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FísicaQuân,ca–Aula1
FísicaIV,teoriaProfessoraHelenaMalbouisson
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OqueéFísicaQuân,ca?• Tambémconhecidacomomecânicaquân+caeteoriaquân+ca;
• Éoestudodomundomicroscópico;
• Nomundomicroscópico,muitasgrandezasKsicasnãosãoconMnuas,masquan%zadas,i.e.,sãoencontradasapenasemmúl,plosinteirosdeumaquan,dadeelementar,oquantum;
• Exemplodequan,zaçãononossodia-a-dia:umCD(asfaixasdesomsãodiscretas,contrariamenteaoLPondeas“faixas”desomsãoconMnuas).
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conMnuo
Discreto,quan,zado
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OFóton,oQuantumdeluz• PropostadeEinsteinde1905:aradiaçãoeletromagné,caéquan,zadaeaquan,dadeelementardeluzéofóton.
• Fóton:mediadordasinteraçõeseletromagné,cas(teoriaquân,cadecampos).
• Umfótontemumaenergiadadapor:E=hf
ondehéconhecidacomoconstantedePlanck:h=6,63x10-34J.s=4,14x10-15eV.s
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• Amenorenergiaqueumaondaluminosadefrequênciafpodepossuiréhf(energiadeumúnicofóton);– Seaondapossuiumaenergiamaior,essadeveserummúl,plodehf.
• Einsteinpropôsaindaquealuzemi+daouabsorvidaporumcorpoocorreanívelatômico;
– Quandoumfótondeenergiahféaborvidoporumátomo,aenergiahfdofótonétransferidaparaoátomo.
– Quandoumfótondefrequênciaféemi%doporumátomo,umaenergiahfétransferidaparaofóton.
• Emtodoeventodeabsorçãoouemissão,avariaçãodeenergiaésempreigualàenergiadofóton.
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OEfeitoFotoelétrico• Noefeitofotoelétrico,elétronssãoemi%dospelamatéria(metal,
sólidosnãometálicos,gasesoulíquidos),comoconsequênciadaabsorçãodeenergiadaradiaçãoeletromagné%ca(fótons);– Esseselétronssãochamadosdefotoelétrons.
• DescobertoporHeinrichHertz1887;• Vamosanalisardoisexperimentosqueenvolvemoefeito
fotoelétrico,ambosusandoamontagemabaixo:
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• LuzdefrequênciafincidenoalvoT,ejetandoelétrons(fotoelétrons);
• ElétronsejetadossãorecolhidospelocoletorC,devido`adiferençadepotencialman,daentreoalvoTeocoletor;
• Oselétronssemovemnocircuitoformandoumacorrenteelétricai(correntefotoelétrica,indicadanafigura);
• Bateriaseresistorvariávelsãousadosparaproduzireajustaradiferençadepotencial.
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Primeiroexperimentodoefeitofotoelétrico• AoatravessarumadiferençadepotencialVnega,va,oselétronsejetados
perdemenergia;Experimento:1. AumentarVnega,voatéqueacorrentefotoelétricasejanulaè
potencialdecorte,Vcorte;2. QuandoV=Vcorte,osfotoelétronsmaisenergé,cossãode,doslogo
antesdechegarnocoletorèsuaenergiaciné,camáximaédadapor:Kmáx=eVcorte,
Ondeeéacargaelementar.
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• Experimentosmostramqueparaumaluzdemesmafrequênciaf,ovalordeKmáxnãodependedaintensidadedaluzincidentenoalvo;
• IssonãopodeserexplicadopelaFísicaClássica;• NaFísicaClássica,aluzéumaondaeletromagné,caèquantomaioraamplitudedaonda
(intensidadedaluz),maioraenergiadestaèmaioraenergiadoselétronsejetados.Masnãoéissoqueacontece!
• Paraumadadafrequênciaf,aenergiamáximadoselétronsemi,dospeloalvoésempreamesma;
• Sepensarmosemtermosdefótons:aenergiamáximaqueumelétronejetadopodeobteréaenergiadeumúnicofóton.Aoaumentarmosaintensidadedaluz,aumentamosonúmerodefótons,masaenergiadecadafóton(E=hf)con,nuaamesma.èdualidadeonda-parCcula!
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Segundoexperimentodoefeitofotoelétrico
• ConsisteemmediropotencialVcorteparaváriasfrequênciasfdaluzincidente;• Oresultadoob,doestámostradoabaixo:
• Oefeitofotoelétriconãoéobservadoseafrequênciadaluzformenorqueumcertovalorcrí,co,umacertafrequênciadecortef0,ouequivalentemente,comprimentodeondadecorte,λ0=c/f0;
• Oresultadonãodependedaluzincidente.
• OresultadoacimanãopodeserexplicadopelaFísicaClássica:sealuzsecomportasseapenascomoondateriaenergiasuficienteparaejetarelétrons,independentedasuafrequência,contantoque,vesseumaintensidadesuficientementegrande.Masissonãoacontece!
• Sepensarmosemtermosdefóton:• Oselétronssemantêmfixosaoalvoporumaforçaelétricaexercidasobreeles;• Paraselivraremdessaforça(seremejetados),necessitamdeumacertaenergia
mínimaΦ,quedependedomaterialdoalvo;• Essaenergiamínimarecebeonomedefunçãotrabalho;• Quandohf>Φèoelétronescapadoalvo.Quandohf<Φèoelétronnãopode
escapar.
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AEquaçãodoEfeitoFotoelétrico
Einsteinresumiuosresultadosdosexperimentosdoefeitofotoelétriconaseguinteequação:
hf=Kmáx+Φ(equaçãodoefeitofotoelétrico)
• AequaçãoacimaéaaplicaçãodaleideconservaçãodeenergiaàemissãofotoelétricaporumalvocomumafunçãotrabalhoΦ;
• Aenergiadoelétronejetadodeveserigualàdofótonincidente;• Oelétronnecessitadeumacertaenergia(Φ)paraescapardoalvo.Adiferençadeenergia(hf
-Φ)seráadquiridaemenergiaciné,ca.
• Subs,tuindoKmaxemfunçãodeVcorte,temos:
hf=eVcorte+ΦèeVcorte=hf–Φè Vcorte=(h/e)f–(Φ/e)
Como(h/e)e(Φ/e)sãoconstantes,Vcortetemumadependêncialinearcomafrequênciaf,comovimosnográficoanterior.Exercício:Calculehapar,rdográficonoslideprecendente.Sabemosqueainclinaçãodareta,a,deveserdadapora=(h/e)ècalculamosainclinaçãoapar,rdográficoecomissoderteminamosh=a*e.
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FísicaQuân,ca–Aula2• Naaulapassadavimos:– OqueéKsicaquân,ca;– Oefeitofotoelétrico:
• Vcorte;• Funçãotrabalho,Φ;• Aequaçãodoefeitofotoelétrico:hf=eVcorte+Φ•
• Naauladehojeveremos:– OsFótonspossuemmomento;– OdeslocamentoCompton;– ALuzcomoumaondadeprobabilidade.
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