Universidade Federal de Pernambuco
Centro Acadêmico do Agreste
Núcleo de Formação de Professores
Laboratório de Física Moderna
Turma F8
História da Física
•
A ciência fervia no início do século 19. Surgiam
novos resultados experimentais e
consequentemente novas explicações e teorias.
•
Produção de raios X, descargas elétricas em
gases, teoria da relaCvidade, corpo negro, efeito
fotoelétrico...
•
Em todas essas discussões cienVficas, os
William Thomson (Lord Kelvin)
(1824 – 1907)
• “Existem duas nuvens negras no horizonte da Física”
Versão do arCgo de 1900:
• “A beleza e claridade da teoria dinâmica, que coloca calor e luz como modos de movimento, está presentemente
obscurecida por duas nuvens. I. A primeira apareceu com a teoria ondulatória da luz, desenvolvida por Fresnel e o Dr. Thomas Young; envolvendo a questão de como pode a Terra mover-‐se através de um
solido elásCco, como o é essencialmente o éter luminífero. II. A segunda é a doutrina de Maxwell-‐Boltzmann sobre a
Nuvens Negras na Física
•
Lorde Kelvin se referia ao resultado negaCvo da
experiência de Michelson e Morley e ao chamado
problema da radiação do corpo negro;
•
As “duas nuvens" nada mais são do que a teoria da
relaCvidade e a mecânica quânCca, os dois pilares da
osica moderna;
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Ao contrário do que muitos propagam, Lorde Kelvin na
verdade parecia estar bem ciente do impasse da osica
clássica na época e deixou para os seus sucessores
Max Planck
(1858 – 1947)
•
Considerado o pai da osica
quânCca e um dos osicos mais
importantes do século XX.
•
Planck foi laureado com o
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Em 1894, ano em que ingressou na Academia
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Dois obstáculos se interpunham à compreensão
do fenômeno. Por um lado, a imagem do mundo
osico vigente se baseava na certeza de que todas
as mudanças de estado ocorrem de forma
absolutamente gradaCva.
•
Uma noção sinteCzada em 1751 na frase "Natura
non facit saltus" – A natureza não dá saltos –, do
botânico sueco Carl von Linné, porém já presente
nas formulações de Aristóteles ou na Lei da
Catástrofe do Ultravioleta
• A radiação emiCda por um corpo devido à sua temperatura échamada radiação térmica. De uma forma geral, a radiação térmica emiCda por um corpo quente depende da composição desse corpo de maneira complexa.
• Contudo, em osica, tratar um problema em sua essência quase
nunca é possível e, por tal moCvo, temos que ser “reducionistas” e realizar aproximações a fim de deixarmos o problema tratável
(modelos).
• Desta forma, transformamos o problema real em outro ideal (que não existe na realidade), pois só assim podemos tratar o problema da radiação térmica emiCda por um corpo.
• Tal idealização, no presente problema, consiste em considerar o corpo como sendo um corpo negro, ou seja, como um corpo cuja superocie absorve toda a radiação térmica que incide sobre ele.
• Além disso, tal corpo emite, sob forma de radiação
Corpo Negro
•
Com base nisso, foi criado o conceito de corpo
• O espectro emiCdo pelo oriocio na cavidade pode ser especificado
em termos de uma densidade de energia (𝜌(𝜐)), definida como a energia conCda em um volume unitário da cavidade à temperatura T, no intervalo de frequência compreendido entre 𝜐 e 𝜐+𝑑𝜐
• O problema da obtenção de uma descrição matemáCca para este
•
Apesar das curvas experimentais, o problema em
reproduzir as curvas teoricamente conCnuava.
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Várias teorias surgiram. A primeira delas,
proposta pelo alemão Wien em 1896, explicava o
regime experimental em altas frequências (ou
pequenos comprimentos de onda).
•
A segunda, formulada em 1900 por John William
Stru~ (Lord Rayleigh) e James Jeans, descrevia o
comportamento experimental associado à
Catástrofe do Ultravioleta
• Vários resultados experimentais estavam disponíveis em torno de
1890 mostrando, a diferentes temperaturas, como a energia radiante é emiCda para diferentes frequências.
• As tentaCvas de explicar o comportamento da radiação não foram bem sucedidas.
QuanCzar é a solução
• A grande contribuição de Planck surgiu quando, de posse da função matemáCca que descrevia o comportamento experimental (via tentaCva e erro), ele percebeu que
poderia obter tal função mediante a modificação do cálculo da energia média.
• O argumento de Planck era que, se tratasse a energia como uma variável discreta (e não conVnua como era feito na
mecânica clássica), ele poderia reescrever o cálculo da energia média por meio de uma soma e não de uma integral. Planck supôs que a energia poderia assumir apenas valores discretos proporcionais à frequência, ou
seja: 𝜀=𝑛ℎ𝜐, onde n é um número inteiro (n = 1, 2, 3,...) e h
“Eu sabia que o problema (do equilíbrio entre matéria e radiação) era de fundamental significado para a osica; eu sabia a fórmula que reproduzia a distribuição de energia no espectro normal; uma interpretação teórica Cnha que ser
Efeito Fotoelétrico
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Uma superocie metálica emite um fluxo de
energia (elétrons) sob a influência da luz, sem
que se pudesse explicar por quê (Hertz)
•
Em 1905 Albert Einstein aplicou com sucesso a
ACvidade Experimental
•
Pode-‐se mostrar que algumas leis empíricas,
como a lei de Stefan e a lei do deslocamento
de Wien, podem ser obCdas a parCr da
fórmula de Planck.
•
Dada a sua importância histórica, nesta
aCvidade determinaremos a constante de
ACvidade Experimental
• Grosso modo, os LED´s são formados por materiais
semicondutores. Para ser mais exato, temos uma junção de semicondutores do Cpo P (posiCvo) e do Cpo N (negaCvo).
• Um semicondutor do Cpo P corresponde a um
semicondutor dopado com átomos contendo um número menor de elétrons (geralmente um elétron a menos) do que os consCtuintes originais.
• Tal fato faz com que surjam níveis desocupados (aceitadores) logo acima da banda de valência.
ACvidade Experimental
• Quando muitos átomos se juntam para formar sólidos, a função de onda que descreve os elétrons deste sistema passa a ser uma combinação linear dos orbitais atômicos centrados em cada átomo que consCtui o sólido.
• Como são muitos átomos e, consequentemente, muitas funções, temos como resultado, orbitais deslocalizados por todo o sistema que, de modo muito rudimentar, pode ser tratado como uma função de onda plana (uma parVcula numa caixa “muito grande”).
• A quanCdade de níveis de energia depende do tamanho da quanCdade de funções atômicas uClizadas como funções de base. Como são muitos
átomos e muitas funções, temos então um espectro discreto com níveis muito próximos que pode ser aproximado por um espectro conVnuo.
• Uma parte do espectro (níveis de energia mais baixos) é ocupada por elétrons e temos aí na aproximação do conVnuo, uma banda de valência.
A parte desocupada é chamada de banda de condução sendo o primeiro
estado desocupado chamado de LUMO (lowestunoccupied molecular
orbital) e o úlCmo estado ocupado é chamado de nível de Fermi do
ACvidade Experimental
• Nos metais, a condução elétrica é fácil porque as bandas de valência e de condução praCcamente se sobrepõem e os elétrons estão livres para se movimentar no material.
• Em um semicondutor (Cpo P ou Cpo N), é preciso vencer uma pequena barreira de energia para que ocorra a condução elétrica.
ACvidade Experimental
• Um LED corresponde a uma junção entre semicondutores fortemente dopados. Quando aplicamos uma tensão
externa à junção, os elétrons de condução ganham energia suficiente para transpor a região de depleção (potencial interno) e caminhar para a região p. A energia necessária para penetrar na região p é dada por: eVapl= Egap + ΔE
• Quando o elétron passa para a região p, podemos ter uma recombinação elétron-‐buraco e, consequentemente, para cada transição teremos a emissão de um fóton com energia
hv. Observa-‐se claramente que a frequência máxima
