André Luiz Malvezzi Departamento de Física Faculdade de Ciências UNESP - Bauru

1. A Revolução da Física Moderna André Luiz MalvezziDepartamento de FísicaFaculdade de CiênciasUNESP - Bauru Outubro - 2009

2. 2005: Ano Internacional da Física Aniversário de 100 anos doano miraculosode Einstein Publicou cinco artigos extraordinários, que apareceram na prestigiosa revistaalemã Annalen der Physik

3. As leis da Mecânica de Isaac Newton (1642-1727) Física Clássica As leis da Eletrodinâmica de James Clerk Maxwell (1831-1879) As leis da Termodinâmicae aTeoria Cinética dos Gases

4. As duas categorias de fenômenos em Física Clássica Pequenos objetos com massa definida.Obedecem as Leis de Newton. Partículas: Se estendem através do espaço.Transportam energia mas não massa.Interferem entre si. Ondas:

5. “Atualmente pairam apenas duas pequeninas nuvens cinzentas sobre o céu cristalino da Física”Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society - Abril 1900 “Atualmente pairam apenas duaspequeninas nuvens cinzentas sobre o céu cristalino da Física”Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society - Abril 1900

6. A radiação térmica É a radiação eletromagnética emitida por um objeto devido à sua temperatura. Temperatura T e freqüência fmaiores Todo corpo incandescente deveria ser branco Teoria clássica do eletromagnetismo

7. A radiação térmica Produzida pelos elétrons oscilantes na superfície do material Representação esquemática da produção de ondas eletromagnéticas pelo elétron oscilante.

8. O nascimento da teoria Quântica: os quanta de Planck(1900) A energia dos elétrons que produzem a radiação térmica é constituída de pacotes discretos, chamados quanta (plural de quantum). A energia Ede um quantum é proporcional à freqüência f da radiação térmica emitida. E = h.f h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck

9. Exemplo: quantização do pêndulo simples L = 0,1 m m = 0,01 kg amplitude = 20o com a vertical Energia total = mgh = 6 x 10-4 J quantum = E = h.f = 6,63 x 10-34. 1,6 = 10-33 J ΔE/E = 2 x 10-30 !!!!

10. O efeito fotoelétrico A luz ejeta elétrons de diversas superfícies metálicas.

11. Exemplo de aplicação do efeito fotoelétrico

12. Características do efeito fotoelétrico O tempo de atraso entre o momento em que a luz é ligada e a ejeção dos primeiros elétrons não é afetado pela intensidade ou pela freqüência da luz. O que é observado experimentalmente? O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa luz vermelha. A quantidade de elétrons ejetados por segundo é proporcional à intensidade da luz. A energia máxima dos elétrons ejetados não é afetada pela intensidade da luz, mas depende da freqüência.

13. A teoria quântica da luz: Einstein e o fóton (1905) A energia radiante está quantizada em pacotes concentrados, os fótons. A energia Ede cada fóton é dada pela fórmula de Planck: E = h.f emissão ou absorção propagação fóton partícula onda dualidade

14. A dualidade onda-partícula da luz

15. Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica menos energia Clássica luz menos intensa O tempo de atraso entre o momento em que a luz é ligada e a ejeção dos primeiros elétrons não é afetado pela intensidade ou pela freqüência da luz. demora mais para ejetar o elétron Quântica energia chega em pacotes

16. Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica energia da luz não depende da freqüência (cor) Clássica O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa luz vermelha. Quântica energia da luz é proporcional à freqüência (E=h.f) freqüência maior mais fácil ejetar os elétrons

17. Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica mais energia luz mais intensa Clássica A quantidade de elétrons ejetados por segundo é proporcional à intensidade da luz. mais elétrons Quântica luz mais intensa mais fótons mais elétrons

18. Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica energia é proporcional à intensidade: Clássica maior intensidade elétrons mais energéticos A energia máxima dos elétrons ejetados não é afetada pela intensidade da luz, mas depende da freqüência. energia da luz não depende da freqüência (cor) Quântica energia é proporcional à freqüência (E=h.f) elétrons mais energéticos freqüência maior

19. Louis de Broglie e a dualidade onda-partícula (1924) Toda partícula material tem associada a ela uma onda de matéria que governa seu movimento. Partícula de massa m e velocidade v Comprimento de onda da onda de matéria associada à partícula.

20. Exemplos: bala xelétron bala com massa m = 0,02 kg e velociadade v = 330 m/s λ = 10-34 m Elétron a 2% da velocidade da luz λ = 10-10 m Microscopia eletrônica

21. O princípio da complementaridade de Bohr No nível quântico, ambos os aspectos, o corpuscular e o ondulatório, são necessários para uma descrição completa do sistema estudado.

22. O princípio da incerteza de Heisenberg (1927) O ato de medir algo afeta a própria quantidade que está sendo medida. É impossível medir simultaneamente e com precisão arbitrária a posição e a velocidade de uma partícula. Natureza probabilística

23. Mecânica Quântica Quantum de energia E = h.f h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck Princípio da complementaridade Dualidade onda-partícula Natureza probabilística Princípio da Incerteza

24. Einstein e a Teoria Especial da Relatividade (1905) ? Eletromagnetismo de Maxwell Mecânica de Newton Leis físicas dependem do movimento do observador Leis físicas não dependem do movimento do observador O éter é o referencial absoluto Não existe um referencial absoluto

25. Os Postulados Teoria Especial da Relatividade Todas as leis da natureza são as mesmas em todos os sistemas de referência que se movam com velocidade uniforme. A velocidade de propagação da luz no espaço livre tem o mesmo valor para todos os observadores, não importando o movimento da fonte ou do observador; ou seja, a rapidez de propagação da luz é uma constante. Como pareceria um feixe luminoso se você estivesse se deslocando lado a lado com ele? c ~ 300.000.000 m/s = 300.000 km/s

26. Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade Dois eventos que são simultâneos em um sistema de referência não necessariamente devem ser simultâneos em um sistema que se move em relação ao primeiro. Simultaneidade

27. Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade Dilatação Temporal

28. Cálculo da dilatação temporal fator de Lorentz tempo relativo t = γ t0 tempo próprio

29. A viagem do gêmeo v = 0 t = t0 v = 0,5.c t = 1,15.t0 v = 0,87.c t = 2.t0 Quão viáveis são as viagens espaciais longas? Quão viáveis são as viagens espaciais longas? v = 0,995.c t = 10.t0

30. Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade Adição de Velocidades v1 = 0,5.c v2 = 0,5.c

31. Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade Contração do Comprimento

32. Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade Conservação do momento linear E = m0 .c2 massa relativística energia de repouso massa de repouso 28.500 lâmpadas de 100 W acessas por um ano!! m0 = 1 grama E = 9 x 1013 J

33. massa energia Energia nuclear Acender palito de fósforo Xícara de café quente Relógio de corda

34. Teoria Especial da Relatividade Não há referenciais absolutos Postulados A velocidade da luz é constante c ~ 300.000 km/s Conseqüências: Contração do Comprimento Simultaneidade Dilatação Temporal E = m0 .c2 massa energia

35. A Revolução da Física Moderna Eletromagnetismo “A eletrodinâmica dos corpos em movimento” Mecânica Quântica Radiação térmica Relatividade Mecânica Termodinâmica Movimento browniano Mecânica Estatística