FÍSICA
3ª SÉRIE
FÍSICA MODERNA; ÓPTICA: CONCEITOS DE FÍSICA QUÂNTICA I
OBJETIVO
Conhecer de forma introdutória o que é a Física Quântica assim como o conceito de corpo negro.
O QUE PRECISAREMOS SABER PARA ESTA AULA?
É possível?
Imagine que você está em um grande estacionamento procurando seu carro, mas sempre que você tenta observá-lo, ele altera sua posição e você não consegue identificar com precisão em qual vaga ele está.
É possível esse tipo de experiência fazer parte da realidade?
Em escala subatômica é mais ou menos isso que acontece!
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UM POUCO DE HISTÓRIA
Vimos algumas aulas atrás que no começo do século XX acreditava-se que a Física Clássica já era capaz de explicar os fenômenos observados, havendo muito pouco a ser descoberto.
Mas ainda assim haviam problemas a serem resolvidos:
A Física Quântica se iniciou com os trabalhos de Max Plank, tentando explicar a curva relativa à radiação de corpo negro. Einstein também teve participação importante!
UM POUCO DE HISTÓRIA
Além de Plank, diversos outros cientistas tiveram papel importante na etapa inicial desse capítulo da Física. Entre eles podemos citar Bhor, Einstein, Heisenberg, de Broglie e muitos outros, sendo quase boa parte honrada com o Prêmio Nobel de Física em alguma parte de suas carreiras.
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Foto da Conferência de Solvay em 1927. Uma das fotos de maior QI somado da história!
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O QUE É A FÍSICA QUÂNTICA?
É uma teoria que descreve fenômenos atômicos e subatômicos, isto é, fenômenos em dimensões muitíssimo reduzidas.
Coisas comuns e observáveis no dia-a-dia são completamente diferentes nesse micromundo que até desafiam a visão de senso comum e, nessas dimensões muito pequenas as leis da Mecânica Clássica não se encaixam para explicar os fenômenos que ocorrem, exigindo novas leis para isso.
O QUE É A FÍSICA QUÂNTICA SEGUNDO JOSÉ IGNACIO LATORRE
Como que a gente consegue enxergar um carro estacionando na rua?
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Uma partícula de luz, chamada fóton, proveniente do Sol ou outra fonte luminosa, bate no carro, ricocheteia e atinge nossos olhos.
Se não fosse isso, não seria possível enxergar o carro ou qualquer outra coisa!
O QUE É A FÍSICA QUÂNTICA SEGUNDO JOSÉ IGNACIO LATORRE
Mas, e se ao invés de um fóton, batesse no carro um outro carro, a gente enxergaria o veículo estacionado do mesmo modo?
Com certeza o carro ou amassaria e/ou seria deslocado para outra posição, impedindo que fosse possível enxerga-lo como é de verdade e na posição original que estava.
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E qual a relação disso com a Física Quântica?
O QUE É A FÍSICA QUÂNTICA SEGUNDO JOSÉ IGNACIO LATORRE
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Com um elétron é quase como se fosse a mesma coisa. Por ter uma massa infinitamente pequena, ao entrar em contato com o fóton, é gerada uma alteração incontrolável.
No mundo quântico, quando tente medir algo, também modifica essa medida! Então não é possível encontrar uma posição exata, mas sim uma probabilidade de uma partícula estar em algum lugar.
ATIVIDADE
Relacione situações em escala subatômica tentando imaginar o que acontece com prótons, elétrons e nêutrons (ou outra partícula subatômica que você conheça), elabore duas perguntas e peça para um de seus colegas responder.
Tente organizar tanto as perguntas ou as respostas focando no que você acredita que pode ser realidade, ignorando situações de ficção!
Ao fim da aula elenque no quadro (físico ou virtual) quais perguntas e respostas realmente têm sentido e quais não tem na Física Quântica. (Atividade para 20 minutos!)
POSSÍVEL RESOLUÇÃO
Levando em conta o que se viu nos slides anteriores, entre as possíveis respostas devem estar o fato da física quântica focar em estudar aquilo que é muito pequeno e está em escala subatômica. Provavelmente algum aluno consiga enxergar, baseado no que acabar se lembrando das aulas de física e química durante o ensino médio, que ao receber energia, um elétron altera sua posição ao receber luz, impossibilitando determinar sua exata localização na eletrosfera. É importante enfatizar que, diretamente falando, a Física Quântica, embora cause impactos na noção de realidade, não tem nada tem a ver com terapias sobrenaturais.
RADIAÇÃO DE CORPO NEGRO
Existe uma relação entre o aquecimento de corpos e sua emissão de radiação?
Sempre que um corpo é aquecido, ele emite radiações em várias frequências, as quais podem ser associadas cores diferentes.
A intensidade e frequência dessas radiações dependem da temperatura que o corpo se encontra e de sua composição.
Para estudar esse tipo de radiação utilizamos o corpo negro, que é um objeto teórico capaz de absorver e emitir toda a radiação que reflete sobre ele de forma contínua.
RADIAÇÃO DE CORPO NEGRO
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Um corpo negro pode ser representado como uma cavidade com um orifício. A radiação emitida por seu interior depende da temperatura.
ATIVIDADE - MÃO NA MASSA
Vamos construir um espectroscópio?
Como que é possível identificar a composição da atmosfera de um planeta distante sem a possibilidade de coletar amostras?
Materiais:
ATIVIDADE - MÃO NA MASSA
Procedimentos:
I – Cubra com fita adesiva a parte do CD onde está a identificação do fabricante, deixando o disco transparente;
II – Corte o CD em oito partes iguais como se fosse uma pizza;
III – Descole a fita do CD e perceba que a tinta irá sair, deixando as faces transparentes. Evite tocar com os dedos;
IV – Faça um orifício quadrado em uma das pontas da caixa de creme dental, de forma que caiba um pedaço cortado do CD;
ATIVIDADE - MÃO NA MASSA
V - Coloque o pedaço do CD no orifício e o fixe com a fita isolante, como na figura.
VI - Na outra ponta da caixa, faça um corte reto bem fino, de 1 mm, e cubra o resto com fita isolante para vedar a passagem de luz.
Aponte o corte fino para o objeto que deseja olhar e observem-no.
A esquerda temos a fenda e à direita temos o CD transparente colado.
ATIVIDADE - MÃO NA MASSA
Aponte o espectroscópio para diversas lâmpadas, céu ou tipos de luzes que tiver disponíveis e veja o desenho que se forma e responda.
a) As imagem obtida muda de cor em relação à cor original da luz observada?
b) O desenho da imagem é contínuo? Há falhas?
c) Luzes de materiais diferentes geram espectros diferentes?
RESOLUÇÃO
a) A luz difrata quando passa pelo recorte e pelo recorte do CD, dividindo-se em um espectro de cores.
b) São observadas falhas entre as cores, logo o desenho não é contínuo.
c) A intensidade das cores observadas depende do material da fonte emissora de luz, alterando cores e suas intensidades. Com esse método é possível identificar a composição da atmosfera de planetas distantes em comparação com experimentos de espectroscopia realizados aqui na Terra.
O QUE VIMOS HOJE?
Foi mostrado que a Física Quântica serve para estudar o que é muito pequeno já que as leis físicas que regem a Mecânica Clássica não funcionam em escalas subatômicas.
Corpo negro é um objeto hipotético para estudar radiações
BARRETO F, Benigno. SILVA, Claudio. Física aula por aula: eletromagnetismo, Física moderna 3º ano. 3ª Ed. São Paulo: FTD, 2016.
BONJORNO e vários autores. Física: Eletromagnetismo, Física Moderna, 3º ano. Vol 3. 3ª ed. São Paulo: FTD, 2016.
MARTINI, Glorinha. SPINELLI, Walter. REIS, Hugo C. SANT’ANNA, Blaidi. Conexões com a Física. Vol 3. 3ª Edição. São Paulo: Moderna, 2016.
PIETROCOLA, M. POGIBIN, A. ANDRADE, R. ROMERO, T. Física em Contextos. Vol 3. São Paulo: Ed do Brasil, 2016.
YAMAMOTO, K. FUKE, L. F. Física para o Ensino Médio, eletricidade e física moderna. Vol 3. São Paulo: Saraiva, 3ª edição – 2013.
BBC News Brasil. O que é e para que serve a Física Quântica. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=AYXzh5Toguc>. Acesso em 03 de julho de 2021.
HELERBROCK, Rafael. "O que é física quântica?"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-fisica-quantica.htm. Acesso em 24 de agosto de 2021.
REFERÊNCIAS