 
 34
 
 
 35
 36
 
 
 37
 38
 
 39
 
 
 40
 41
 
 42
 
 43
 
 44
 
 45
 
 46
 
 47
 
 48
 
 49
 
 50
 
 51
 
 52
 
 53
 
 54
 
 55
 
 56
 
 57
 
 58
 
 59
 
 60
 
 61
 
 62
 
 63
 
 64
 
 65
 
 66
 
 67
 
 68
 
 69
 
 70
 
 71
 
 72
 
 73
 
 74
 
 75
 
 76
 
 77
 
 78
 
 79
 
 80
 
 81
 
 82
 
 83
 
 84
 
 85
 
 86
 
 87
 
 88
 
 89
 
 90
 
 91
 
 92
 
 93
 
 94
 
 95
 
 96
 
 97
 
 98
 
 99
 
 100
 
 101
 
 102
 
 103
 
 104
 
 105
 
 106
 
 107
 
 108
 
 109
 
 110
 
 111
 
 112
 
 113
 
 114
 
 115
 
 116
 
 117
 
 118
 
 119
 
 120
 
 121
 
 122
 
 123
 
 124
 
 125
 
 126
 
Lista de Exercícios 
 127
s
 
1- A vida média própria dos píons é . Se um feixe de píons tiver a velocidade de 
82,6 10−= ×pT v c0,85= , 
(a) qual seria o respectivo tempo de vida média T medido no laboratório? (b) Qual a distância que os píons 
percorreriam, em média, antes de decaírem? (c) Qual seria a sua resposta à indagação da parte (b) se você não 
levasse em conta a dilatação dos tempos? Resp.: (a) , (b) 
L
84,94 10−= ×T s L m12,6= , (c) 6,63=L m . 
 
2- Uma nave espacial parte da terra em direção à alfa do Centauro, que está a de distância. A nave 
espacial desloca-se com a velocidade . Quanto tempo leva a nave para chegar ao seu destino (a) no 
referencial da terra? (b) no referencial de um passageiro da nave? Resp. (a) 
 
anos luz4 −
v 0,75= c
os (b)
os
s
t an5,33Δ = ,
t an3,53′Δ =
 
3- Qual deve ser a velocidade de um múon para que a sua vida média seja v 46T μ= , sabendo-se que a vida 
média em repouso é T 2 sμ′ =
m
? Resp. v c0,9991=
 
4- Qual deve ser a velocidade de uma vara de um metro, no referencial de um observador, para que o seu 
comprimento, medido pelo observador, seja , quando a vara se move na direção do próprio eixo? Resp.: 
. 
50cm
m s82,6 10 /×
 
5- Observadores num referencial S vêm uma explosão localizada em x1 480= . Uma segunda explosão ocorre 
Δt s= 5μ depois, em . Num referencial S', que se move sobre o eixo dos +x2 1200= m x , com velocidade 
para a direita, um observador nota que as explosões ocorrem num mesmo ponto do espaço. Evidentemente, 
para ele é o referencial S que se move para a esquerda com uma velocidade 
v −v como mostra a figura abaixo. 
Qual a separação no tempo Δ ′t entre as duas explosões no referencial S'? Resp.: t s4,39μ′Δ = . 
 
−v 
S
′S 
x m2 1200= 
−v 
S 
′S 
x m1 480= 
 
6- Os aviões supersônicos a jato têm velocidades máximas da ordem de 3 10 6× − c . (a) Qual a contração 
percentual 
( )p
p
L L
L
100η −= do comprimento de um jato que estiver com esta velocidade, visto num referencial 
ligado a terra? (b) Durante um intervalo de tempo de 1 3 , marcado num relógio na terra, 
quantos minutos perdem o relógio do piloto em cada ano do relógio da terra? (Sugestão: Defina contração 
percentual relativa como, e observe que nesse caso 
ano s7,15 10= ×
v c<< e, portanto, v v
c c
1 / 22 2
2 2
1 11 1
2γ
⎛ ⎞= − ≅ −⎜ ⎟⎝ ⎠
 ). Resp.: 
(a) , (b) 104,5 10 %η −= × T 62,37 10 min−Δ = ×
 
7- Um relógio está num satélite em órbita terrestre, com um período de T = 90min .Considerando o raio da 
Terra e a velocidade do satélite RT = ×637 106. m v T RT=
2π
, qual é o intervalo de período ΔT que mede a 
diferença entre a leitura deste relógio e a de um outro, idêntico a ele, que ficou na Terra, depois de um intervalo de 
tempo ?.(Sugestão: Observe que nesse caso e, portanto, t ano 71 3,16 10Δ = = × s cv <<
v v
c c
1 / 22 2
2 2
1 11 1
2γ
⎛ ⎞= − ≅ −⎜ ⎟⎝ ⎠
 ). Resp.: Δ ≈ . T m9,64 s
 
8- Duas naves espaciais idênticas de comprimento de repouso de 100 , aproximam-se uma da outra, com 
velocidade de em relação a terra. (a) Qual o comprimento de cada nave no referencial da terrra? (b) Qual a 
velocidade de uma nave no referencial de um observador na outra nave? (c) Qual o comprimento de uma das 
naves no referencial de um observador na outra nave? (d) Na terra, em 
m
c0,8
t 0= , as proas das naves estão no 
mesmo ponto, pois neste instante uma começa a passar pela outra. Em que instante, na terra, as proas 
coincidem? (e) Fazer um desenho em escala, no referencial de uma das naves, da passagem da outra nave, 
desde a proa até a popa, para visualizar a contração dos comprimentos. 
 
9- Uma nave espacial desloca-se da terra para um sistema estelar à distância de L c anos12 .′ = (medida no 
referencial da terra). A viagem leva um tempo t ano15 sΔ = , no referencial da nave. (a) Qual a velocidade v da 
nave em relação a terra? (b) Quando a nave chega ao seu destino, envia um sinal para a terra. Quantos anos se 
passamaté que a terra receba este sinal? (Sugestão: Considere a duração t′Δ da viagem da nave no referencial 
da terra no cálculo do tempo total para o sinal chegar a terra). Resp.: (a) v c0.625= , (b) 
. T t anos ano12 31,2′= Δ + = s
6
000 /
s
 
10- Duas naves espaciais estão se aproximando uma da outra. (a) Se a velocidade de cada uma delas for 0, , 
em relação a terra, qual é a velocidade de uma em relação à outra? (b) Se a velocidade de cada uma delas em 
relação a terra for 30 (cerca de 100 vezes a velocidade do som), qual a velocidade de uma em relação 
à outra? Resp.: (a) , (b) u m . 
c
m s
xu c0,882= − 460000 6 10 /−≈ − + ×x
 
11- Mostrar que se uma partícula se move sob um ângulo θ com o eixo dos x , com a velocidade num 
referencial , então ela deve se mover com um ângulo 
u
S θ ′ com o eixo dos em x′ S′dado, por 
( )
sen
tg
v ucos
θθ γ θ′ = − , onde é um referencial com velocidade em . S′ v S
 
12- Uma vara de comprimento próprio faz o ângulo Lp θ com o eixo dos x num referencial S como mostra a 
figura abaixo. Mostrar que o angulo ′θ que a vara faz com o eixo dos ′x num outro referencial ′S que se move 
com a velocidade v sobre o eixo dos x em S é dado por tg tgθ γ θ′ = e que o comprimento da vara em ′S é 
pL L sen
2
2
1 cos 2θ θγ′ = + . (Sugestão: Note que 
pLL γ′ ≠ mas 
x
x γ′ = pois, aqui, somente a componente x 
do comprimento da vara está na direção do movimento). 
 
θ 
S 
y 
x 
Lp 
′θ 
′x 
′ =y y 
′S
v 
′L
 
 128
13- A equação da frente de onda esférica de um pulso de luz que principia na origem, no instante 0t = é 
. Usando a transformação de Lorentz, mostrar que ( )22 2 2 0+ + − =x y z ct ( )22 2 2 0′ ′ ′ ′+ + − =x y z ct , ou seja, 
que o pulso de luz é uma frente de onda esférica também no referencial S ′ . 
 
14- Dois eventos em estão separados pela distancia S 2 1D x x= − e pelo intervalo de tempo 2T t t1= − . (a) Usar 
a transformação de Lorentz pare mostrar que no referencial S ′ , que se move com a velocidade v em , a 
separação no tempo é 
S
vD
T T
c2
γ ⎛ ⎞′ = −⎜ ⎟⎝ ⎠ , onde 2 1T t t′ ′ ′= − é o intervalo de tempo medido em S ′ . (b) Mostrar 
que os eventos podem ser simultâneos e independentes no referencial S ′ somente se . (c) Se um dos 
eventos for a causa do outro (eventos dependentes), deve-se ter 
D cT>
D cT< pois é o menor tempo que um 
sinal leva para percorrer a distancia entre 
/D c
1x e 2x no referencial . Mostrar que se , então S D cT< 2t t1′ ′> em 
todos os referenciais. Isto mostra que se uma causa precede o seu efeito, num certo referencial, a mesma causa 
precederá o seu efeito em todos os outros referenciais. (Sugestão: Isole o termo cτ na equação 
vD
T T
c2
γ ⎛ ⎞′ = −⎜⎝ ⎠⎟ , imponha a condição que D cT< e mostre que 2 1 0T t t′ ′ ′= − > , isto é, que t1 2t′ ′< em S ′ ). (d) 
Suponha que um sinal pudesse ser enviado com velocidade c c′ > , de modo que no referencial S a causa 
precedesse o efeito pelo tempo /T D c′= . Mostrar que há então um referencial que se move com a velocidade 
 no qual o efeito precede a causa. (Sugestão: Substitua v c< /D cτ ′= na equação vDT T
c2
γ ⎛ ⎞′ = −⎜⎝ ⎠⎟ , isole o 
termo c , imponha a condição e mostre que ′ c c′ > 2 1 0T t t′ ′ ′= − < , isto é, que 2t t1′ ′< em ). S ′
 
15- Um amigo da sua idade viaja para Alfa do Centauro, a 4 −anos luz = 4 . de distância, e volta 
imediatamente. Ele afirma que a viagem durou apenas . (a) Com que velocidade seu amigo viajou? (b) Qual 
a diferença de idade entre vocês dois quando voltaram a se encontrar? (c) Desenhe um diagrama espaço - tempo 
para confirmar as respostas dos itens (a) e (b). 
c anos
6anos
 
16- No referencial , o evento S B ocorre 2 sμ depois do evento A e a uma distância deste evento. 
(a) Qual deve ser a velocidade de um observador num referencial 
1,5D k= m
S ′ no sentido positivo do eixo x para que os dois 
eventos ocorram simultaneamente nesse referencial? (b) É possível que o evento B preceda o evento A para 
algum observador? (c) Desenhe um diagrama espaço – tempo que ilustre as respostas dos itens (a) e (b). (d) 
Determine o valor do intervalo no espaço – tempo e a distância própria entre os eventos. 
 
17- Os referenciais e estão se movendo com os eixos S S ′ x e x′ paralelos. Seus relógios são ajustados para 
 no momento em que as origens dos dois referenciais coincidem .No referencial , o evento t t= ′ = 0 S A ocorre 
em 1 1 1 .x ano luz c ano= − = e t e o evento ano1 1= B ocorre em 2 2 2 .x anos luz c anos= − = e t anos2 0 5= , . 
Estes eventos ocorrem simultaneamente no referencial S´. 
 
 (a) Mostre esses eventos num diagrama espaço - tempo (b) Determine o módulo e direção da velocidade de S ′ 
em relação a . (c) Em que instantes estes eventos ocorrem no referencial S S ′ ? (d) O intervalo no espaço – tempo 
é do tipo espacial, temporal ou luminoso? Qual é o valor de sΔ sΔ ? Qual é a distância própria entre os 
eventos? 
Lp
 
18- Uma estudante, na Terra, ouve num rádio uma gravação que parece estar sendo tocada num disco que gira 
muito depressa. A gravação é de um disco que está sendo tocado por uma emissora de uma nave espacial, que se 
aproxima da terra com a velocidade v . Tendo um disco de 33 rpm, da mesma gravação, a estudante observa que 
o som é o mesmo que o do seu disco tocado a 78 rpm, isto é, a razão entre a freqüência de aproximação ν ap e a 
freqüência emitida ν é dada por 78 33. Qual deve ser a velocidade da nave? Resp.: . v c0.696=
 129
 130
m s19- Uma galáxia distante se afasta da Terra com a velocidade . Calcular o deslocamento 
relativo para o vermelho 
v 71.85 10 /= ×( )afλ λ
λ
−
 na luz proveniente da galáxia. Resp.: . 0,0637
 
20- A luz do sódio, de comprimento de onda 589λ = nm , está sendo emitida por uma fonte que se afasta da terra 
com a velocidade . Qual deve ser o valor desta velocidade, se o comprimento de onda medido no referencial da 
terra é 
v
λaf nm= 620 . Resp.: . v c0,0512=
 
21- Um elétron, com energia de repouso 0 0,511E MeV= , move-se com a velocidade . (a) Achar a 
energia total, (b) a energia cinética e (c) o momento. Resp.: (a) 
0,2u = c
E MeV= 0 522, , (b) , (c) K M0,011= eV
p MeV c0,106 /= . 
 
22- Um próton, com a energia de repouso de 0 938=E MeV , tem a energia total 1400E MeV= . (a) Qual a sua 
velocidade? (b) Qual o seu momento? Resp.: (a) u c0,74= , (b) p MeV c1034 /= . 
 
23- Qual a energia cinética K que seria necessária para acelerar uma partícula de massa de repouso desde o 
repouso até a velocidade de (a) (b) 
0m
u c0,5= u 0,9c= e (c) u c0,99= ? Exprimir as respostas como múltiplos 
da energia de repouso . Resp.: (a) , (b) 0E K E= 0 155 0, K E= 1 294 0, , (c) K E= 6 089 0, . 
 
24- Se a energia cinética K de uma partícula for igual à sua energia de repouso , qual o erro que se comete 
em usar como o seu momento? Resp.: 
0E
p p m v= =0 0 erro = 50% . 
25- Qual o erro percentual que se comete tomando-se m v20
1
2
 como a energia cinética de uma partícula quando 
a sua velocidade for (a) v e (b) c c0,1= v 0,9= . Resp.: (a) erro = 0 751%, , (b) . erro = 68 7%,
 
26- O sol irradia energia à taxa de 264,0 10P W= × , aproximadamente. Vamos admitir que esta energia seja 
originada por uma reação nuclear cujo resultado é a fusão de 4 núcleos de H para formar um núcleo de He , com 
a libertação de de energia por núcleo de E MeV0
1225 4 10= = × − J He formado. Calcular o número 
N E E P t E= =Δ Δ0 0 0
V
 de reações nucleares e a perda da massa em repouso , ocorridas no sol 
durante um dia, ou . 
ΔM Nm0 =
Δt s= ×8 64 104,
 
27- Uma partícula, que tem energia de repouso de 01 1E Me= e energia cinética 1 2K MeV= , colide com uma 
partícula estacionária de energia de repouso de 02 2E MeV= . Depois da colisão, as partículas ficam unidas. 
Achar(a) a velocidade da primeira partícula antes da colisão, (b) a energia total da primeira partícula antes da 
colisão, (c) o momento total inicial do sistema, (d) a energia cinética total depois da colisão e (e) a massa em 
repouso do sistema depois da colisão. Resp.: (a) u c1 0 943= , , (b) E MeV1 3= , (c) , (d) 
, (e) . 
p MeV1 2 83= , / c
eVM c MeV0
2 4 12= , K Mf = 0 88,
 
28- O raio da órbita de uma partícula carregada, num campo magnético B , está relacionado com o momento da 
partícula por p BqR= . Esta equação vale classicamente com 0p m u= e relativisticamente com 
p m u
u c
= −
0
2 21
. Um elétron com a energia cinética K MeV= 1 50, , se desloca sobre uma órbita circular 
perpendicular a um campo magnético uniforme B T= × −5 10 3 . (a) Achar o raio da órbita. (b) Qual o resultado que 
seria obtido se fosse usada a relações clássicas 0p m u= e 2 02K p m= ? Considere nos cálculos 
 131
C Kg eVe = × −1 6 10 19, , para a carga do elétron, para a massa do elétron e em 319,1 10−= × E M0 0,511= 
para a energia de repouso do elétron. Resp.: R m= 1 3, , (b) R m= 0 826, . 
 
29- Numa simples experiência imaginária, Einstein mostrou que existe uma massa associada à radiação 
eletromagnética. Seja uma caixa de comprimento L e massa sobre uma superfície sem atrito. Na parede 
esquerda da caixa está uma fonte luminosa que emite radiação de energia 
M
E que é absorvida pela parede direita 
da caixa. De acordo com a teoria eletromagnética clássica, esta radiação é portadora de um momento cujo módulo 
é Ep c= . (a) Achar a velocidade de recuo da caixa de modo que o momento seja conservado quando a luz for 
emitida. Como é pequeno e é grande, o cálculo pode ser feito usando a mecânica clássica. (b) Quando a 
luz for absorvida na parede da direita da caixa, a caixa pára tal que, o momento total permanece nulo. Se a 
velocidade, muito pequena da caixa, for desprezada, o tempo que a radiação leva para cobrir o comprimento da 
caixa é 
p M
Lt cΔ = . Achar a distância que a caixa percorre neste intervalo de tempo. (c) Mostrar que, se o 
centro de massa 
xΔ
CM
Mx mx
x
M m
1 += +
2 do sistema permanece imóvel, como se espera, a radiação deve ter uma 
massa Em
c2
� 
 
 
 
NOTAS DE AULAS DE 
FÍSICA MODERNA 
 
 
Prof. Carlos R. A. Lima 
 
 
CAPÍTULO 2 
 
 
RADIAÇÃO TÉRMICA E CORPO NEGRO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Edição de janeiro de 2008 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2
 
CAPÍTULO 2 – RADIAÇÃO TÉRMICA E CORPO NEGRO 
 
ÍNDICE 
 
2.1- Radiação Térmica 
2.2- Corpo Negro 
2.3- Teoria Clássica da Radiação de Cavidade de Rayleigh - Jeans 
2.4- Teoria de Planck da Radiação de Cavidade 
 
 
Nessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como 
facultativos. Os assuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor 
durante a exposição de aula sem prejuízo da continuidade do curso de Estrutura da Matéria. 
Entretanto, é desejável que os alunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor 
fora do horário de aula. Fica a cargo do professor a cobrança ou não dos tópicos facultativos. 
 
Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 2 aulas de 
quatro créditos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3
 
 4
 
 5
 
 6
 
 7
 
 8
 
 9
 
 10
 
 11
 
 12
 
 13
 
 14
 
 15
 
 16
 
 17
 
 18
 
 19
 
 20
 
 21
 
 22
 
 23
 
 24
 
 25
 
 26
 
 27
 
 28
 
 29
 
 30
 
 31
 
Lista de Exercícios 
 
1- Um corpo negro tem que ser necessariamente negro? Explique o termo corpo negro. 
 
2- Um pedaço de metal brilha com uma cor avermelhada a K1100 . Entretanto, nessa mesma temperatura, um 
pedaço de quartzo não brilha. Explique este fato sabendo-se que, ao contrário do metal, o quartzo é transparente à 
luz visível. 
 
3- Uma das primeiras tentativas de se explicar a distribuição espectral de um corpo negro foi feita por Rayleigh – 
Jeans, a partir de conceitos clássicos da termodinâmica. Em que região do espectro eletromagnético a lei de 
Rayleigh – Jeans não se verifica, e que fato ficou conhecido como catástrofe do ultravioleta? 
 
4- Na tentativa de explicar os resultados experimentais observados no espectro de um corpo negro, Planck 
concluiu que o problema estava principalmente num conceito clássico da termodinâmica. Qual seria esse conceito, 
e que alteração foi sugerida por Planck ? Essa alteração invalida conceitos clássicos da termodinâmica, ou 
redefine esses conceitos de modo a incluir os casos clássicos como particulares? Explique. 
 
5- Em muitos sistemas clássicos as freqüências possíveis são quantizadas, tal como, por exemplo, a propagação 
de ondas sonoras num tubo ressonante. Nestes casos, a energia também é quantizada? Explique. 
 
6- Faça uma estimativa para encontrar o comprimento de onda em que corpo humano emite sua radiação térmica 
máxima? 
 
7- Em uma explosão termonuclear, a temperatura no centro da explosão é momentaneamente 107 K . Ache o 
comprimento de onda para o qual a radiação emitida é máxima. 
 
8- A uma dada temperatura, nmmax 650λ = para uma cavidade de corpo negro. Qual será λmax se a taxa de 
emissão de radiação espectral for duplicada? 
 
9- O máximo da distribuição espectral da potência irradiada por certa cavidade ocorre para um comprimento de 
onda de m27,0μ (na região do infravermelho). A temperatura da cavidade é aumentada ata que a potência total 
irradiada se torne três vezes maior. (a) Determine a nova temperatura da cavidade. (b) Determine a nova posição 
do máximo da distribuição espectral. 
 
10- A energia solar que atinge a parte superior da atmosfera da terra é , a chamada constante 
solar. (a) Supondo que a terra se comporte como um corpo negro de temperatura uniforme use a equação de 
Stefan - Boltzmann para estimar a temperatura a temperatura de equilíbrio da terra. (b) Se o diâmetro do sol é da 
ordem de e a distância da terra ao sol é de aproximadamente e supondo que o sol 
irradie como um corpo negro use a equação de Stefan - Boltzmann para estimar a temperatura na sua superfície. 
W m31,36 10 /× 2
m91,6 10× m111,3 10×
 
11- A temperatura do filamento de uma lâmpada incandescente de é . (a) Supondo que o 
filamento se comporte como um corpo negro, determine o comprimento de onda 
W40 K3300
máxλ no ponto de máximo da 
distribuição espectral. (b) Supondo que máxλ seja uma boa aproximação o para o valor médio do comprimento de 
onda dos fótons emitidos pela lâmpada, determine o número de fótons produzidos por segundo pela lâmpada. (c) 
Se um observador está olhando para a lâmpada a de distância, quantos fótons penetram por segundo nos 
olhos do observador, sabendo-se que o diâmetro da pupila humana é, aproximadamente, . 
m5
mm5
 
12- Um radiador de cavidade a K6000 tem um orifício de de diâmetro feito em sua parede. Ache a 
potência irradiada através do orifício no intervalo de comprimentos de onda entre a . Resp.: 
. (Sugestão: Use o fato que 
mm0,10
nm550 nm551
W7,53 ( )T TR R
551
550
dλ λ= ∫ é, aproximadamente, a área de um retângulo estreito no 
 32
gráfico ( )TR λ λ× , de largura nm551 550 1λΔ = − = . Encontre a altura do retângulo ( )TR λ , com 
( ) nm550 551 / 2 550,5λ = + = , usando a fórmula de Planck) 
 
13- Utilizando a relação ( ) εε −= Bk T
B
eP
k T
 mostre que ( )
0
ε ε ε ε
∞
= =∫ BP d k T . 
 
14- Na determinação clássica da energia média total de cada modo da radiação no interior de uma cavidade 
ressonante, adotou-se a lei da eqüipartição da energia. De acordo com essa lei,moléculas de um gás que se 
movem em equilíbrio térmico a uma temperatura T , a energia cinética média por grau de liberdade da molécula é 
1
2 B
k T . Essa lei poderia ser aplicada ao problema do corpo negro desde que se adotasse um modelo mecânico de 
oscilador harmônico para as partículas que compõe as paredes da cavidade, como se fossem pequenos sistemas 
massa – molas, de modo que a energia potencial também deveria se incluída na determinação da energia total. A 
vibração dessas partículas, por conseqüência da temperatura, daria origem as vibrações dos campos elétricos 
associados às ondas eletromagnéticas transversais. Baseado nesse modelo mecânico, conclui-se que a energia 
média total por grau de liberdade deveria ser , isto é, o dobro da energia cinética média que se esperaria para 
cada partícula oscilante. Considerando-se que a energia total de um oscilador harmônico simples é 
Bk T
mv kx2
1 1
2 2
+ 2 , onde k é a constante elástica da mola, m é a massa da partícula, v sua velocidade e 
 sua posição em cada instante de tempo, mostre que essa energia total é o dobro da energia cinética 
média. 
x x t= 0 cosω
 
 
15- Obtenha a lei do deslocamento de Wien, máxT
32,898 10λ − K m= × × , a partir da função distribuição 
espectral de um corpo negro obtida por Planck ( ) 58 1 1λ
πρ λ λ= −BT hc k T
hc
e
. (Sugestão: faça a substituição de 
variável λ= B
hcx
k T
, e reescreva a função distribuição na forma ( ) ( ) ( )
5
4 3
2πρ λ = BT k T g xh c , onde ( ) x
x
g x
e
5
1
= − 
descreve a forma universal do espectro de um corpo negro para qualquer temperatura. Encontre o valor máxx para 
o qual a função é máxima, derivando-a em relação à g xb g x e igualando a zero. Use esse valor na equação 
λ=máx máx B
hcx
k T
 e obtenha o resultado procurado). 
 
 
16- Suponha que a radiação de uma cavidade de corpo negro a K5000 está sendo examinada através de um 
filtro passa banda de nm2λΔ = centrado no comprimento de onda máxλ , do pico do espectro. Se o orifício da 
cavidade é um círculo de raio r , encontre a potência cm1= P transmitida pelo filtro. (Sugestão: Usualmente, a 
potência irradiada seria calculada por ( )nmT T
nm
R R
581
579
dλ λ= ∫ multiplicada pela área do orifício. Entretanto, λΔ é 
pequeno o suficiente para permitir uma aproximação do tipo ( )T TR área abaixo da curva R máxλ λ= ≈ Δ , em 
que máxλ pode ser calculado utilizando-se a lei do deslocamento de Wien). Resp.: . P W25,3≈
 
 33
 
 
 
NOTAS DE AULAS DE 
FÍSICA MODERNA 
 
 
Prof. Carlos R. A. Lima 
 
 
CAPÍTULO 3 
 
 
PROPRIEDADES CORPUSCULARES 
DA RADIAÇÃO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Edição de janeiro de 2008 
 
 
 
 
 
 
 
 2
 
 
 
CAPÍTULO 3 – PROPRIEDADES CORPUSCULARES 
DA RADIAÇÃO 
 
ÍNDICE 
 
3.1- Efeito Fotoelétrico 
3.2- Efeito Compton 
3.3- Natureza Dual da Radiação 
3.4- Produção de Raios X 
3.5- Produção e Aniquilação de Pares 
 
 
Nessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como 
facultativos. Os assuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor 
durante a exposição de aula sem prejuízo da continuidade do curso de Estrutura da Matéria. 
Entretanto, é desejável que os alunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor 
fora do horário de aula. Fica a cargo do professor a cobrança ou não dos tópicos facultativos. 
 
Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 2 aulas de 
quatro créditos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3
 
 4
 
 5
 
 6
 
 7
 
 8
 
 9
 
 10
 
 
 11
 12
 
 
 13
 14
 
 15
 
 16
 
 17
 
 18
 
 19
 
 20
 
 21
 
 22
 
 23
 
 24
 
 25
 
 26
 
 27
 
 28
 
 29
 
 30
 
 31
 
 32
 
Lista de Exercícios 
 
1- Nas experiências do efeito fotoelétrico, a fotocorrente é proporcional à intensidade da luz. Esse resultado isolado 
pode ser usado para distinguir as teorias quântica e clássica? Explique. 
 
2- Por que mesmo para radiações incidentes monocromáticas os fotoelétrons são emitidos com diferentes 
velocidades? 
 
3- O limiar fotoelétrico é considerado como sendo a objeção mais evidente da teoria ondulatória. Explique essa 
afirmativa. 
 
4- (a) A energia necessária para que um elétron seja removido do sódio é . Pode-se observar o efeito 
fotoelétrico no sódio utilizando-se radiação de comprimento de onda ? (b) Qual é o comprimento de 
onda limiar para a emissão fotoelétrica do sódio? Resp.: (b) . 
eV2,3
oA5890λ =
oA5400
 
5- Radiação de comprimento de onda incide sobre uma superfície de alumínio. Para o alumínio, são 
necessários para remover um elétron. Qual é a energia cinética do fotoelétron emitido (a) mais rápido e 
(b) mais lento? (c) Qual é o potencial frenador? (d) Qual o comprimento de onda limiar para o alumínio? (e) Se a 
intensidade da luz incidente é , qual é o número médio de fótons por unidade de tempo e por unidade 
de área que atinge a superfície? 
oA2000
eV4,2
W m22,0 /
 
6- A função trabalho para uma superfície de Lítio é . Faça um esboço do gráfico do potencial frenador V 
em função da freqüência da luz incidente para uma tal superfície, indicando suas características importantes. 
eV2,3 0
 
7- O potencial frenador para fotoelétrons emitidos por uma superfície atingida por luz de comprimento de onda 
 é . Quando se muda o comprimento de onda da radiação incidente, encontra-se para este 
potencial um valor de . Qual é o novo comprimento de onda? 
oA4910λ = V0,71
V1,43
 
8- Numa experiência fotoelétrica na qual se usa luz monocromática e um fotocatodo de sódio, encontra-se um 
potencial frenador de para , e de para . Destes dados, determine (a) o 
valor da constante de Planck, (b) a função trabalho do sódio, e (c) o comprimento de onda limiar para o sódio? 
Resp.: (a) , (b) , (c) . 
V1,85 oA3000λ = V0,82 oA4000λ =
J s346,6 10 −× × eV2,3 oA5400
 
9- Considere uma incidência de luz sobre uma placa fotográfica. A luz será “gravada” se houver uma dissociação 
de moléculas de AgBr da placa. A energia mínima necessária para dissociar essas moléculas é da ordem de 
. Calcule o comprimento de onda limiar, acima do qual a luz não vai sensibilizar a placa fotográfica. J1910−
 
10- (a) É mais fácil observar o efeito Compton com alvos compostos de átomos com número atômico alto ou 
baixo? Explique. (b) O efeito Compton pode ser observado com luz visível? Explique. (c) Discuta o espalhamento 
Thomson, comparando-o com o espalhamento Compton. 
 
11- Fótons de comprimento de onda oA0,024λ = incidem sobre elétrons livres. (a) Ache o comprimento de 
onda de um fóton espalhado de um ângulo de 30 em relação à direção de incidência e a energia cinética 
transmitida ao elétron. Resp.: (a) 
o
oA0,027 , , (b) MeV0,057 oA0,060 , . MeV0,31
 
12- Um fóton de energia inicial que se move no sentido positivo do eixo x, incide sobre um elétron 
livre em repouso. O fóton é espalhado de um ângulo de , dirigindo-se no sentido positivo do eixo y. Ache as 
componentes do momento do elétron. 
eV51,0 10×
o90
 
13- Qual é a energia cinética máxima possível de um elétron envolvido no processo Compton em termos da 
energia do fóton incidente hν e da energia de repouso do elétron ? om c2
 
 33
14- Determine a variação máxima do comprimento de onda no espalhamento Compton de fótons por prótons. 
Resp.: oA52,64 10 −× . 
 
15- Pensando nas energias dos elétrons num tubo de televisão, você esperaria que esse eletrodoméstico poderia 
emitir raios X? Explique. 
 
16- Quais efeitos que se tem sobre o espectroresultante quando se diminui a voltagem num tubo de raios X? 
 
17- Discuta o processo de bremsstrahlung como sendo o inverso do efeito Compton e do efeito fotoelétrico. 
 
18- (a) Mostre que o comprimento de onda mínimo no espectro contínuo de raios X é dado por 
oA Vmin 12,4λ = , onde V é a voltagem aplicada em quilovolts. (b) Se a voltagem aplicada a um tubo de raios X 
é , qual deve ser o valor de kV186 minλ ? 
 
19- (a) Qual a voltagem mínima que deve ser aplicada a um tubo de raios X para que seja produzidos raios X com 
o comprimento de onda Compton do elétron? E com o comprimento de onda de 1Ao ? (b) Qual é a voltagem 
mínima necessária para que a radiação de bremsstrahlung resultante seja capaz de produzir um par? 
 
20- Um raio γ de comprimento de onda incide sobre um elétron inicialmente em repouso e é retro 
espalhado. Calcule o comprimento de onda do raio 
nm0.005
γ espalhado e a energia cinética, em , do elétron 
recuado. 
keV
 
21- Um raio γ de comprimento de onda incide sobre um elétron inicialmente em repouso. O elétron 
é recuado com energia cinética de . Calcule a energia do raio 
nm0,0062
keV60 γ espalhado, em , e determine a 
direção de espalhamento. Resp.: , . 
keV
keV140 095
 
22- Um raio γ cria um par elétron – pósitron como mostra a Figura abaixo. Mostre diretamente que, sem a 
presença de um terceiro corpo (o núcleo), para absorver uma parte do momento, a energia e o momento não 
podem conservar simultaneamente. (Sugestão: Iguale as energias e mostre que isto implica em momentos 
diferentes antes e depois da interação). 
 
fót fótE p c= e+e−
Antes Depois 
 
23- Um fóton de raio γ pode produzir um par elétron - pósitron na vizinhança de um elétron em repouso, da 
mesma maneira que na vizinhança de um núcleo, como representado abaixo: 
 
γ + → + +− − − +e e e e 
 
Mostre que, para isso ocorrer é necessário que a energia do fóton de raio γ seja pelo menos . 
(Sugestão: Suponha que as três partículas se afastam juntas com mesma velocidade relativística v e determine a 
energia do fóton 
m c204ε =
ε para que o processo possa ocorrer. Use as leis da conservação do momento linear e da 
energia, para mostrar que 
c
v
m c20
ε
ε= + ou ( )
m c m cv
c m c
2 22
0 0
22 2
0
2 4ε
ε
+− =
+
1 . Substitua esses resultados na equação 
resultante da conservação do momento e mostre que 
m c m c
m c
2 2
20 0
0
9 4
2
ε −= = ). 
 34
 
 
 
NOTAS DE AULAS DE 
FÍSICA MODERNA 
 
 
Prof. Carlos R. A. Lima 
 
 
CAPÍTULO 4 
 
 
MODELOS ATÔMICOS E 
VELHA TEORIA QUÂNTICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Edição de janeiro de 2008 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 4 – MODELOS ATÔMICOS E VELHA TEORIA 
QUÂNTICA 
 
ÍNDICE 
 
4.1- Modelo de Thomson 
4.2- Modelo de Rutherford 
 4.2.1- Trajetória da Partícula α Espalhada 
 4.2.2- Cálculo Estatístico do Espalhamento de Partículas α 
 4.2.3- Cálculo da Seção de Choque de Espalhamento - FACULTATIVO 
4.3- Espectro Atômico 
4.4- Modelo de Bohr 
4.5- Experimento de Franck e Hertz 
4.6- Integral de Ação e Regras da Quantização 
4.7- Modelo de Sommerfeld 
 
 
Nessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como 
facultativos. Os assuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor 
durante a exposição de aula sem prejuízo da continuidade do curso de Estrutura da Matéria. 
Entretanto, é desejável que os alunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor 
fora do horário de aula. Fica a cargo do professor a cobrança ou não dos tópicos facultativos. 
 
Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 4 aulas de 
quatro créditos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2
 3
 
 4
 
 5
 
 6
 
 7
 
 8
 
 9
 
 10
 
 11
 
 12
 
 13
 
 14
 
 15
 
 16
 
 17
 
 18
 
 19
 
 20
 
 21
 
 22
 
 23
 
 24
 
 25
 
 26
 
 27
 
 
 28
 29
 
 30
 
 
 31
 32
 
 
 33
 34
 
 35
 
 
 36
 37
 
 
 38
 
 39
 40
 
 41
 
 42
 
 43
 
 44
 
 
 45
 46
 
 47
 
 48
 
 49
 
 50
 
 51
 
 52
 
 53
 
 54
 
 55
 
 56
 
 57
 
 58
 
 59
 
 60
 
 61
 
Lista de Exercícios 
 
 62
m
1- O modelo de Thomson para o átomo de hidrogênio prevê uma freqüência única de oscilação para o 
elétron. Considerando o raio do átomo de hidrogênio como sendo R n0,05= , calcule o comprimento de 
onda da radiação emitida por esse átomo. 
 
2- Qual deve ser o raio de um átomo de um elétron, no modelo de Thomson, para que ele irradie uma linha 
espectral de comprimento de onda nm600λ = ? 
 
3- Por que é necessário considerar uma folha fina em experiências que visam verificar a fórmula do 
espalhamento de Rutherford? 
 
4- Compare a atração gravitacional entre um elétron e um próton no estado fundamental de um átomo de 
hidrogênio com a atração coulombiana entre eles. É razoável ignorar a atração gravitacional nesses casos? 
Resp.: F Fgrav elet ≈ −10 40 . 
 
5- A fórmula do espalhamento de Rutherford não está de acordo para ângulos de espalhamento muito 
pequenos. Explique o motivo disso. 
6- Em que a relação (Dsen
r b b2
1 1 cos 1
2
ϕ= + − )ϕ , que dá a trajetória de uma partícula que se move sob 
ação de uma força coulombiana repulsiva proporcional ao inverso do quadrado da distância, difere da 
dedução da trajetória de um planeta que se move sob influência do campo gravitacional do sol? 
 
7- Qual é a distância de maior aproximação de uma partícula α com a um núcleo de cobre em 
uma colisão frontal? Resp.: . 
MeV5,30
m1515,8 10−×
 
8- Um feixe de partículas α de energia 3MeV bombardeia uma lâmina de alumínio. Determine a distância 
D de maior aproximação ao núcleo do átomo de alumínio associada a uma colisão frontal e o número de 
núcleos por unidade de volume na lâmina, sabendo-se que o número atômico do alumínio é 13, o número de 
massa é 27 e a densidade é g cm32,70ρ = . 
 
9- De acordo com a mecânica clássica, um elétron deve sempre se mover em um átomo com qualquer 
momento angular. Entretanto, de acordo a teoria de Bohr para o átomo de hidrogênio, o momento angular é 
quantizado na forma L nh 2π= . O princípio da correspondência pode reconciliar essas duas afirmações? 
Explique. 
 
10- Mostre que a constante de Planck tem unidades de momento angular. 
 
11- Para as órbitas do átomo de hidrogênio de Bohr, a energia potencial é negativa e maior em módulo do 
que a energia cinética. Qual a implicação disso? 
 
12- Um átomo de hidrogênio pode absorver um fóton cuja energia exceda sua energia de ligação ? eV13,6
 
13- A energia de ionização do deutério é diferente da do hidrogênio? Explique. 
 
14- Mostre que a freqüência de revolução de um elétron no modelo atômico de Bohr para o átomo de 
hidrogênio é dada por E hn2 /ν = , onde E é a energia total do elétron. 
 
15- (a) Mostre que no estado fundamental do átomo de hidrogênio a velocidade do elétron pode ser escrita 
como v cα= , onde α é a constante de estrutura fina. (b) A partir do valor de α , o que se pode concluir a 
respeito do fato de se desprezar os efeitos relativísticos nos cálculos de Bohr? 
 
16- (a) Calcule os três maiores comprimentos de onda da série de Balmer a partir da fórmula de Bohr. (b) A 
série de Balmer está entre que limites de comprimento de onda? 
 
17- Calcule o menor comprimento de onda da série de Lyman, da série de Paschen e da série de Pfund para 
o átomode hidrogênio. Em qual região do espectro eletromagnético está cada uma? 
 
18- Quanta energia é necessária para remover um elétron de um átomo de hidrogênio em um estado com 
? n = 8
 
19- Um átomo de hidrogênio é excitado de um estado com n = 1 até n = 4 . (a) Calcule a energia que deve 
ser absorvida pelo átomo. (b) Calcule e trace sobre um diagrama de níveis de energia as energias dos 
diferentes fótons que serão emitidos se o átomo voltar a seu estado n = 1 . (c) Calcule a velocidade de recuo 
do átomo de hidrogênio, ao fazer uma transição de n = 4 a n = 1 em um único salto quântico, supondo que 
ele está inicialmente em repouso. 
 
20- Um átomo de hidrogênio com energia de ligação ( energia necessária para remover um elétron) de 
 sofre uma transição para um estado com energia de excitação (diferença de energia entre este 
estado e o fundamental) de 10
0 85, eV
2, eV . (a) Calcule a energia do fóton emitido. (b) Mostre essa transição em um 
diagrama de níveis de energia para o hidrogênio, designando os números quânticos apropriados. 
 
21- Calcule a energia necessária para remover um elétron de um átomo de hélio ionizado utilizando o modelo 
atômico de Bohr. Resp.: 54 4, eV . 
 
22- O segundo pico na experiência de Franck e Hertz, exatamente abaixo de 10 , se deve a duas 
excitações consecutivas do primeiro estado excitado do mercúrio ou a uma excitação do segundo estado 
excitado? 
eV
 
23- Em uma experiência do tipo Franck e Hertz, bombardeiam-se átomo de hidrogênio com elétrons, e 
obtém-se os potenciais de excitação em 10 e . (a) Trace um diagrama de níveis de energia para 
as três possíveis transições observadas. (b) Supondo que as diferenças de energia podem ser expressas 
como 
21, V 12 10, V
ΔE h= ν , obtenha os três possíveis valores de ν e dos respectivos comprimentos de onda λ . 
 
24- Suponha que, na experiência de Franck e Hertz, a energia eletromagnética emitida por um átomo de Hg, 
devido à absorção de energia de elétrons com seja expressa por 4 9, eV E hνΔ = , onde ν é a freqüência 
correspondente à linha de ressonância nm253,6λ = do mercúrio. Calcule o valor de h de acordo com essa 
experiência e compare com o valor obtido por Planck. 
 
25- Nas estrelas observa-se a série de Pickering no espectro do íon de hélio . Ela é emitida quando o 
elétron no salta para o nível a partir de níveis de mais altas energias. (a) Obtenha a fórmula dos 
comprimentos de onda das linhas que pertencem a essa série. (b) Encontre o comprimento de onda limite 
dessa série. (c) Essa série pertence a qual região do espectro eletromagnético? (d) Calcule o potencial de 
ionização em elétrons-volt, se o estiver no estado fundamental. 
He+
He+ n = 4
He+
 
26- Se o momento angular da terra de massa , devido ao seu movimento em torno do sol 
numa órbita de raio , fosse quantizado segundo a relação de Bohr 
M = ×6 0 1024, kg
mR = ×1 5 1011, L nh 2π= , qual seria o 
valor do número quântico n ? Poderíamos detectar tal quantização? 
 
27- De outro exemplo de degenerescência na física clássica, além do movimento planetário. 
 63
 
 
 
NOTAS DE AULAS DE 
FÍSICA MODERNA 
 
 
Prof. Carlos R. A. Lima 
 
 
CAPÍTULO 5 
 
 
PROPRIEDADES ONDULATÓRIAS 
DA MATÉRIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Edição de janeiro de 2008 
 
 
 
 
 
 
 2
 
 
 
 
CAPÍTULO 5 – PROPRIEDADES ONDULATÓRIAS DA MATÉRIA 
 
ÍNDICE 
 
5.1- Postulados de de Broglie 
5.2- Interpretação Probabilística da Dualidade Onda - Partícula 
5.3- Propriedades das Ondas de Matéria 
5.4- Princípio da Incerteza 
 
 
 
 
 
Nessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como 
facultativos. Os assuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor 
durante a exposição de aula sem prejuízo da continuidade do curso de Estrutura da Matéria. 
Entretanto, é desejável que os alunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor 
fora do horário de aula. Fica a cargo do professor a cobrança ou não dos tópicos facultativos. 
 
Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 2 aulas de 
quatro créditos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3
 
 4
 
 5
 
 6
 
 7
 
 8
 
 
 9
 10
 
 11
 
 12
 
 13
 
 14
 
 15
 
 16
 
 17
 
 18
 
 19
 
 20
 
 21
 
 22
 
 23
 
 24
 
 25
 
 26
 
 27
 
 28
 
 29
 
 30
 
 31
 
 32
 
 33
 
 34
 
 35
 
 36
 
 37
 
 38
 
Lista de Exercícios 
 
1- Por que a natureza ondulatória da matéria não é evidente em nossas observações diárias? O comportamento 
ondulatório de uma partícula clássica pode ser obtido assumindo-se m na fórmula de de Broglie? Explique. →∞
 
2- O comprimento de onda de de Broglie pode ser menor que a dimensão da partícula? Pode ser maior? É 
necessário que haja alguma relação entre essas grandezas? 
 
3- A difração de elétrons pode ser utilizada para se estudar a estrutura de sólidos cristalinos? Explique. 
 
4- Discuta a analogia: A óptica ondulatória é para a óptica geométrica assim como a mecânica quântica é para a 
mecânica clássica. 
 
5- Afinal de conta o que é um elétron, uma partícula ou uma onda? Explique. 
 
6- Discuta semelhanças e diferenças entre uma onda de matéria e uma onda eletromagnética 
 39
g s
 
7- Um projétil de massa move-se a uma velocidade m 40= v m1000 /= . (a) Qual é o comprimento de 
onda de de Broglie que se pode associar a ele? (b) Por que sua natureza ondulatória não se revela por meio de 
efeitos de difração? 
8- O comprimento de onda da emissão espectral amarela do sódio é . Com que energia cinética um 
elétron teria o mesmo comprimento de onda de de Broglie? 
A05890λ =
9- Um elétron e um fóton têm ambos um comprimento de onda A02,0λ = . Quais são (a) seus momentos? (b) 
suas energias totais? (c) Compare as energias cinéticas do elétron e do fóton. 
 
10- Um nêutron térmico tem uma energia cinética ( )kT3 2 , onde T K300= é a temperatura ambiente. Estes 
nêutrons estão em equilíbrio térmico com o ambiente. (a) Qual é a energia em elétrons - volt de um nêutron 
térmico? (b) Qual é o comprimento de onda de de Broglie? 
 
11- Um feixe de nêutrons de 1 atinge um cristal cujos planos cristalinos estão separados por eV d n0,025 m= . 
Determine o ângulo de fase ϕ para o qual o primeiro máximo de interferência é observado. 
 
12- O espaçamento planar em um cristal de cloreto de potássio é . Compare o ângulo de reflexão de 
Bragg de primeira ordem, por esses planos, de elétrons com energia cinética 40 com o de fótons com 
energia . 
d 03,14= A
keV
keV40
 
13- Considere a interferência de duas ondas ψ1 e ψ2 , emitidas de duas fendas 
estreitas e paralelas de distância ,como mostra a figura ao lado. As ondas têm 
mesmas amplitude , mesma freqüência 
d
A ω e diferença de fase δ . Construa a 
superposição usando a notação complexa para a função de onda e 
mostre que a dependência do padrão de interferência resultante com o ângulo 
 é, 
ψ ψ1 + 2
θ kdI A sen24 cos
2
θ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠= . ( Sugestão: mostre primeiramente que, 
( )i ti iA e e e 22 21 2 ω δδ δψ ψ ψ +−⎡ ⎤= + = +⎣ ⎦ , em seguida escreva as 
exponenciais complexa entre colchetes na forma trigonométrica. Escreva a 
distribuição de intensidades do padrão de interferência I
2ψ= , e observe que 
a diferença de fase entre as duas ondas pode ser escrita na forma dsen
2πδ θλ= ). 
dsenθ 
ψ ω1 = Aei t 
ψ ω δ1 = +Aei tb g 
θ 
θ 
d 
 
14- Referindo-se ao princípio da incerteza de Heisenberg, dê exemplo de algum caso em que o processo de 
medida perturba o sistemaque está sendo medido. 
15- Dê uma justificativa à partir do princípio da incerteza de Heisenberg ( E t 2Δ Δ ≥ = ) que a energia de um 
oscilador harmônico não pode ser nula. (Sugestão: Será que o período de um oscilador pode ser infinito? Pense 
nisso). 
 
16- Qual seria a voltagem aceleradora necessária dos elétrons em um microscópio eletrônico para que se tenha a 
mesma resolução máxima que pode ser obtida em um "microscópio de raios γ " usando raios γ de ? MeV0,2
 
17- A resolução máxima atingida por um microscópio é limitada apenas pelo comprimento de onda λ utilizado, isto 
é, o menor detalhe que se pode distinguir é aproximadamente igual ao comprimento de onda. Suponhamos que se 
queira ver o interior de um átomo, com detalhes da ordem de A00,1 . (a) Se usarmos um microscópio eletrônico, 
qual seria a energia mínima necessária para os elétrons? (b) Se usarmos um microscópio óptico, qual seria a 
energia mínima para os fótons? Em que região do espectro eletromagnético esses fótons são encontrados? (c) 
Qual dos microscópios seria mais prático para esse objetivo? Explique. 
 
18- Mostre que para uma partícula livre pode-se escrever a relação de incerteza também na forma 
x 2 4λ λΔ Δ ≥ π , onde Δx é a incerteza na posição da onda e Δλ é a incerteza simultânea no comprimento de 
onda. (Sugestão: assuma que a incerteza no comprimento de onda λΔ é da ordem de grandeza do próprio 
comprimento de onda λ ). 
 
19- Mostre que se a incerteza na posição de uma partícula for aproximadamente igual a seu comprimento de onda 
de de Broglie, então a incerteza em sua velocidade é aproximadamente igual a sua velocidade. 
 
20- Um microscópio óptico é utilizado para localizar um elétron em um átomo em uma região de dimensão linear 
de A00,2 . Qual é a incerteza na velocidade de um elétron localizado dessa forma? 
 
21- Uma partícula de massa está confinada em uma região unidimensional de comprimento . Use o princípio 
da incerteza para obter uma expressão para a energia mínima da partícula. Calcule o valor dessa energia para 
uma gota de massa m mantida sobre um fio de comprimento a
m a
g m1= c10= , e para um elétron em uma região 
de comprimento a n . m0,1=
 
22- (a) Considere um elétron em algum ponto dentro de um átomo de diâmetro . Qual é a incerteza no 
momento do elétron? Esse resultado é consistente com a energia de ligação de elétrons em átomos? Pense em 
termos de energias das transições atômicas pertencente a região visível do espectro eletromagnético. (b) Imagine 
que um elétron esteja em algum ponto no interior de um núcleo de . Qual é a incerteza no momento do 
elétron? Esse resultado é consistente com a energia de ligação de partículas constituintes do núcleo? Pense em 
termos de energias das transições nucleares pertencente à região dos raios 
A01
cm1210−
X e γ do espectro eletromagnético. 
(c) Considere um nêutron, ou um próton, no interior desse núcleo atômico. Qual é a incerteza no momento do 
nêutron, ou do próton? Esse resultado é consistente com a energia de ligação de partículas constituintes do 
núcleo? 
 
23- A vida média de um estado excitado de um núcleo é normalmente de cerca de . Qual é a incerteza na 
energia do fóton de raio 
s1210−γ emitido? 
 
24- um garoto no alto de uma escada de altura H está jogando bolas de gude de massa m em uma fenda 
existente no solo. Para atingi-la, ele utiliza um equipamento que tem a maior precisão possível. (a) Mostre que as 
bolas de gude vão deixar de atingir a fenda por uma distância em média da ordem de 
H
x
m g
1 41 2 ⎛ ⎞⎛ ⎞≈ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
=
, onde 
g é a aceleração da gravidade. (b) Utilizando valores razoáveis de H e m , calcule esta distância. 
 
 40
 
 
 
NOTAS DE AULAS DE 
FÍSICA MODERNA 
 
 
Prof. Carlos R. A. Lima 
 
 
CAPÍTULO 6 
 
 
MECÂNICA QUÂNTICA 
DE SCHRÖDINGER 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Edição de janeiro de 2008 
 
 
 
 
 
 
 2
 
 
 
 
CAPÍTULO 6 – MECÂNICA QUÂNTICA DE SCHRÖDINGER 
 
ÍNDICE 
 
6.1- Introdução 
6.2- Equação de Schrödinguer 
6.3- Interpretação Probabilística 
6.4- Equação de Schrödinger Independente do Tempo 
6.5- Valor Esperado 
6.6- Movimento da Partícula Quântica e 
 Limite da Teoria Clássica 
6.7- Comportamento Geral das Autofunções 
 
 
Nessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como 
facultativos. Os assuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor 
durante a exposição de aula sem prejuízo da continuidade do curso de Estrutura da Matéria. 
Entretanto, é desejável que os alunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor 
fora do horário de aula. Fica a cargo do professor a cobrança ou não dos tópicos facultativos. 
 
Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 3 aulas de 
quatro créditos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3
 
 4
 
 5
 
 6
 
 7
 
 8
 
 9
 
 10
 
 11
 
 12
 
 13
 
 14
 
 15
 
 16
 
 17
 
 18
 
 19
 
 20
 
 21
 
 22
 
 23
 
 24
 
 25
 
 26
 
 27
 
 28
 
 
 29
 30
 
 31
 
 32
 
 33
 
 34
 
 35
 
 36
 
 37
 
 38
 
 39
 
 40
 
 41
 
 42
 
 43
 
 44
 
 45
 
 46
 
 47
 
 
 
 48
 
Lista de Exercícios 
 
1- Como o postulado de de Broglie entra na teoria quântica de Schrödinger? 
 
2- Uma vez que a equação de Schrödinger não é válida para partículas relativísticas, qual seria o efeito sobre a 
teoria quântica de Schrödinger da mudança na definição de energia total, na relação E h= ==ω ν , se fosse 
considerado a energia relativística de repouso da partícula. 
 
3- A massa m de uma partícula aparece explicitamente na equação de Schröndiger, mas sua carga elétrica não 
embora, ambas, possam afetar seu movimento. Alguma grandeza que aparecem na equação de Schröndiger 
embute implicitamente esse parâmetro? Explique. 
 
4- A equação de onda da teoria clássica contém uma segunda derivada espacial e uma segunda derivada 
temporal. A equação de Schröndiger por outro lado, contém uma segunda derivada espacial e uma primeira 
derivada temporal. Use esses fatos para explicar por que as soluções de onda clássica podem ser funções reais, 
enquanto as soluções da equação de Schröndiger devem ser funções complexas. 
 
5- No eletromagnetismo, calculamos a intensidade de uma onda tomando o quadrado de sua amplitude. Por que 
não fazemos exatamente o mesmo com as ondas da mecânica quântica? 
 
6- Por que a função densidade de probabilidade tem que ser real, positiva, finita e definida em todos os pontos? 
Explique o significado da normalização de uma função de onda. 
 
7- Por que a mecânica quântica de Schrödinger fornece apenas informações estatísticas? Em sua opinião, isso 
reflete-se como um fracasso da teoria ou uma propriedade da natureza? 
 
8- O que significa o valor esperado de uma grandeza? 
 
9- Por que uma autofunção deve ser bem comportada para ser aceitável na teoria quântica de Schrödinger? Por 
que ψ é necessariamente uma função oscilatória quando V x Ea f < ? 
 
10- Se as funções de onda ψ 1 x t,a f , ψ 2 x t,a fe ψ 3 x t,a f são três soluções da equação de Schrödinger para um 
potencial particular V x , mostre que a combinação linear arbitrária t,a f
ψ ψ ψ ψx t c x t c x t c x t, , ,a f a f a f a f= + +1 1 2 2 3 3 , também é uma solução desta equação. 
 
11- Considere a função de onda para o primeiro estado excitado de uma partícula de massa que pode se 
mover livremente sobre o eixo 
m
x entre os pontos x a= − 2 e x a= + 2 , mas que está estritamente proibidade ser encontrada fora dessa região: 
 
( ) iEt
x
Asen e para a x a
x t a
para x a ou x +a 
2 2 2
,
0 2
π −⎧ − < +⎪Ψ = ⎨⎪ ≤ − ≥⎩
=
2
 
 
onde A é uma constante real arbitrária e E é a energia total da partícula. (a) Mostre que essa função é uma 
solução da equação de Schrödinger. (b) Encontre o valor de E para esse primeiro estado excitado, (c) Trace um 
gráfico da dependência espacial dessa função de onda. (d) Encontre os valores esperados de x , , p x2 e da 
partícula associada a função de onda, (e) Use a condição de normalização para determinar o valor da constante 
p2
A em termos de . (f) Use as grandezas calculadas no item (d) para calcular o produto das incertezas a Δ Δx p 
na posição e no momento dessa partícula. 
 
12- A função de onda para o estado fundamental de um oscilador harmônico simples constituído de 
uma partícula de massa sob ação de uma força restauradora linear de constante elástica 
Ψ x t,a f
m C , pode ser escrita 
como: 
 49
 
Ψ x t Cm e eCm x i C m t,a f a fa f
d i b gd i= − −
1 8
1 4
2 22
π=
=
 
(a) Calcule os valores esperados da energia cinética K p
m
=
2
2
 e da energia potencial V x kxa f = 1
2
2 . (b) 
Compare com as médias no tempo da energia cinética e potencial para um oscilador harmônico simples clássico 
com a mesma energia total E . 
 
13- Em um certo instante, uma função de onda depende da posição conforme está mostrado na figura (a) abaixo. 
(a) Se fosse feita uma medida que possa localizar a partícula associada em um elemento do eixo dx x nesse 
instante, onde seria maior a probabilidade de encontrá-la? (b) Onde seria menor essa probabilidade? (c) As 
chances de que ela seja encontrada em qualquer valor positivo do eixo x seriam melhores do que as chances de 
que seja encontrada em qualquer valor negativo? 
 
 50
 
14- Considere uma partícula se movendo sob influência do potencial V x C xa f = , onde é uma constante, 
ilustrado na figura (b) acima. (a) Use argumentos qualitativos para fazer um esboço da primeira autofunção de da 
décima autofunção para o sistema. (b) Faça um esboço das duas funções densidade de probabilidade 
correspondentes. (c) Use então a mecânica clássica para calcular as funções densidade de probabilidade prevista 
por esta teoria. (d) Trace um gráfico das funções densidade de probabilidade clássicas juntamente com as funções 
densidade de probabilidade quânticas, e discuta sua comparação. 
C
 
15- Considere uma partícula se movendo no potencial V x ilustrado na figura abaixo. Para os seguintes 
intervalos de valores da energia total 
a f
E , diga quando há algum valor possível de E , e , se isso ocorrer, se eles 
são separados discretamente ou distribuídos continuamente. (a) E V< 0 , (b) V E V0 1< < , (c) V E V1 2< < , (d) 
 , (e) . V E V2 3< < E V> 3
 
 
V xa f 
x0 
+∞ 
V0 
V1 
V2 
V3 
−∞ 
ψ x t,a f V xa f 
x 
t fixo( ) 
0 5 10 −5 
−5 
5 
aa f 
x 0 
ba f 
 
16- Considere uma partícula se movendo no potencial V x ilustrado na figura (a) abaixo, que tem uma região 
retangular de profundidade V e largura a , no qual a partícula pode estar ligada. Estes parâmetros estão 
relacionados com a massa m da partícula de uma forma tal que o estado de menor energia possível se 
encontra a uma energia de aproximadamente 
a f
0
E1
V0 4 acima do fundo. (a) Use argumentos qualitativos para fazer 
um esboço da forma aproximada da autofunção correspondente ψ 1 xa f . (b) Substitua o potencial da região 
x a> + 2 diretamente na equação de Schrödinger independente do tempo para mostrar que nessa região a 
autofunção tem a forma matemática ψ ax Ae m V E xf b g= − −2 0 = . (c) Use a densidade de probabilidade 
correspondente a esta autofunção para estimar a distância D fora da região de ligação do potencial na qual 
haverá uma probabilidade apreciável de encontrar a partícula na região classicamente proibida. (Sugestão: 
Considere x D= como sendo a distância até o ponto no qual Ψ Ψ* é 1 e vezes o seu valor na borda da região 
de ligação x a= + 2 ). (d) O potencial dessa figura dá uma boa descrição das forças que atuam sobre um elétron 
se movendo através de um metal. A diferença de energia V E0 − , para o elétron mais fracamente ligado ao metal, 
é a função trabalho do metal. Tipicamente, V E eV0 5− ≈ . Use esse dado para estimar o valor da distância D 
estima no item (c). 
 
V xa f 
x 0 
V0 
E1 
−a 2 +a 2 
aa f 
V xa f 
x 
a 4 
V0 
E1 
−a 2 +a 2 
ba f 
V0 10 
 
17- Suponha que o fundo da função potencial da questão anterior seja modificado pela adição de uma saliência no 
centro, de altura aproximadamente V0 10 e largura a 4 , como mostra a figura (b) acima. Considere 
qualitativamente o que ocorre com a curvatura da autofunção na região da saliência, e como isso afetará o 
problema de obter um comportamento aceitável para a autofunção na região externa ao poço. A partir dessas 
considerações, faça uma previsão, de forma qualitativa, do efeito da saliência sobre o valor da menor energia 
possível . E1
 
18- Considere a autofunção ilustrada na figura abaixo. (a) Qual dos três potenciais ilustrados na mesma figura 
poderia levar a tal autofunção? Dê argumentos qualitativos que justifiquem sua resposta. (b) Essa autofunção não 
é associada ao estado de menor energia possível para o potencial. Esboce a autofunção que corresponde ao 
estado de menor energia. (c) Indique em outro esboço o intervalo de energias no qual você esperaria estados de 
energia possíveis discretos e o intervalo de energias no qual você esperaria que os estados de energia possíveis 
fossem distribuídos continuamente. 
 
 
 
 
 
 51
 
V xa f 
 52
 
19- Usando as duas primeiras funções de onda normalizadas Ψ1 2 1x t a
x
a
e iE t, cosa f = −π = e 
Ψ2 2 2 2x t a sen
x
a
e iE t,a f = −π = , para uma partícula se movendo livremente e confinada em uma região de 
comprimento , construa a combinação linear a Ψ Ψ Ψx t c x t c x t, , ,a f a f a f= +1 1 2 2 . Obtenha então uma relação 
em função das constantes ajustáveis e que, quando satisfeitas, garanta que c1 c2 Ψ x t,a f seja normalizada. 
 
ψ xa f 
x 
0 
V xa f
x 
0 
x 0 
V xa f
x 
0 
 
 
 
NOTAS DE AULAS DE 
FÍSICA MODERNA 
 
 
Prof. Carlos R. A. Lima 
 
 
CAPÍTULO 7 
 
 
SOLUÇÕES DA EQUAÇÃO DE 
SCHORÖDINGER INDEPENDENTE DO TEMPO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Edição de janeiro de 2008 
 
 
 
 
 
 2
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 07 – SOLUÇÕES DA EQUAÇÃO DE SCRÖDINGER 
INDEPENDENTE DO TEMPO 
 
 
ÍNDICE 
 
7.1- Partícula Livre 
7.2- Potencial Degrau 
7.3- Barreira de Potencial 
7.4- Poços de Potenciais Finito e Infinito 
7.5- Oscilador Harmônico 
 
 
 
Nessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como 
facultativos. Os assuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor 
durante a exposição de aula sem prejuízo da continuidade do curso de Física Moderna. 
Entretanto, é desejável que os alunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor 
fora do horário de aula. Fica a cargo do professor a cobrança ou não dos tópicos facultativos. 
 
Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 4 aulas de 
quatro créditos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3
 
 4
 
 5
 
 6
 
 7
 
 8
 
 9
 
 10
 
 11
 
 12
 
 13
 
 14
 
 15
 
 16
 
 17
 
 18
 
 19
 
 20
 
 21
 
 22
 
 23
 
 24
 
 25
 
 26
 
 27
 
 28
 
 29
 
 3031
 
 
 32
 33
 
 
 34
 35
 
 36
 
 37
 
 38
 
 39
 
 40
 
 41
 
 42
 
 43
 
 44
 
 45
 
 46
 
 47
 
 48
 
Lista de Exercícios 
 
1- Por que na mecânica clássica não é possível ter-se E V x< a f? Por que isto é possível na mecânica 
quântica , desde que haja alguma região na qual ? E V x> a f
 
2- Se duas ondas de mesmas amplitudes se propagam em sentidos contrários obtém-se uma onda 
estacionária. Que tipo de onda obtém-se se as amplitudes não forem iguais? 
 
3- O que você entende exatamente sobre o fluxo de probabilidade? 
 
4- O que significa exatamente afirmar que o coeficiente de reflexão é unitário para uma partícula incidindo 
sobre um potencial degrau com energia total menor do que a altura do degrau? O que significa exatamente 
afirmar que o coeficiente de reflexão é menor do que a unidade se a energia total for maior que a altura do 
degrau? O coeficiente de reflexão pode ser maior que a unidade? 
 
5- Uma partícula incide sobre uma barreira de potencial, com energia total menor do que a altura da barreira, 
e é refletida. A reflexão envolve apenas a primeira descontinuidade do potencial? Se a outra descontinuidade 
fosse retirada, de forma que a barreira se transformasse em um degrau, o coeficiente de reflexão mudaria? 
 
6- No sol, dois núcleos de Hidrogênio em movimento térmico violento podem colidir penetrando a barreira 
coulombiana que os separam. A massa do núcleo resultante é menor do que a soma das massas dos dois 
núcleos de iniciais, de forma que ocorre grande liberação de energia. Este processo de fusão nuclear é 
responsável pela emissão de calor pelo sol. Quais seriam as conseqüências para a vida na terra se isso não 
pudesse ocorrer? 
 
7- Por que os poços quadrados finitos têm apenas um número finito de autovalores ligados? Quais são as 
características dos autovalores não ligados? 
 
8- Como seria uma autofunção de onda estacionária para um autovalor não ligado de um poço de potencial 
quadrado finito? 
 
9- Se as autofunções de um potencial têm paridades definidas, a de menor energia tem sempre paridade 
positiva. Explique por que. 
 
10- Para o caso de um degrau de potencial com em que os coeficientes de reflexão e transmissão 
são 
E V> 0
R k k
k k
= −+
F
HG
I
KJ
1 2
1 2
2
e T k k
k k
= +
4 1 2
1 2
2b g , mostre que R T+ = 1. 
 
11- Mostre que a expressão T senh k a
E
V
E
V
= +
−FHG
I
KJ
L
N
MMMM
O
Q
PPPP
−
1
4 1
2
2
0 0
1
, para o coeficiente de transmissão para a 
penetração de uma barreira de potencial retangular, se reduz a T E
V
E
V
e k a≈ −FHG
I
KJ
−16 1
0 0
2 2 se . k a2 1>>
 
 
 
 
 
 
 49
 50
V
12- (a) Calcule o coeficiente de transmissão para um elétron de energia total incidente sobre uma 
barreira de potencial retangular de altura V
E eV= 2
e0 4= e largura a m= −10 10 (dimensão atômica), usando a 
relação exata e aproximada citadas na questão anterior. (b) Repita os cálculos para uma barreira de largura 
. a m= −10 9
 
13- Um próton e um dêutron ( partícula de mesma carga do próton, mas de massa duas vezes maior) tentam 
penetrar em uma barreira de potencial retangular de altura V Me0 10 V= e largura (dimensão 
nuclear). As duas partículas têm energias totais 
a = −10 14m
E MeV= 3 . Use argumentos qualitativos para prevê qual 
das partículas tem mais chance de consegui-lo. 
 
14- Um átomo do gás nobre Kriptônio exerce um potencial atrativo sobre um elétron não ligado, que varia 
muito bruscamente. Devido a isto, é uma aproximação razoável descrever o potencial como um poço 
quadrado atrativo, de dimensão da ordem do raio atômico , 4 10 10× − m . As experiências que um elétron com 
energia cinética E eV= 0 7. , nas regiões fora do átomo, pode atravessá-lo sem sofrer reflexão alguma. 
Esse é o fenômeno do efeito Ramsauer para uma poço quadrado atrativo. Use essas informações para fazer 
uma estimativa da profundidade do poço de potencial quadrado. (Sugestão: Use o fato que cabe exatamente 
um comprimento de onda de de Broglie na largura do poço nas condições do efeito Ramsauer). 
 
15- Sabendo–se que as massas do elétron e do nêutron são respectivamente, m k e 
, faça uma estimativa das energias de ponto zero de um elétron e de um nêutron em 
um poço quadrado infinito de largura igual ao diâmetro nuclear 
g
kg
m
e = × −9 1 10 31.
mn = × −167 10 27.
a = −10 14 , e compare esses resultados. 
 
16- Sabendo-se que as energias permitidas para uma partícula num poço de potencial infinito são 
, onde é a energia do estado fundamental, mostre que a diferença fracional em energia entre 
autovalores adjacentes é 
E n En = 2 0 E0
ΔE
E
n
n
n
n
= +2 12 . Use esta relação para discutir o limite clássico do sistema. 
 
17- Aplique a condição de normalização para mostrar que o valor da constante multiplicativa para a 
autofunção com n do poço de potencial infinito é = 3 B a3 2= . 
 
18- Use as autofunções ψ 1 e ψ 3 para o poço de potencial infinito para mostra a propriedade de 
ortogonalidade 
ψ ψ1 3 0x x dxa f a f =−∞
+∞z 
(Sugestão: Use a relação cos cos cos cosu v u v u v= + + −1
2
a f a f . 
 
19- A constante da força restauradora K para as vibrações interatômicas de uma molécula diatômica típica é 
da ordem de 103 2J m/ . (a) Use esse valor para fazer uma estimativa da energia de ponto zero das 
vibrações moleculares. (b) Faça uma estimativa da diferença em energia entre o estado fundamental e o 
primeiro estado excitado da molécula vibrante. (c) A partir dessa estimativa, determine a energia do fóton 
emitido por vibrações da distribuição de carga quando o sistema faz uma transição entre o primeiro estado 
excitado e o estado fundamental. (d) Determine o comprimento de onda desta transição e descubra em que 
região do espectro eletromagnético está a radiação emitida. 
 
 
 
 
NOTAS DE AULAS DE 
FÍSICA MODERNA 
 
 
Prof. Carlos R. A. Lima 
 
 
CAPÍTULO 8 
 
 
ÁTOMOS MONOELETRÔNICOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Edição de janeiro de 2008 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2
 
 
CAPÍTULO 08 – ÁTOMOS MONOELETRÔNICOS 
ÍNDICE 
 
8.1- Introdução 
8.2- Problema da Força Central 
8.3- Equação de Schrödinger no Espaço Tridimensional 
8.4- Dependência Angular das Autofunções 
8.5- Simetria de Paridade em Coordenadas Esféricas 
8.6- Equação Diferencial Radial 
8.7- Distribuição de Probabilidade 
8.8- Regras de Seleção de Dipolo Elétrico 
 
 
 
Nessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como 
facultativos. Os assuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor 
durante a exposição de aula sem prejuízo da continuidade do curso de Estrutura da Matéria. 
Entretanto, é desejável que os alunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor 
fora do horário de aula. Fica a cargo do professor a cobrança ou não dos tópicos facultativos. 
 
Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 5 aulas de 
quatro créditos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3
 
 4
 
 5
 
 6
 
 7
 
 8
 
 9
 
 10
 
 11
 
 12
 
 13
 
 14
 
 15
 
 16
 
 17
 
 18
 
 19
 
 20
 
 21
 
 22
 
 23
 
 24
 
 25
 
 
 26
 
 27
 
 28
 
 29
 
 30
 
 31
 
 32
 
 33
 
 34
 
 35
 
 36
 
 37
 
 38
 
 39
 
 40
 
 41
 
 42
 
 43
 
 
 44
 45
 
 46
 
 4748
 49
 
 50
 
 51
 
 
 52
 53
 
 54
 
 55
 
 56
 
 57
 
 58
 
 
Lista de Exercícios 
 
1- Por que a função Φ ϕa f tem que ser unívoca na solução da equação de Schrödinger para o átomo de 
hidrogênio? Por que isso leva a restrição de que m deve ser um inteiro? l
 
2- Por que devem aparecer três números quânticos no tratamento do átomo de um elétron sem "spin"? 
 
3- O que é a degenerescência? 
 
4- Faça uma comparação entre as previsões dos tratamentos de Bohr e Schrödinger para o átomo de hidrogênio 
(desprezando spin e efeitos relativísticos), com relação à localização do elétron, sua energia total, e seu momento 
orbital. 
 
5- Hidrogênio, deutério e hélio mono ionizado são exemplos de átomos de um elétron. O núcleo do deutério tem a 
mesma carga do núcleo de hidrogênio e massa quase duas vezes maior. O núcleo de hélio tem carga duas vezes 
maior do que o núcleo de hidrogênio e massa quase quatro vezes maior. Faça uma previsão da razão entre as 
energias dos estados fundamentais desses átomos. (Sugestão: Considere a variação da massa reduzida). 
 
6- Mostre por substituição que Φ ϕ ϕa f = cosml e, Φ ϕ ϕa f = senml são soluções da equação diferencial para 
Φ ϕa f . 
 
7- Verifique por substituição que a autofunção ψ 100 do estado fundamental e autovalor desse estado 
satisfazem a equação de Schrödinger independente do tempo, para a átomo de hidrogênio. 
E1
 
8- Sabe-se que é uma autofunção do operador energia total para o problema unidimensional de potencial 
nulo. (a) Mostre que também é autofunção do operador momento linear e determine o autovalor associado. (b) 
Repita os cálculos para . 
ψ = eikx
p
ψ = −e ikx
9- Mostre que a função R r A r
a
e r ab g = −FHG
I
KJ
−1
2
2 é uma solução da equação diferencial radial para o átomo de um 
elétron no caso . Qual é o autovalor da energia correspondente? l = 0
 
10- Determine a constante de normalização do problema anterior. A
 
11- Seja o átomo de um elétron num estado de números quânticos n = 2 e l = 1 . Determine a distância mais 
provável entre o elétron e o núcleo. Calcule os valores esperados r e V pela integração explícita. 
 
12- Repita os cálculos do problema anterior para um estado de números quânticos n e . = 3 l = 1
 
13- Seja o átomo de um elétron no seu estado fundamental. Calcule a probabilidade de encontrar o elétron além da 
primeira órbita de Bohr. 
 
14- (a) Calcule a posição em que a densidade radial de probabilidade é máxima, para o estado n = 2 , l = 1 do 
átomo de hidrogênio. (b) Calcule em seguida o valor esperado da coordenada radial nesse estado. (c) Interprete o 
significado físico da diferença das respostas de (a) e (b). 
 
15- (a) Calcule o valor esperado V da energia potencial no estado fundamental do átomo de hidrogênio, e 
mostre que E V= 2 , onde E é a energia total. (b) Calcule o valor esperado V agora para o estado 
, n = 2 l = 1 , do átomo de hidrogênio. 
 
 59
16- Mostre por substituição que a forma é uma solução da equação diferencial para , quando R r rla f∝ R ra f
r→ 0 . (Sugestão: Despreze os termos que se tornam pequenos diante dos demais quando r→ 0 ). 
 
17- Uma partícula de massa reduzida μ está presa numa extremidade de uma barra rígida de massa desprezível 
e comprimento . A outra extremidade da barra gira no plano R xy em torno de um suporte localizado na origem, e 
cujo eixo tem direção . Esse "Rotor Rígido" bidimensional está ilustrado na figura abaixo. z
 
ϕ μx 
y
z 
R
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(a) Escreva uma expressão para a energia total do sistema em termos de seu momento angular . (Sugestão: 
Tome o valor zero para a energia potencial constante e expresse a energia cinética em termos de ). (b) 
Introduzindo operadores apropriados na equação da energia, converta-a na equação de Schrödinger 
L
L
− ∂∂ =
∂
∂
= =
2 2
22I
t i
t
tϕ ϕ ϕΨ Ψ, ,a f a f 
onde é o momento de inércia da rotação, e I R= μ 2 Ψ ϕ ,ta f é a função de onda escrita em termos da 
coordenada angular ϕ e do tempo t . (Sugestão: Como o momento angular só tem direção , isto é z L Lz= e o 
operador correspondente é L i=z = − ∂ ∂ϕ ). (c) Aplicando a técnica de separação de variáveis, desdobre a 
equação de Schrödinger do rotor rígido e obtenha a equação de Schrödinger independente do tempo: 
 
− ==
2 2
2I
d
d
Eϕ ϕ ϕΦ Φa f a f 
 
e a equação para a dependência temporal da função de onda 
 
d
dt
T t iE T ta f a f= − = 
 
onde E é a constante de separação e Ψ Φϕ ϕ,t Ta f a f a ft= . (d) Resolva a equação para a dependência 
temporal da função de onda e mostre que a constante de separação E é a energia total. (e) M stre que uma 
solução particular da equação de Schrödinger independente do tempo para o rotor rígido é Φ , onde 
 o
ϕ ϕa f = eim
m IE= 2= . (f) Utilize a solução na equação diferencial e mostre que os valores permitidos de energia total para 
o rotor rígido quântico bidimensional são: E m
I
=
2 2
2
=
, com m = 0 1 2, , ,.... . 
 
 
 60
 
 
 
NOTAS DE AULAS DE 
ESTRUTURA DA MATÉRIA 
 
 
Prof. Carlos R. A. Lima 
 
 
CAPÍTULO 9 
 
 
INTERAÇÃO MAGNÉTICA E SPIN 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Primeira Edição – junho de 2005 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2
 
CAPÍTULO 9 - INTERAÇÃO MAGNÉTICA E SPIN 
 
ÍNDICE 
 
9-1- Momento de Dipolo Magnético Orbital 
9.2- Interação com um Campo Magnético Externo 
9.3- Experiência de Stern-Gerlach e Spin do Elétron 
9.4- Momento Angular Total 
9.5- Interação Spin-Órbita 
9.6- Correção da Teoria Quântica Relativística 
9.7- Efeito Zeeman 
 9.7.1- Introdução 
 9.7.2- Efeito Zeeman Normal 
 9.7.3- Efeito Zeeman Anômalo – Facultativo 
9.8- Estrutura Hiperfina - Facultativo 
 
 
 
Nessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como 
facultativos. Os assuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor 
durante a exposição de aula sem prejuízo da continuidade do curso de Estrutura da Matéria. 
Entretanto, é desejável que os alunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor 
fora do horário de aula. Fica a cargo do professor a cobrança ou não dos tópicos facultativos. 
 
Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 5 aulas de 
quatro créditos. 
 3
 
 
 
 4
 
 5
 6
 
 7
 
 8
 
 
 
 
 
 9
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 10
 
 11
 
 12
 
 
 
 
 
 13
 
 14
 
 
 
 15
 16
 
 
 
 17
 
 
 18
 
 19
 
 20
 
 21
 
 22
 
 23
 
 24
 
 25
 
 26
 27
 
 
 
 28
 
 
 29
 
 
 
 
 30
 
 
 
 
 
 31
 
 
 
 32
 
 
 
 33
 
 
 
 34
 
 
 
 
 
 
 
 35
 
 
 
 36
 
 37
 
 38
 
 
 
 39
 
 40
 
 
 
 
 
 
 41
 
 
 
 42
 
 
 
 
 
 43
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 44
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 45
 
 
 
 
 46
 
 
 47
 
 
 
 
 
 
 
 
 48
 
 
 
 49
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 50
 
 
 
 51
 
 
 
 
 
 52
 53
 
 54
 
 
 
 55
 
 
 
 
 56
 
 
 57
 
 
 58
 
 59
 
 60
 
 61
 
 62
 
 63
 
 64
 
 65
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 66
 67
 
 
 
 68
 
 69
 
 70
 
 
 71
 
 72
 73
 
 
 
 74