Questões de Concurso Comentadas sobre física moderna em física

Em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr apresentou um novo modelo para o átomo de hidrogênio. Seu modelo superou as dificuldades do modelo planetário desenvolvido por Rutherford. Bohr considerou as ideias dos níveis de energia quantizada, concebida por Planck, aos elétrons em órbita atômica imaginado por Rutherford. A teoria de Bohr teve sua relevância para o desenvolvimento da Física quântica. Sobre o modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio, podemos afirmar que:

Analise as afirmações a seguir sobre a física quântica:

I. Assim como os fótons, elétrons também podem se comportar como ondas formando figuras de interferência em fenda dupla.
II. Assim como os elétrons, fótons possuem momento linear, podendo colidir com partículas, gerando espalhamento.
III. No efeito fotoelétrico, a função trabalho de um material corresponde à energia mínima do fóton capaz de retirar elétrons desse material.
IV. Se a energia de um fóton é de 8 eV, são necessários, pelo menos, 2 desses fótons para ocorrer o efeito fotoelétrico num material de função trabalho igual a 16 eV.
V. Um elétron de energia cinética menor que o valor da altura de uma barreira de potencial, colocada em sua trajetória, possui mais chances de atravessar por Efeito Túnel quanto menor for a largura dessa barreira.

São VERDADEIRAS apenas as afirmativas:

Desde a descoberta dos raios-X, em 1895, a radiação ionizante é aplicada em diversos espaços em nossa sociedade, passando desde a indústria, a medicina, a construção e a engenharia civil, mas, também, no espaço escolar. O professor de Ciências do 9º ano, Cleber, ao lecionar na Escola Municipal Benedito Galvão, quis mostrar a aplicabilidade da radiação ionizante e da energia nuclear no espaço escolar para além do conhecimento de senso comum que as estudantes apresentavam pensando que ambos estavam ligados a bombas nucleares e ao câncer, como fora associado no passado. Professor Cleber lembrou do acidente radiológico de Goiânia/GO causado pela violação do Césio (Cs137). Logo, sobre a radiação ionizante e energia nuclear é INCORRETO afirmar que:

A descoberta dos raios cósmicos foi extremamente importante, pois permitiu fazer a datação de materiais arqueológicos e, assim, conhecer grande parte da história do planeta Terra. Os raios cósmicos são partículas de alta energia que se deslocam no espaço com velocidades próximas à da luz. Ao atingirem a atmosfera, colidem com átomos nela existentes e ionizam o ar. O instrumento usado para medir essa ionização é o eletroscópio, que consiste em duas hastes metálicas que se repelem quando carregadas. Podemos simular o funcionamento de um eletroscópio, usando duas pequenas esferas condutoras suspensas, lado a lado, a um suporte externo por fios isolantes de mesmo comprimento. Quando carregadas, as esferas se repelem, como ilustra a figura a seguir.

Suponha que as esferas carregadas estão em repouso, com os fios formando ângulos iguais com a vertical. A esse respeito, assinale a afirmativa pode não ser verdadeira.

A tomografia foi uma grande revolução na área da radiologia diagnóstica desde a descoberta dos raios X. Com ela é possível a reconstrução tridimensional da imagem por computação, o que possibilita a visualização de uma fatia do corpo, sem a superposição de órgãos. Os raios X utilizados nos exames de tomografia computadorizada podem ser produzidos em um tubo de gás, como o que está mostrado simplificadamente na figura a seguir.

O eletrodo C é o cátodo e o eletrodo A, o ânodo. O alvo P está ligado por condutores ao ânodo A e tem, portanto, o mesmo potencial que ele. Os elétrons emitidos pelo cátodo C partem do repouso e são acelerados por uma diferença de potencial V_p – V_c com cerca de 4,0.10⁴ Volts e atingem o alvo P com energia suficiente para produzir os raios X. Sendo 1,6.10^–19 C o módulo da carga do elétron, a energia cinética dos elétrons ao colidirem com o alvo P é de

O efeito fotoelétrico, estudado no início do século XX por Albert Einstein, consiste na emissão de elétrons induzida pela ação da luz. Considerando o desenho esquemático da figura a seguir e supondo que o cátodo da célula fotoelétrica é iluminado com luz monocromática de frequência f e comprimento de onda λ e que os elétrons da sua superfície estão sujeitos a uma energia potencial Φ0 (função de trabalho) das partículas vizinhas, é correto afirmar que:

_{Fonte: Nussenzveig, H.M. Curso de física básica – 1ª edição Vol. 4 Ed. Blucher, p. 250.}

A transmitância é razão entre a radiação transmitida e a radiação incidente sobre um dado material. Considere a figura abaixo que representa os dados percentuais de transmitância de luz (light transmittance) sobre uma amostra de grafeno. Os dados são transmitância de 100 % no ar (air), 97,7 % numa monocamada de grafeno (graphene) e 95,6 % numa bicamada (bilayer) de grafeno. Com base nessas informações, é possível afirmar que o grafeno é um material:

Imagem extraída de http://grapheneatom.com/optical-properties.

O relógio mostrado abaixo é chamado de Relógio de Pêndulo ou pêndulo que bate segundos, o que significa que o período desse pêndulo, considerado simples, é igual a 1,0 (um) segundo, aqui na Terra.

(https://traumartes.wordpress.com/produtos/relogios/)

Imaginemos que esse relógio seja levado para a Lua, cuja aceleração da gravidade na superfície equivale a 1/6 da aceleração da gravidade na superfície da Terra, logo o período desse relógio tem um valor próximo de:

Na figura a seguir está representado o gráfico da importância relativa dos três processos mais relevantes de interações da radiação gama e X com a matéria.

As curvas mostram os valores de número atômico Z do meio absorvedor e energia do fóton incidente no meio para os quais dois tipos de interação são igualmente prováveis.

Na figura, 1, 2 e 3 correspondem, respectivamente, às regiões onde as seguintes interações são dominantes:

A Figura 1, a seguir, representa a penetração de diferentes tipos de radiação em diferentes tipos de materiais.

Figura 1

Fonte: adaptada de Mendonça et al. (2022).

A radiação indicada pelo número IV é:

Para investigar a estrutura cristalina de um sólido, cuja distância entre os planos atômicos é igual a 0,2nm, um pesquisador faz incidir sobre o sólido um raio X. O pesquisador observou que o primeiro máximo forte de interferência entre ondas provenientes de planos cristalinos ocorre quando o feixe forma com esses planos um ângulo de 30º.

Para a realização da investigação, o pesquisador utilizou um raio X de comprimento de onda, em nm, igual a

Um telescópio astronômico, com diâmetro de abertura de 244mm, possui distância focal de objetiva de 650mm e distância focal de ocular de 13mm.

Considerando essas informações, analise as afirmativas a seguir.

I. O módulo da magnificação do telescópio é 100 vezes.
II. A capacidade de resolução do telescópio é mais eficiente para a luz vermelha (700nm) do que para a luz violeta (400nm).
III. Considerando a constante de Rayleigh para o critério de resolução e a operação do telescópio com o comprimento de onda de 600nm, o mínimo ângulo de resolução é 3,00×10^-6 rad.

Está correto o que se afirma em

O teorema da capacidade de Hartley-Shannon estima a capacidade teórica máxima de transmissão na presença de ruído gaussiano aditivo branco. A capacidade de um canal, em bps, é dada por  C = W log₂ onde W é a largura de banda do canal, S é a potência média do sinal e N é a potência média de ruído.

Deseja-se definir a relação energia de bit por densidade de ruído (Eb/No) para transmitir a uma taxa de dados de 2Mbps utilizando uma largura de banda igual a 2MHz. A Eb/No mínima necessária para este cenário é igual a

Considere um feixe de luz linearmente polarizada com uma densidade de energia por unidade de área de 1000 W/m². Esse feixe de luz oscila a um ângulo de +20º em relação à vertical nos quadrantes 1 e 3 (considerando o círculo trigonométrico). Durante sua propagação, esse feixe de luz encontra dois polarizadores lineares ideais em sequência. O primeiro polarizador tem seu eixo de transmissão desviado a -25º em relação à vertical nos quadrantes 2 e 4, enquanto o segundo polarizador está posicionado a +35º em relação à vertical nos quadrantes 1 e 3. 

(Se necessário use: cos5º = 0,996, cos10º = 0,985, cos15º = 0,966, cos20º = 0,940, cos25º = 0,906, cos35º = 0,819, cos45º  cos55º = 0,574, cos60º  cos80º = 0,174)

Qual é a intensidade da luz que emerge do segundo polarizador? 

O metal lítio, muito valorizado por conta da demanda por baterias automotivas, é obtido pela eletrólise do cloreto de lítio fundido. Na equação abaixo, é mostrada a principal semirreação do processo. 

Li⁺ _(l) + e^- → Li<sub>(s)

Assumindo-se condições ideais de reação, a quantidade de carga, em C, necessária para produzir 200 kg de Li(s) é, aproximadamente,

Dado F = 96.500 C/mol de elétrons</sub>

Suponha que você esteja vendo uma barra de 4 metros de comprimento passando com 80% da velocidade da luz no vácuo em relação a você.

Nessas condições a sua medida do comprimento da barra é de

Em seu modelo para o átomo de hidrogênio, Niels Bohr postulou a quantização do momento angular L do elétron, que apenas poderia assumir valores dados por L=n (h/(2p)), onde h é uma constante e n um número quântico que só pode assumir valores inteiros n = 1, 2, 3, ... Ele mostrou que cada valor de n corresponde a uma trajetória circular diferente, com raio r = n² r_B, onde r_B é o chamado raio de Bohr. No estado fundamental do átomo (n=1), a velocidade do elétron é a chamada velocidade de Bohr, v_B. A velocidade do elétron no primeiro estado excitado (n=2) do átomo de hidrogênio é de:

No estudo da física, diferentes teorias científicas têm sido desenvolvidas para explicar fenômenos físicos em escalas diversas desde o macroscópico ao subatômico. Entre elas, destacam-se a mecânica newtoniana, a teoria da relatividade e a mecânica quântica. Cada uma dessas teorias tem seus princípios e fundamentos próprios, possibilitando uma compreensão profunda dos fenômenos em seus respectivos domínios de aplicação. Entretanto, é importante destacar que essas teorias também têm limites em suas aplicações. A respeito do assunto abordado, analise as assertivas a seguir:
I. A mecânica clássica não apresenta os mesmos resultados experimentais quanto à detecção, a nível do mar, dos múons, oriundos de interações da radiação cósmica com os constituintes da alta atmosfera, sendo necessário recorrer à relatividade para obter a concordância com os dados.
II. Na mecânica clássica, os resultados são determinísticos, enquanto na mecânica quântica, são estatísticos. A incerteza nas medidas dos fenômenos microscópicos ocorre devido ao colapso da função de onda causado pelo processo de observação, estabelecendo o limite entre as duas teorias, tornando ambas válidas para descrever o sistema.
III. Na teoria da relatividade desenvolvida por Einstein, que utiliza as transformadas de Lorentz, foi necessário alterar a definição do momento linear clássico de partículas em um sistema isolado, pois ele não se conservava.
Quais estão corretas?