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André Luiz MalvezziDepartamento de FísicaFaculdade de Ciências
UNESP - Bauru
André Luiz MalvezziDepartamento de FísicaFaculdade de Ciências
UNESP - Bauru
A Revolução da Física ModernaA Revolução da Física Moderna
Outubro - 2009 Outubro - 2009
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2005: Ano Internacional da Física2005: Ano Internacional da Física
Aniversário de 100 anos do ano miraculoso de Einstein
Aniversário de 100 anos do ano miraculoso de Einstein
Publicou cinco artigos extraordinários, que apareceram na prestigiosa revista
alemã Annalen der Physik
Publicou cinco artigos extraordinários, que apareceram na prestigiosa revista
alemã Annalen der Physik
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Física Clássica
Física Clássica
As leis da Mecânica de Isaac Newton (1642-1727)
As leis da Mecânica de Isaac Newton (1642-1727)
As leis da Eletrodinâmica de James Clerk Maxwell (1831-1879)
As leis da Eletrodinâmica de James Clerk Maxwell (1831-1879)
As leis da Termodinâmica e a Teoria Cinética dos Gases
As leis da Termodinâmica e a Teoria Cinética dos Gases
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As duas categorias de fenômenos em Física ClássicaAs duas categorias de fenômenos em Física Clássica
Partículas:Partículas:
Ondas:Ondas:
Pequenos objetos com massa definida.
Obedecem as Leis de Newton.
Pequenos objetos com massa definida.
Obedecem as Leis de Newton.
Se estendem através do espaço.
Transportam energia mas não massa.
Interferem entre si.
Se estendem através do espaço.
Transportam energia mas não massa.
Interferem entre si.
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“Atualmente pairam apenas duas pequeninas nuvens cinzentas
sobre o céu cristalino da Física”
Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society -
Abril 1900
“Atualmente pairam apenas duas pequeninas nuvens cinzentas
sobre o céu cristalino da Física”
Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society -
Abril 1900
“Atualmente pairam apenas duas pequeninas nuvens cinzentas
sobre o céu cristalino da Física”
Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society -
Abril 1900
“Atualmente pairam apenas duas pequeninas nuvens cinzentas
sobre o céu cristalino da Física”
Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society -
Abril 1900
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A radiação térmicaA radiação térmica
É a radiação eletromagnética emitida por um objeto devido à
sua temperatura.
É a radiação eletromagnética emitida por um objeto devido à
sua temperatura.
Teoria clássica do eletromagnetismo
Teoria clássica do eletromagnetismo
Temperatura T e freqüência f maioresTemperatura T e freqüência f maiores
Todo corpo incandescente deveria ser branco
Todo corpo incandescente deveria ser branco
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Representação esquemática da produção de ondas eletromagnéticas pelo elétron oscilante.
Representação esquemática da produção de ondas eletromagnéticas pelo elétron oscilante.
A radiação térmica
A radiação térmica
Produzida pelos elétrons oscilantes na superfície do material
Produzida pelos elétrons oscilantes na superfície do material
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O nascimento da teoria Quântica: os quanta de Planck(1900)
O nascimento da teoria Quântica: os quanta de Planck(1900)
A energia E de um quantum é proporcional à freqüência f da radiação térmica emitida.
A energia E de um quantum é proporcional à freqüência f da radiação térmica emitida.
E = h.fE = h.f
h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planckh = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck
A energia dos elétrons que produzem a radiação térmica é constituída de pacotes discretos, chamados quanta (plural de quantum).
A energia dos elétrons que produzem a radiação térmica é constituída de pacotes discretos, chamados quanta (plural de quantum).
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Hz6,1L
g
2π
1f Hz6,1
L
g
2π
1f
Exemplo: quantização do pêndulo simplesExemplo: quantização do pêndulo simples
amplitude = 20o com a verticalamplitude = 20o com a vertical
m = 0,01 kgm = 0,01 kg
Energia total = mgh = 6 x 10-4 JEnergia total = mgh = 6 x 10-4 J
L = 0,1 mL = 0,1 m
quantum = E = h.f = 6,63 x 10-34. 1,6 = 10-33 Jquantum = E = h.f = 6,63 x 10-34. 1,6 = 10-33 J
ΔE/E = 2 x 10-30 !!!!ΔE/E = 2 x 10-30 !!!!
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O efeito fotoelétricoO efeito fotoelétrico
A luz ejeta elétrons de diversas superfícies metálicas.A luz ejeta elétrons de diversas superfícies metálicas.
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Exemplo de aplicação do efeito fotoelétrico
Exemplo de aplicação do efeito fotoelétrico
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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 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 que é observado experimentalmente?
O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa luz vermelha.
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 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.
A energia máxima dos elétrons ejetados não é afetada pela intensidade da luz, mas depende da freqüência.
Características do efeito fotoelétrico
Características do efeito fotoelétrico
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A energia radiante está quantizada em pacotes
concentrados, os fótons.
A energia radiante está quantizada em pacotes
concentrados, os fótons.
A teoria quântica da luz: Einstein e o fóton (1905)A teoria quântica da luz: Einstein e o fóton (1905)
A energia E de cada fóton é dada pela fórmula de Planck:
E = h.f
A energia E de cada fóton é dada pela fórmula de Planck:
E = h.f
ondaonda
emissão ou absorção
emissão ou absorção
fótonfóton
partículapartícula
propagaçãopropagação
dualidadedualidade
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A dualidade onda-partícula da luzA dualidade onda-partícula da luz
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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 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.
Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quânticaEfeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica
luz menos intensa
luz menos intensa
menos energi
a
menos energi
a
demora mais para ejetar o
elétron
demora mais para ejetar o
elétron
Clássica
Quânticaenergia
chega em pacotes
energia chega em pacotes
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Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quânticaEfeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica
energia da luz não depende da freqüência (cor)
energia da luz não depende da freqüência (cor)
Clássica
Quântica energia da luz é proporcional à
freqüência (E=h.f)
energia da luz é proporcional à
freqüência (E=h.f)
O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa
luz vermelha.
O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa
luz vermelha.
freqüência maior
freqüência maior
mais fácil ejetar os elétrons
mais fácil ejetar os elétrons
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Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quânticaEfeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica
Clássica
Quânticaluz mais intensa
luz mais intensa
A quantidade de elétrons ejetados
por segundo é proporcional à
intensidade da luz.
A quantidade de elétrons ejetados
por segundo é proporcional à
intensidade da luz.
mais fótons
mais fótons
luz mais intensa
luz mais intensa
mais energi
a
mais energi
a
mais elétrons
mais elétrons
mais elétrons
mais elétrons
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Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quânticaEfeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica
freqüência maior
freqüência maior
Clássica
Quântica
A energia máxima dos elétrons ejetados não é
afetada pela intensidade da luz, mas depende da
freqüência.
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)
energia da luz não depende da freqüência (cor)
energia é proporcional à freqüência (E=h.f)
energia é proporcional à freqüência (E=h.f)
elétrons mais energéticos
elétrons mais energéticos
energia é proporcional à intensidade:energia é proporcional à intensidade:
maior intensidade
maior intensidade
elétrons mais energéticos
elétrons mais energéticos
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Louis de Broglie e a dualidade onda-partícula (1924)Louis de Broglie e a dualidade onda-partícula (1924)
Toda partícula material tem associada a ela uma onda de matéria que governa seu movimento.
Toda partícula material tem associada a ela uma onda de matéria que governa seu movimento.
Partícula de massa m e velocidade v
Partícula de massa m e velocidade v vm
h
.
Comprimento de onda da onda de matéria
associada à partícula.
Comprimento de onda da onda de matéria
associada à partícula.
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bala com massa m = 0,02 kg e velociadade v = 330 m/s
bala com massa m = 0,02 kg e velociadade v = 330 m/s
Exemplos: bala x elétronExemplos: bala x elétron
λ = 10-34 mλ = 10-34 m
Elétron a 2% da velocidade da luz
Elétron a 2% da velocidade da luz λ = 10-10 mλ = 10-10 m
Microscopia eletrônica
Microscopia eletrônica
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O princípio da complementaridade de BohrO 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.
No nível quântico, ambos os aspectos, o corpuscular e o ondulatório, são necessários para uma descrição completa do sistema estudado.
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O princípio da incerteza de Heisenberg (1927)
O princípio da incerteza de Heisenberg (1927)
O ato de medir algo afeta a própria quantidade que está sendo medida.
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.
É impossível medir simultaneamente e com precisão arbitrária a posição e a
velocidade de uma partícula.
Natureza probabilísticaNatureza probabilística
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Mecânica QuânticaMecânica Quântica
E = h.fE = h.f
h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planckh = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck
Quantum de energia
Quantum de energia
Dualidade onda-partículaDualidade onda-partícula Princípio da complementaridade
Princípio da complementaridade
Natureza probabilística
Natureza probabilísticaPrincípio da IncertezaPrincípio da Incerteza
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Einstein e a Teoria Especial da Relatividade (1905)
Einstein e a Teoria Especial da Relatividade (1905)
Mecânica de Newton
Mecânica de Newton
Leis físicas não dependem do movimento do
observador
Leis físicas não dependem do movimento do
observador
Eletromagnetismo de Maxwell
Eletromagnetismo de Maxwell
Não existe um referencial absoluto
Não existe um referencial absoluto
Leis físicas dependem do movimento do
observador
Leis físicas dependem do movimento do
observador
O éter é o referencial absoluto
O éter é o referencial absoluto
?
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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.
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?
Como pareceria um feixe luminoso se você estivesse se deslocando lado a lado com ele?
Os Postulados Teoria Especial da RelatividadeOs 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.
Todas as leis da natureza são as mesmas em todos os sistemas de referência que se movam
com velocidade uniforme.
c ~ 300.000.000 m/s = 300.000 km/sc ~ 300.000.000 m/s = 300.000 km/s
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Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade
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.
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.SimultaneidadeSimultaneidade
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Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade
Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade
Dilatação TemporalDilatação Temporal
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Cálculo da dilatação temporalCálculo da dilatação temporal
2
2
1
1
cv
2
2
1
1
cv
t = γ t0
t = γ t0
tempo próprio
tempo próprio
tempo relativo
tempo relativo
fator de Lorentz
fator de Lorentz
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A viagem do gêmeoA viagem do gêmeo
v = 0v = 0
v = 0,5.cv = 0,5.c
v = 0,87.cv = 0,87.c
t = t0 t = t0
t = 1,15.t0 t = 1,15.t0
t = 2.t0 t = 2.t0
v = 0,995.cv = 0,995.c t = 10.t0 t = 10.t0
0v 1
cv 1
Quão viáveis são as viagens espaciais longas?
Quão viáveis são as viagens espaciais longas?
Quão viáveis são as viagens espaciais longas?
Quão viáveis são as viagens espaciais longas?
2
2
1
1
cv
2
2
1
1
cv
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Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade
Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade
Adição de VelocidadesAdição de Velocidades2
21
21
.1
cvvvv
V
v1 = 0,5.c
v2 = 0,5.c
v1 = 0,5.c
v2 = 0,5.c
cc
cc
ccV
25,1.25,01
.5,0.5,0
2
2
21,vv
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Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade
Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade
Contração do Comprimento
Contração do Comprimento
0LL 1
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Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade
Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade
E = m0 .c2E = m0 .c2Conservação do momento linear
Conservação do momento linear
massa relativística
massa relativística
0.mm
energia de repouso
energia de repousomassa de
repouso
massa de repouso
m0 = 1 gramam0 = 1 grama E = 9 x 1013 JE = 9 x 1013 J28.500
lâmpadas de 100 W acessas por um ano!!
28.500 lâmpadas de
100 W acessas por um ano!!
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massamassa energiaenergia
Acender palito de fósforoAcender palito de fósforo
Xícara de café quenteXícara de café quente
Relógio de cordaRelógio de corda
Energia nuclearEnergia nuclear
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PostuladosPostulados
Teoria Especial da RelatividadeTeoria Especial da Relatividade
Não há referenciais absolutosNão há referenciais absolutos
A velocidade da luz é constanteA velocidade da luz é constante
c ~ 300.000 km/sc ~ 300.000 km/sConseqüências:Conseqüências:
SimultaneidadeSimultaneidade Dilatação TemporalDilatação Temporal Contração do Comprimento
Contração do Comprimento
E = m0 .c2E = m0 .c2massamassa energiaenergia
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Movimento browniano
Movimento browniano
Radiação térmica
Radiação térmica
“A eletrodinâmica dos corpos em movimento”
“A eletrodinâmica dos corpos em movimento”
A Revolução da Física ModernaA Revolução da Física Moderna
EletromagnetismoEletromagnetismo
MecânicaMecânica TermodinâmicaTermodinâmica
RelatividadeRelatividade Mecânica Quântica
Mecânica Quântica
Mecânica Estatística
Mecânica Estatística