A Revolução da Física Moderna
André Luiz Malvezzi
Departamento de Física
Faculdade de Ciências
UNESP - Bauru
Outubro - 2009
2005: Ano Internacional da Física
Aniversário de 100 anos do
ano miraculoso de Einstein
Publicou cinco artigos extraordinários,
que apareceram na prestigiosa revista
alemã Annalen der Physik
As leis da Mecânica de
Isaac Newton (1642-1727)
Física
Clássica
As leis da Eletrodinâmica de
James Clerk Maxwell (1831-1879)
As leis da Termodinâmica e a
Teoria Cinética dos Gases
As duas categorias de fenômenos em Física Clássica
Pequenos objetos com massa definida.
Partículas:
Obedecem as Leis de Newton.
Se estendem através do espaço.
Ondas:
Transportam energia mas não massa.
Interferem entre si.
“Atualmente pairam apenas duas
pequeninas nuvens cinzentas
sobre o céu cristalino da Física”
Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society -
Abril 1900
A radiação térmica
É a radiação eletromagnética
emitida por um objeto devido à
sua temperatura.
Temperatura T e freqüência f maiores
Teoria clássica do
eletromagnetismo
Todo corpo incandescente
deveria ser branco
A radiação
térmica
Produzida pelos elétrons oscilantes
na superfície do material
Representação esquemática da produção de ondas
eletromagnéticas pelo elétron oscilante.
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 E de um quantum é
proporcional à freqüência f
da radiação térmica emitida.
E = h.f
h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck
Exemplo: quantização do pêndulo simples
L = 0,1 m
m = 0,01 kg
amplitude = 20o com a vertical
1
f 
2π
g
 1,6 Hz
L
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 !!!!
O efeito fotoelétrico
A luz ejeta elétrons de diversas superfícies metálicas.
Exemplo de aplicação do efeito fotoelétrico
Características do
efeito fotoelétrico
O que é observado
experimentalmente?
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 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.
A teoria quântica da luz: Einstein e o fóton (1905)
A energia radiante está
quantizada em pacotes
concentrados, os fótons.
A energia E de cada fóton é
dada pela fórmula de Planck:
E = h.f
emissão ou
absorção
propagação
fóton
partícula
dualidade
onda
A dualidade onda-partícula da luz
Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica
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.
menos
energia
demora mais
para ejetar o
elétron
energia
chega em
pacotes
Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica
energia da luz
não depende da
freqüência (cor)
O efeito é facilmente
observado usando-se luz
violeta ou ultravioleta,
mas não quando se usa
luz vermelha.
energia da luz é
proporcional à
freqüência (E=h.f)
freqüência
maior
mais fácil ejetar
os elétrons
Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica
luz mais
intensa
A quantidade de
elétrons ejetados
por segundo é
proporcional à
intensidade da luz.
mais
energia
mais
elétrons
luz mais
intensa
mais
elétrons
mais
fótons
Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica
energia é proporcional à intensidade:
A energia máxima dos
elétrons ejetados não é
afetada pela intensidade
da luz, mas depende da
freqüência.
maior
intensidade
elétrons mais
energéticos
energia da luz não depende da
freqüência (cor)
energia é proporcional à
freqüência (E=h.f)
freqüência
maior
elétrons mais
energéticos
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
h

m.v
Comprimento de onda
da onda de matéria
associada à partícula.
Exemplos: bala x elétron
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
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.
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
Mecânica Quântica
Quantum de
energia
E = h.f
h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck
Dualidade onda-partícula
Princípio da Incerteza
Princípio da
complementaridade
Natureza
probabilística
Einstein e a Teoria Especial da Relatividade (1905)
Mecânica
de Newton
Leis físicas não
dependem do
movimento do
observador
Não existe um
referencial absoluto
?
Eletromagnetismo
de Maxwell
Leis físicas
dependem do
movimento do
observador
O éter é o
referencial
absoluto
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
Comopara
pareceria
umobservadores,
feixe luminoso
seimportando
você
mesmo valor
todos os
não
o
estivesse sedadeslocando
a lado com
movimento
fonte ou dolado
observador;
ouele?
seja,
a rapidez de propagação da luz é uma constante.
c ~ 300.000.000 m/s = 300.000 km/s
Conseqüências dos Postulados da
Teoria Especial da Relatividade
Simultaneidade
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.
Conseqüências dos Postulados da
Teoria Especial da Relatividade
Dilatação Temporal
Cálculo da dilatação temporal
fator de
Lorentz
tempo
relativo

t = γ t0
tempo
próprio
1
v2
1 2
c
A viagem do gêmeo
v0
 1
v c
 
v=0
1   
1
v2
1 2
c
t = t0
v = 0,5.c
t = 1,15.t0
v = 0,87.c
t = 2.t0
v = 0,995.c

t = 10.t0
Quão viáveis são as
viagens espaciais longas?
Conseqüências dos Postulados da
Teoria Especial da Relatividade
Adição de Velocidades
v1 , v2
v1 = 0,5.c
v2 = 0,5.c
v1  v2
V
v1.v2
1 2
c
0,5.c  0,5.c
c
V

c
2
0,25 .c
1,25
1
c2
Conseqüências dos Postulados da
Teoria Especial da Relatividade
Contração do
Comprimento
L
L0

1   
Conseqüências dos Postulados da
Teoria Especial da Relatividade
Conservação do
momento linear
m   .m0
massa
relativística
m0 = 1 grama
massa de
repouso
E = 9 x 1013 J
E = m0 .c2
energia de
repouso
28.500
lâmpadas de
100 W acessas
por um ano!!
massa
Acender palito de fósforo
Xícara de café quente
Relógio de corda
energia
Energia nuclear
Teoria Especial da Relatividade
Não há referenciais absolutos
Postulados
A velocidade da luz é constante
c ~ 300.000 km/s
Conseqüências:
Simultaneidade
massa
Dilatação Temporal
energia
Contração do
Comprimento
E = m0 .c2
A Revolução da Física Moderna
Eletromagnetismo
“A eletrodinâmica
dosRelatividade
corpos em
movimento”
Mecânica
Mecânica
Radiação
Quântica
térmica
Movimento
Mecânica
browniano
Estatística
Termodinâmica