Dualidade e efeito fotoeletrico

Concepções de luz na física moderna.
Semana 1
Luz é onda ou partícula?
Louis de Broglie
Isaac Newton
“Bom senso é o conjunto dos preconceitos
adquiridos antes dos 18 anos.“
Albert Einstein
No entanto, as coisas não são assim com a física
moderna. À primeira vista, fenômenos
relativísticos ou quânticos parecem bizarros
porque estão muito além da nossa realidade
imediata. Isso porque lidamos, neste caso, com
objetos de escala atômica, ou não mais leves
que estrelas e velocidades comparadas com a
velocidade da luz. Nossa visão do mundo
natural, portanto, é bastante limitada.
Site PUCSP:
Disponível
em
http://www.pucsp.br/pos/cesima/schenberg/alunos/cristianemendes/
mecanica.htm em 14 de março de 2012
“Não leve essa aula muito a sério… apenas
relaxe e desfrute dela. Vou contar para vocês
como a natureza se comporta. Se você
admitir simplesmente que ela tem esse
comportamento,
você
a
considerará
encantadora e cativante. Não fique dizendo
para você mesmo “Mas como ela pode ser
assim?” porque nesse caso você entrará em
um beco sem saída do qual ninguém escapou
ainda. Ninguém sabe como a natureza pode
ser assim”.
Richard Feynman (1918-1988) Nobel 1965
Conceitos Prévios
Espectro, Difração e Interferência
Amarelo e Azul
Qual dos feixes de luz possui:
• Maior comprimento de
onda
• vermelho
• Maior freqüência.
• Violeta
• Maior energia
• Violeta
Difração
Interferência  superposição
construtiva
destrutiva
Óptica ondulatória
http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava
/index.php?topic=18.0
Embate
• Christian Huygens :
• Isaac Newton :
• Ondulatório
• Partículas
• Sofre interferência
• Cada tipo de
como as ondas.
partícula uma cor.
• Forma-se as sombras
Situação
• Final do Século XIX – Luz era apenas uma
onda eletromagnética.
• Teoria corpuscular perde importância.
• Física clássica não explicava tudo.
• http://chaos.nus.edu.sg/simulations/Classical
%20Physics/PropagationOfLight/light.html
Prova da luz ser onda
• Difração: comportamento ondulatório
• Difração por fenda dupla: interferência
Prova da luz ser onda
O experimento de Young: Fenda Dupla
Prova da luz ser onda
Provas da luz ser partícula
• Câmara de bolhas
PartículaEfeito Foto-Elétrico
• Luz azul “arranca”
elétrons
• Luz vermelha não
“arranca” elétrons
1. O efeito não dependia da intensidade da luz incidente.
2.O efeito dependia da freqüência, cor da luz incidente
Efeito Compton
• Veremos adiante
Problemas
Radiação do corpo negro, difração,
efeito foto-elétrico
RADIAÇÃO TÉRMICA
•Medição de altas
temperaturas e falta de
instrumentos
•necessidade de
associação da cor do
material (frequência da
onda) à temperatura.
Raio x seria
mais
intenso que luz
visível
RADIAÇÃO DE CORPO NEGRO
É um absorvedor e emissor ideal de radiação.
Radiação Emitida = Radiação absorvida
RADIAÇÃO DE CORPO NEGRO: CONCLUSÃO
•O espectro da energia emitida é contínuo
•Depende:
•da temperatura do corpo
•comprimento de onda da radiação.
•Comprimento de onda:
•Inversamente proporcional a temperatura
•Freqüência:
•diretamente proporcional à temperatura
Max Planck
• O fóton carrega também quantidade de
movimento
• Radiação “pressiona” parede. (Maxwell)
• Toda carga elétrica emite radiação na freqüência
que oscila.
• Toda radiação faz a carga oscilar.
• Quantizada da energia da luz
• Em “pacotes” (fótons)
• Valor  E = h . f , onde h = 6,63×10-34 J.s é a
constante de Planck
Momento linear

Mudanças
• Albert Einstein, usando a ideia de Max Planck
• feixe de luz são pequenos pacotes de energia e
estes são os fóton
• O efeito fotoelétrico seria um problema de
colisões entre luz e partículas.
• Quando o fóton se choca com um elétron, com
energia suficientemente alta, ele sai da superfície
com uma determinada energia cinética.
• "quando um fóton colide com um elétron, ambos
comportam-se como corpos materiais."
Conclusão
“fótons ou constituintes fundamentais da
matéria podem comportar-se como
partículas ou como ondas, dependendo do
aparato experimental. A dualidade onda
partícula só é relevante para objetos cujo
comportamento é determinado pela
mecânica quântica, como átomos ou
partículas subatômicas.”
Albert Einstein
De Broglie
•
•
•
•
Interferência de Ondas?
Ok
Interferência de elétrons?
A dualidade aplicada às ondas também se
aplicaria aos elétrons e outras partículas
elementares.
• As ondas “guiariam” as partículas;
Luigui De Broglie
• Associou onda ao elétron.
• Relações sugeridas por Einstein para fótons.
• Thompson Filho: difração de elétrons por
cristais
“J. J. Thomson (pai) mostrou
que o elétron é uma partícula,
G. P. Thomson (filho) mostrou
que o elétron é uma onda”
EFEITO COMPTON: LUZ COMO PARTÍCULAS
•Um feixe de raio-x incidindo em um alvo de
carbono, sofria espalhamento.
•Feixe espalhado tinha frequência alterada.
EFEITO COMPTON: LUZ COMO PARTÍCULAS
A DUALIDADE PARTICULA-ONDA
Uma bola de futebol de 430 gramas, atinge
uma velocidade, com um bom chutador de
35m/s. Qual é o comprimento de onda
associado:
A DUALIDADE PARTÍCULA-ONDA
Um elétron com uma massa de 9,1x10-31 kg
a 1,5.108m/s tem um comprimento de
onda associado de:
O que é a luz e a matéria então?
•A luz é partícula ou onda?
•Newton: luz se comportava como partículas.
•Young: constatou interferência - onda.
•Einstein + Planck = dualidade onda-particula.
•Energia em uma onda é quantizada = dividida em
“pacotes”, onde se observa comportamento corpuscular.
•Para a física quântica apresenta experimentos:
•Luz é onda e Luz é partícula. Matéria é partícula e
também é onda.
•De Broglie: expandiu a ideia onda-partícula para todos
os corpos.
•Comptom: “parece” choque de esferas
Exercícios
01) (UFC) - Quanto ao numero de fótons existentes em 7 joule de luz
verde, 1 joule de luz vermelha e 1 joule de luz azul, podemos afirmar,
corretamente, que
a)Existem mais fótons em 1J de luz verde que em 1J de luz
vermelha e existem mais fótons em 1J de luz verde que em 1J de
luz azul.
b)Existem mais fótons em 1J de luz vermelha que em 1J de luz
verde e existem mais fótons em 1J de luz verde que em 1 J de luz
azul.
c)Existem mais fótons em 1 J de luz azul que em 1 J de luz verde e
existem mais fótons em 1 J de luz vermelha que em 1 J de luz azul.
d)Existem mais fótons em 1 J de luz verde que em 1J de luz azul e
existem mais fótons em 1J de luz verde que em 1J de luz vermelha.
e)Existem mais fótons em 1 joule de luz vermelha que em 1 joule
de luz azul e existem mais fótons em 1 joule de luz azul que em 1
joule de luz verde.
Resolução
A energia total associada a n fótons de
freqüência f e dada por:
E = n hf
Para a mesma energia E, o numero de fótons é
inversamente proporcional a sua freqüência f
n=_E_
hf
sendo:
f azul > f verde > f vermelha
Resulta: n azul < n verde < n vermelha
Resposta: Alternativa B
02) (UFSC) Assinale a(s) proposição(ões) correta(s):
01.A luz, em certas interações com a matéria, comporta-se como
uma onda eletromagnética; em outras interações, ela se com
porta como partícula, como os fótons no efeito fotoelétrico.
02.A difração e a interferência são fenômenos que somente
podem ser explicados satisfatoriamente por meio do
comportamento ondulatório da luz.
04.0 efeito fotoelétrico somente pode ser explicado satisfatoriamente quando consideramos a luz formada por partículas, os
fótons.
08.0 efeito fotoelétrico e conseqüência' do comportamento
ondulatório da luz.
16.Devido a alta freqüência da luz violeta, o "fóton violeta" e mais
energético do que o "fóton vermelho".
Dê como resposta a soma dos números associados as proposições corretas.
Resolução
(01)VERDADEIRA. O efeito fotoelétrico e
uma das principais
evidencias do comportamento
corpuscular da luz.
(02)VERDADEIRA.
(04)VERDADEIRA. Explicação dada por
Einstein e que Ihe valeu o premio Nobel
de Física.
(08)FALSA.
(16)VERDADEIRA. E = h f, quanto maior a
freqüência da luz maior e a energia
associada a seu fóton.
03) (PUC-RS-2001) O dualismo onda-partícula refere-se
a características corpusculares presentes nas ondas
luminosas e a características ondulatórias presentes no
comportamento de partículas, tais como elétrons. A
Natureza nos mostra que características corpusculares
e ondulatórias não são antagônicas mas, sim,
complementares. Dentre os fenômenos listados, o único
que não está relacionado com o dualismo ondapartícula é:
a) o efeito fotoelétrico.
b) a ionização de átomos pela incidência de luz.
c) a difração de elétrons.
d) o rompimento de ligações entre átomos pela
incidência de luz.
e) a propagação, no vácuo, de ondas de rádio de
freqüência média.
Concepções de luz na física moderna.
Semana 2
O Efeito Fotoelétrico
Material adaptado do Original elaborado
por: Prof.: Dr. Marcelo Rosella
Histórico
• Hertz descobre o efeito fotoelétrico, em
que a luz, quando incide em metais
arranca elétrons desses metais.
Heinrich Rudolf Hertz
1857 - 1894
Efeito Fotoelétrico
Luz: PARTICULAS OU ONDAS?
• Explicação da emissão instantânea dos
fotoelétrons no efeito fotoelétrico.
• Explicável se a luz fosse constituída de
partículas que transferissem energia durante as
colisões com os elétrons.
• A teoria ondulatória da luz não explica o efeito
fotoelétrico! Pois não estabelece nenhuma
relação entre a freqüência de uma onda e a
energia que ela transporta.
Max Planck (1838 – 1947)
• Formulou a hipótese do “pacote” ou
“quantum” de energia.
• A energia não varia continuamente, mas em
pacote ou quantum de energia: E = h.f, ou
seja, a energia se manifesta em quantidades
que são sempre um múltiplo de uma certa
quantidade muito pequena, um pacote de
energia ou quantum de energia
• h = 6,63x10-34 J.s = constante de Planck
• f = freqüência da radiação
Einstein (1879 – 1955)
• Em 1905, Einstein explica o Efeito Fotoelétrico.
• Postula que a luz é composta de “partículas de
radiação” ou “pulsos eletromagnéticos”
chamados “fótons”
• Fótons não têm massa.
• Fótons são “partículas” de energia.
• Luz é energia pura!
• Efoton = h.f.
• A energia cinética máxima dos fotoelétrons é
proporcional à frequência da luz e não
depende da intensidade desta.
Função Trabalho
• Explicação de Einstein para o Efeito
Fotoelérico.
• Energia do fotoelétron E = h.f – 
•  = energia para vencer a barreira de
potencial. Depende do material
Níveis energéticos para o átomo
Lâmpada fluorescente
1a Fase: radiação átomo de Hg
Excitação e Des-excitação dos átomos de Hg
Na Des-excitação
os átomos de Hg emitem grande quantidade de fótons de radiação
ultravioleta
(alta freqüência e não visíveis)
Lâmpada fluorescente
2a Fase: excitação e des-excitação
FLUORESCÊNCIA
A “excitação” dos átomos de fósforo é feita por fótons ultravioletas
emitidos por átomos de Hg
A “des-excitação”
dos átomos de fósforo
ocorre em forma de “escada”.
fluorescência
A fluorescência do fósforo transforma
a radiação ultravioleta (não visível) em luz.l
Lâmpada fluorescente
Animação