LISTA DE EXERCÍCIOS
Goiânia, ____ de ___________ de 2014
Aluno(a):______________________________________________________________________
Série: 3ª Turma: _______ Código:__|__|__|__|__
Disciplina: Física Professor: Hélio
INTRODUÇÃO À FÍSICA MODERNA
Física Clássica: Física desenvolvida antes de 1900.
Física Moderna: Física desenvolvida de 1900 até os dias atuais.
A Física Moderna apóia-se basicamente em duas teorias:
Teoria dos Quanta (Max Planck) – 1900;
Teoria da Relatividade (Albert Einstein) – 1905.
Teoria dos Quanta
A energia radiante não é emitida (ou absorvida) de modo contínuo, como em geral imaginamos, mas sim em porções descontínuas,
“partículas” que transportam, cada qual, uma quantidade de energia E bem definida. Essas “partículas” de energia foram denominadas fótons. A energia E de cada fóton é denominada quantum (no plural quanta).
O quantum E de energia radiante de frequência f é dado por:
E = h.f (energia de um fóton)
Em que h = 6,63 ∙10
−34j∙s ou h = 4,14∙10
−15eV∙ s é a constante de Planck.
Efeito Fotoelétrico
Quando uma radiação eletromagnética incide sobre a superfície de um metal, elétrons podem ser arrancados dessa superfície. É o efeito fotoelétrico. Os elétrons arrancados são chamados fotoelétrons.
Esse fenômeno foi descoberto por Hertz em 1887
O efeito fotoelétrico de Einstein
A energia dos fótons (hf) é absorvida pelos elétrons do metal que vencem a “barreira” da energia ϕ do mesmo, adquirindo energia cinética na emissão.
Função trabalho ϕ é a energia mínima necessária para um elétron escapar do metal.
A frequência mínima a partir da qual os elétrons escapam do metal é tal que:
Logo:
Gráfico em função da frequência f
tg θ = h O ÁTOMO DE BOHR
O modelo de Bohr aplicado ao átomo de hidrogênio
Para o átomo de hidrogênio, Bohr estabeleceu uma série de postulados que são os seguintes:
1. O elétron descreve órbitas circulares em torno Do núcleo (contendo um único próton), sendo A força de atração eletrostática a força centrí- peta responsável por esse movimento.
2. Apenas algumas órbitas estáveis, bem definidas, denominadas estados estacionários, são permitidas ao elétron. Nelas o átomo não irradia energia, de modo a se conservar a energia total do átomo, sendo então possível aplicar a mecânica clássica para descrever o movimento do elétron.
3. A passagem do elétron de um estado estacionário para outro é possível mediante a absorção ou liberação de energia pelo átomo. A energia do fóton absorvido ou liberado no processo correspondente à diferença entre as energias dos níveis envolvidos. Assim, ao passar de um estado estacionário de energia E para outro de energia E’ (com E’
> E), teremos:
Nessa fórmula, h é a constante
de Planck e f, a frequência do fóton absorvido
4. As órbitas permitidas ao elétron são aquelas em que o momento angular orbital do elétron é um múltiplo inteiro de ћ, onde: ћ = h/2π
Assim, sendo m a massa do elétron; v a velocidade orbital; r o raio da órbita descrita, teremos:
hf E c ( máx )
hf 0
)
.( 0
.)
( h f f
E c máx
hf E
E '
(com n = 1, 2, 3, 4, ...)
Raios das órbitas permitidas:
Energia mecânica do elétron no n-ésimo estado estacionário, expressa em eV.
Níveis de energia de um elétron num átomo de hidrogênio
01 - (ACAFE SC/2013)Em regiões afastadas, as torres de telefonia celular podem ser abastecidas com energia fotovoltaica. Esse modo de geração de energia está baseado no efeito fotoelétrico.
Em relação a esse efeito, analise as afirmações a seguir.
I. A emissão de elétrons por uma superfície metálica atingida por uma onda eletromagnética caracteriza o efeito fotoelétrico.
II. A emissão de fotoelétrons em uma superfície metálica fotossensível ocorre quando a frequência de luz incidente nessa superfície apresenta um valor mínimo, que depende do material.
III. O efeito fotoelétrico só ocorre com a utilização de uma onda eletromagnética na faixa de frequência da luz visível.
IV. A explicação do efeito fotoelétrico está baseada em um modelo corpuscular da luz.
Todas as afirmações corretas estão em:
a) III – IV b) I - II - III c) II - III – IV d) I - II - IV
02 - (UFRN/2013) O Diodo Emissor de Luz (LED) é um dispositivo eletrônico capaz de emitir luz visível e tem sido utilizado nas mais variadas aplicações. A mais recente é sua utilização na iluminação de ambientes devido ao seu baixo consumo de energia e à sua grande durabilidade.
Atualmente, dispomos de tecnologia capaz de produzir tais dispositivos para emissão de luz em diversas cores, como, por exemplo, a cor vermelha de comprimento de onda,
V, igual a 629 nm, e a cor azul, de comprimento de onda,
A, igual a 469 nm.
A energia, E, dos fótons emitidos por cada um dos LEDs é determinada a partir da equação de Einstein E = hf onde h é a constante de Planck, e f é a frequência do fóton emitido.
Sabendo ainda que c = f, onde c é a velocidade da luz no vácuo e , o comprimento de onda do fóton, é correto afirmar que
a) o fóton correspondente à cor vermelha tem menos energia que o fóton correspondente à cor azul, pois sua frequência é menor que a do fóton de cor azul.
b) o fóton correspondente à cor vermelha tem mais energia que o fóton correspondente à cor azul, pois sua frequência é maior que a do fóton de cor azul.
c) o fóton correspondente à cor azul tem menos energia que o fóton correspondente à cor vermelha, pois seu comprimento de onda é maior que o do fóton de cor vermelha.
d) o fóton correspondente à cor vermelha tem mais energia que o fóton correspondente à cor azul, pois seu comprimento de onda é menor que a do fóton de cor azul.
03 - (UNIRG/2013) Atualmente, nos estádios de futebol, os responsáveis pela segurança são instruídos a não permitir a entrada de ponteiras lasers; entretanto, as que causam preocupação são as de cor verde devido à sua potência. Considere que uma dessas ponteiras possui as seguintes características: potência de saída 51 mw e comprimento de onda 528 nm. Considerando-se os dados apresentados, quantos fótons são emitidos por segundo por essa ponteira laser?
Dados: h = 6,6 10
–34J·s c = 3,0 10
8m/s a)1,36 10
17b) 4,08 10
17c) 1,36 10
20d) 4,08 10
2004 - (UDESC/2012) A emissão de elétrons de uma superfície, devido à incidência de luz sobre essa superfície, e chamada de efeito fotoelétrico. Em um experimento um físico faz incidir uma radiação luminosa de frequência f e intensidade I sobre uma superfície de sódio, fazendo com que N elétrons sejam emitidos desta superfície.
Em relação aos valores iniciais f e I, assinale a alternativa que apresenta como devem variar a frequência e a intensidade da luz incidente para duplicar o número de elétrons emitidos:
a) duplicar a frequência e manter a intensidade.
b) manter a frequência e duplicar a intensidade.
c) reduzir a frequência pela metade e manter a intensidade.
d) manter a frequência e quadruplicar a intensidade.
e) a emissão de elétrons independe da frequência e da intensidade da luz incidente.
05 - (UDESC/2005)Em 2005 está sendo comemorado o centenário da publicação dos trabalhos de Albert Einstein sobre o fóton, as dimensões moleculares, a relatividade especial, a relação massa- energia e o movimento browniano. Físico de grande importância para o desenvolvimento da Física Moderna e Contemporânea, Einstein publicou esses e outros trabalhos ao longo de sua carreira. Em 1921, Einstein ganhou o Prêmio Nobel de Física, premiado pelo trabalho:
a) Expressão E mc
2. b) Relatividade Especial.
c) Relatividade Geral. d)Efeito Fotoelétrico.
e) Princípio da Incerteza.
06 - (UEG GO/2012) O efeito fotoelétrico, interpretado corretamente pelo físico Albert Einstein, em 1905, enuncia que uma luz incidente sobre a superfície de determinados metais pode arrancar elétrons dessa superfície por causa da interação entre a radiação e a matéria, caracterizada pela absorção dos fótons e pela liberação de elétrons. A respeito da interpretação de Einstein sobre o efeito fotoelétrico, é CORRETO afirmar:
a) a luz incidente no metal é composta por fótons dotados de uma energia dada pelo comprimento de onda da luz vezes a constante de Planck.
b) existe uma frequência-limite abaixo da qual esse efeito não ocorre, mesmo que se aumente consideravelmente a intensidade da luz incidente sobre o metal.
c) ocorre um espalhamento por um elétron devido à colisão com um fóton de momento linear igual à constante de Planck dividida pelo comprimento de onda da luz.
d) todos os metais possuem a mesma função trabalho, que é responsável pela ejeção dos elétrons cinéticos do metal.
07 - (UDESC/2005) Uma caneta laser tem potência de 1,0 mW e emite uma radiação de comprimento de onda 660 nm (10
9m). O número de fótons emitidos por essa caneta, por segundo, é:
a) 3,3 x 10
15fótons. b) 3,7 x 10
16fótons.
c) 3,7 x 10
15fótons. d) 3,7 x 10
14fótons.
e) 3,3 x 10
14fótons.
r B
n r n ².
²
6
,
13
E n n
08 - (UFJF MG) A respeito do fóton, podemos afirmar que:
a) é o quantum fundamental constituinte da matéria com massa de repouso finita e não nula;
b) é o quantum da radiação eletromagnética com massa de repouso nula;
c) é o quantum fundamental da radiação beta com massa de repouso nula;
d) é o quantum fundamental da radiação alfa com massa de repouso não nula.
09 - (UFMS/2006) Em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr, ao estudar espectros de emissão de determinadas substâncias, propôs um novo modelo para o átomo. A respeito desse modelo atômico, assinale a(s) alternativa(s) correta(s).
01. Os elétrons não se encontram em qualquer posição dentro do átomo, eles giram ao redor do núcleo em órbitas fixas e com energia definida.
02. Os elétrons, ao se movimentarem numa órbita fixa, não absorvem nem emitem energia.
04. Elétrons e prótons encontram-se igualmente distribuídos uniformemente ao longo de uma esfera.
08. Os elétrons movem-se em torno do núcleo numa órbita circular, sob a influência da atração coulombiana entre elétrons e núcleo.
16. Quando um elétron salta de uma órbita mais energética para uma órbita menos energética, ele não emite energia.
10 - (UDESC/2005)Um laser usado para fins médicos emite luz com comprimento de onda de 625 nm (10
9m). A energia de um fóton emitido por esse laser é de:
a) 3,17 J. b) 4,85x10
19J. c)3,17x10
19J.
d) 4,85 J. e) 485 J.
11 - (Unifacs BA/2012)
A figura representa níveis de energia de um elétron em um átomo de hidrogênio, um dos componentes de compostos orgânicos.
Considerando-se a constante de Planck, h, igual a 4,1410
–15eVs e com base nos postulados de Bohr, é correto afirmar:
01. A atração magnética provê a um elétron aceleração centrípeta necessária para girar ao redor do núcleo do átomo de hidrogênio, descrevendo movimento circular variável.
02. A energia cinética do elétron que se encontra no estado estacionário fundamental é igual a 2Fr
B, sendo F a força de atração eletrostática e r
B, o raio de Bohr.
03. A frequência de onda do fóton emitido no retorno do nível 2 para o nível 1 é aproximadamente igual a 2,510
15Hz.
04. A energia absorvida por um elétron, para ionizar o átomo de hidrogênio, é igual a 20,4eV.
05. A energia liberada por átomos de hidrogênio, ao transferir elétrons para o oxigênio na síntese da água, é igual a 13,6eV.
12 - (UEG GO/2013) Em 1905, Albert Einstein publicou vários artigos. Um deles, rendeu-lhe o prêmio Nobel de Física em 1914, o que tratava do efeito fotoelétrico. Com base nesta informação, explique em que consiste o efeito fotoelétrico.
13 - (UFSC/2013) Em um experimento semelhante aos realizados por Hertz, esquematizado na figura abaixo, um estudante de Física obteve o seguinte gráfico da energia cinética (E) máxima dos elétrons
ejetados de uma amostra de potássio em função da frequência (f) da luz incidente.
Com base nas características do fenômeno observado e no gráfico, assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S).
01. O valor da constante de Planck obtida a partir do gráfico é de aproximadamente 4,43 x 10
–15eVs.
02. A função trabalho do potássio é maior que 2,17 eV.
04. Para frequências menores que 5,0 x 10
14Hz, os elétrons não são ejetados do potássio.
08. O potencial de corte para uma luz incidente de 6,0 x 10
14Hz é de aproximadamente 0,44 eV.
16. Materiais que possuam curvas de E (em eV) em função de f (em Hz) paralelas e à direita da apresentada no gráfico possuem função trabalho maior que a do potássio.
32. A energia cinética máxima dos elétrons emitidos na frequência de 6,5 x 10
14Hz pode ser aumentada, aumentando-se a intensidade da luz incidente.
14 - (FUVEST SP/2012) Em um laboratório de física, estudantes fazem um experimento em que radiação eletromagnética de comprimento de onda = 300 nm incide em uma placa de sódio, provocando a emissão de elétrons. Os elétrons escapam da placa de sódio com energia cinética máxima E
c= E – W, sendo E a energia de um fóton da radiação e W a energia mínima necessária para extrair um elétron da placa. A energia de cada fóton é E = h f, sendo h a constante de Planck e f a frequência da radiação. Determine
a) a frequência f da radiação incidente na placa de sódio;
b) a energia E de um fóton dessa radiação;
c) a energia cinética máxima E
cde um elétron que escapa da placa de sódio;
d) a frequência f
0da radiação eletromagnética, abaixo da qual é impossível haver emissão de elétrons da placa de sódio.
NOTE E ADOTE: Velocidade da radiação eletromagnética: c = 3 x 10
8m/s.
1 nm = 10
-9m. h = 4 x 10
-15eV.s.
W (sódio) = 2,3 eV. 1 eV = 1,6 x 10
-19J.
15 - (ITA SP/2012) Considere as seguintes afirmações:
I. As energias do átomo de Hidrogênio do modelo de Bohr satisfazem á relação, E
n= -13,6/n
2eV, com n = 1,2,3,…; portanto, o elétron no estado fundamental do átomo de Hidrogênio pode absorver energia menor que 13,6 eV.
II. Não existe um limiar de frequência de radiação no efeito fotoelétrico.
III. O modelo de Bohr, que resulta em energias quantizadas, viola o princípio da incerteza de Heisenberg.
Então, pode-se afirmar que
a) apenas a II é incorreta. b)apenas a I e II são corretas.
c) apenas a I e III são incorretas.
d) apenas a I é incorreta. e)todas são incorretas.
16 - (UFJF MG/2012) O fenômeno de emissão de elétrons por superfícies metálicas, quando iluminadas por radiação eletromagnética, foi descoberto por Heinrich Rudolf Hertz, em 1887, e ficou conhecido como efeito fotoelétrico. Experimentalmente, observa-se que o efeito fotoelétrico deixa de ocorrer quando uma diferença de potencial apropriada, denominada de potencial frenador V
0, é aplicada na superfície do metal. Em 1905, Albert Einstein conseguiu explicar o efeito fotoelétrico, fazendo a suposição notável de que a energia da luz seja concentrada na forma de pacotes quânticos, denominados fótons. De acordo com a teoria de Einstein, quando um fóton, de energia E = hf , atinge o elétron mais fracamente ligado ao metal, esse elétron absorve toda a energia do fóton e adquire uma energia cinética E
c= eV
0= hf – W
0, onde e é a carga elétrica do elétron, f é a frequência da luz, h é a constante de Planck e W
0é a função trabalho do metal. Essa equação prevê a existência de uma frequência limiar f
l, correspondente a E
c= 0, abaixo da qual o efeito fotoelétrico deixa de ocorrer. Em 1914, Robert Andrews Millikan realizou um experimento sobre o efeito fotoelétrico que comprovou a teoria de Einstein. Nesse experimento, Millikan estudou o comportamento do potencial frenador em função das diferentes frequências da luz incidente em uma amostra de sódio, cujo resultado é mostrado na figura abaixo. Com base no resultado desse gráfico, é CORRETO afirmar que a função trabalho do sódio, em Joules, é:
a)2,910
–19b) 4,410
–19c) 2,910
–14d) 6,610
–34e) 4,410
–3417 - (FCM MG/2012) Os níveis 1, 2, 3 e 4 de energia de um elétron de um átomo estão mostrados na figura abaixo.
Estão mostradas algumas transições P, Q, R e S dos elétrons entre os níveis.
Sobre este fato, foram feitas as seguintes afirmações:
I - A transição Q é a de menor comprimento de onda.
II - A transição S é a de maior frequência de emissão.
III - P e R representam transições de absorção de energia.
Estão CORRETAS:
a) as afirmações I, II e III.
b) apenas as afirmações I e II.
c) apenas as afirmações I e III.
d) apenas as afirmações II e III
18 - (UFRN/2012) Descoberto independentemente pelo russo Alexandre Stoletov, em 1872, e pelo alemão Heirich Hertz, em 1887, o efeito fotoelétrico tem atualmente várias aplicações tecnológicas principalmente na automação eletro mecânica, tais como: portas automáticas, dispositivos de segurança de máquinas e controle de iluminação.
Fundamentalmente, o efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons por superfícies metálicas quando iluminadas por radiação eletromagnética.
Dentre as principais características observadas experimentalmente, destacamos:
1. Por menor que seja a intensidade da radiação causadora do fenômeno, o intervalo de tempo entre a incidência da radiação e o aparecimento da corrente gerada pelos elétrons emitidos é totalmente desprezível, isto é, o efeito é praticamente instantâneo.
2. Para cada superfície metálica específica, existe uma frequência mínima, chamada “frequência de corte”, a partir da qual se verifica o fenômeno.
3. Se a frequência da radiação incidente está abaixo da frequência de corte, mesmo aumentando sua intensidade, não se verifica o fenômeno.
Por outro lado, para frequências da radiação incidente acima da frequência de corte, o fenômeno se verifica para qualquer intensidade.
A Figura representa um dispositivo para o estudo efeito fotoelétrico.
Nela, elétrons são arrancados da superfície emissora, devido à radiação incidente, e acelerados em direção à placa coletora pelo campo elétrico, gerando uma corrente elétrica que é medida pelo amperímetro, A.
Diante do exposto, responda as questões abaixo:
a) Como se explica o comportamento observado no item 1 do texto?
Justifique sua resposta.
b) Como se explica o comportamento observado no item 2 do texto?
Justifique sua resposta.
c) Como se explica o comportamento observado no item 3 do texto?
Justifique sua resposta.
19 - (UEG GO/2012) Um fóton de luz é absorvido por um elétron do átomo de hidrogênio que salta do nível de energia n = 1 para o nível n
= 5. Utilizando o modelo de Bohr e sabendo que a constante de Planck é h = 6,6 x 10
-34Js, determine:
Dado: 1eV = 1,6 x 10
-19J
a) a energia de cada nível eletrônico;
b) a diferença de energia entre os níveis eletrônicos n = 1 e n = 5;
c) a frequência do fóton absorvido.
20 - (UFG GO/2012)O laser é um sistema ótico constituído por um meio oticamente ativo, um cristal, que gera luz a partir de determinadas transições eletrônicas que nele ocorrem. A amplificação da luz ali gerada se vale da interferência, quando esse cristal é colocado em uma cavidade entre dois espelhos. Considerando-se um laser que emite luz vermelha de comprimento de onda 660 nm, em uma cavidade de 3,3 cm, calcule: Dados:
h = 6,6.10
–34Js c = 3,0 x 10
8m/s 1 eV = 1,6 x 10
–19J
a) energia, em elétron-volt, dos fótons emitidos;
b) o número de comprimentos de onda contidos nesta cavidade.
21 - (UFJF MG/2012)
Um feixe de luz laser, de comprimento de onda = 400 nm = 40010
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