Questões de Vestibular de Física - Física Moderna

(URCA/2022.2) A energia E de um fóton (ou um quantum de radiação eletromagnética) se relaciona com sua quantidade de movimento p por E = c · p, onde c ≈ 3, 00 × 10⁸m/s² é a velocidade da luz no vácuo. Por outro lado essa energia se relaciona com a frequência f da radiação eletromagnética associada por E = h · f, onde h ≈ 6, 63 × 10⁻³⁴J·s é a constante de Planck. Tendo em vista estas considerações, podemos dizer que o comprimento de onda λ da radiação associada ao fóton é dado por

O efeito fotoelétrico foi observado pela primeira vez pelo físico alemão Heinrich Hertz em 1887. Hertz observou que, quando certas frequências de luz iluminavam uma placa metálica, elétrons excitados, denominados fotoelétrons, deixavam o metal. Posteriormente, esse efeito foi explicado por Albert Einstein quando introduziu o conceito de fóton. 
Durante um experimento, um professor demonstrou o efeito fotoelétrico iluminando diferentes placas metálicas com radiação infravermelha (E = 1,38 eV) e radiação ultravioleta (E = 4,13 eV). 
A tabela a seguir apresenta a função trabalho (f) dos materiais utilizados.


Como resultado, quando as placas foram iluminadas com radiação infravermelha, o fenômeno _________ observado nesses materiais. Quando as placas foram iluminadas com radiação ultravioleta, o fenômeno não foi observado para _________, enquanto a máxima energia cinética dos fotoelétrons foi observada para _________.

Com a pandemia do COVID-19, o mundo tem utilizado a luz ultravioleta (UV) para desinfetar ambientes públicos e hospitalares. Foram encontradas evidências da eficácia do UV quanto à área irradiada, ao ângulo de exposição, à intensidade e à dose de radiação sobre superfícies. Mas, essas não são as únicas alternativas.
A alta dose de radiação tem a função de promover várias mutações no DNA e/ou RNA dos vírus, levando-o à morte ou impedindo que ele se reproduza. A luz UV é eficaz para inativar bactérias e vírus nas faixas de UV-B e UV-C com onda de comprimento entre 200 a 310 nm (nanômetros).
https://www.uol.com.br/tilt/noticias/redacao/2020/08/07/para-anvisa-nao-ha-certeza-de-que-raios-ultravioleta-destroem-coronavirus.htm (Adaptada)
Sabe-se que a radiação eletromagnética (ou simplesmente, a luz) é quantizada, segundo Einstein, e a quantidade elementar de luz, hoje, recebe o nome de fóton. Por isso, para eliminar o vírus sobre a superfície, uma rede de supermercado instalou cabines UV para descontaminar os carrinhos de compras. A cabine contém luz ultravioleta com comprimento de onda de 300 nm.
Qual a energia desse fóton em elétrons-volts?
Adote a constante de Planck = 4,14.10^-15 eV.s e a velocidade da luz de 3,0.10⁸ m/s

Quando uma onda luminosa incide em uma superfície metálica, a interação entre os fótons e os elétrons do metal pode fazer com que elétrons sejam emitidos da superfície.
A figura a seguir representa a emissão fotoelétrica em uma placa de césio com função trabalho de 2,14 eV, iluminada pela radiação violeta, com comprimento de onda igual a 400 nm. hƒ é a energia dos fótons; E_C é a energia cinética máxima dos elétrons emitidos e W é a função trabalho do material de que é feito o alvo, ou seja, a energia mínima que um elétron deve adquirir para poder escapar do material.
  A figura está sem escala, uso de cores fantasia. 
Considerando a constante de Planck 4,2.10^-15 eVs e a velocidade da luz no vácuo de 3,0.10⁸ m/s, a energia cinética, em eV do elétron ejetado, é igual a

A Teoria da Relatividade e seu criador Albert Einstein são protagonistas de diversas produções de Ficção Científica, junto com buracos negros, viagens no tempo, entre outras ideias, que fascinam as produções científicas em filmes e em seriados. No filme O Planeta dos Macacos, astronautas, após entrarem em modo de hibernação, viajam para o futuro. Em dado momento, dois relógios são mostrados: um marcando o tempo, na Terra; outro, marcando o tempo na nave. Na narrativa, a missão falha, levando os astronautas para um planeta habitado por uma sociedade de macacos. Ao saírem da nave, os relógios são novamente mostrados, quantificando os efeitos da Teoria da Relatividade Restrita, permitindo o cálculo da velocidade da nave e a duração total da viagem.

https://publicacoes.ifc.edu.br/a teoria da relatividade presente na ficção científica (adaptada)

Ao considerar que os astronautas viajaram em velocidade constante de 80% da velocidade da luz, em relação à Terra, determine quantos anos os astronautas viajariam, no referencial da Terra, se dormissem durante 120 anos, de acordo com o referencial da espaçonave. 

Qual é a velocidade de uma partícula que tem um momento de 5 Mev/c e uma energia relativística total de 10 Mev?

A utilização das radiações ionizantes trouxe grandes avanços para a humanidade. Entre todas as áreas que usufruem dessas radiações, os setores médico e odontológico são, sem dúvida, os que mais se beneficiaram. A radioterapia, tratamento utilizado em pacientes com câncer, é muito eficaz.

Disponível em: www.vigilanciasanitaria.sc.gov.br. Acesso em: 28 jul. 2010 (adaptado).

Embora seja útil, a radiação ionizante pode vir a ser prejudicial à saúde quando não é utilizada adequadamente e de forma controlada, pois a incidência dessa radiação pode

Em um laboratório de Física, dois feixes de raios X (I e II) são disparados e incidem sobre uma placa de chumbo, sendo totalmente absorvidos por ela. O comprimento de onda do feixe II é quatro vezes maior que o comprimento de onda do feixe I. Ao serem absorvidos, um fóton do feixe I transfere à placa de chumbo uma energia E₁ e um fóton do feixe II transfere uma energia E₂.
A razão entre as energias E₂ e E₁ é

Alguns equipamentos de visão noturna têm seu funcionamento baseado no efeito fotoelétrico, uma das primeiras descobertas que contribuíram para o surgimento da mecânica quântica. Nesses equipamentos, fótons de frequência ƒ emitidos por um objeto incidem sobre uma superfície metálica. Elétrons são então liberados da superfície e acelerados por um campo elétrico. Em seguida, o sinal eletrônico é amplificado e produz uma imagem do objeto.

Diferentemente do que a física clássica prevê, apenas os elétrons com energia hƒ acima de uma certa energia mínima E₀ são liberados da superfície metálica.

Considerando a incidência de fótons com frequência da ordem de 10¹⁴ Hz, a ordem de grandeza do valor limite de E₀ para que o equipamento funcione deve ser: 

Note e adote:

Constante de Planck: h = 6,63 × 10 ⁻³⁴J.s

Sobre o modelo atômico de Bohr, considere as afirmativas a seguir.
I. O elétron se movimenta em órbitas circulares em torno do núcleo atômico devido à ação da força de atração gravitacional. II. O elétron no átomo, ao passar de um estado de maior energia para um outro estado com energia menor, perde energia. A frequência do fóton emitido é independente da frequência do movimento orbital do elétron. III. Quando o elétron se encontra em uma órbita estável, não há emissão de energia, ou seja, o elétron não irradia. IV. As órbitas permitidas para os elétrons são aquelas em que o momento angular orbital do elétron é um múltiplo inteiro de h/2π , onde h é a constante de Planck.
Assinale a alternativa correta.

Leia o texto a seguir.
Introduzimos, aqui, outro meio de extrair elétrons do metal. A luz homogênea, tal como a luz violeta, que é, como sabemos, uma luz de comprimento de onda definido, está colidindo com uma superfície de metal. A luz extrai elétrons do metal. Os elétrons são arrancados do metal e uma chuva deles se desloca com certa velocidade. Do ponto de vista do princípio da energia, podemos dizer: a energia da luz é parcialmente transformada na energia cinética dos elétrons expelidos. A técnica experimental moderna nos permite registrar esses elétrons-bala, determinando sua velocidade e, assim, sua energia.
(Adaptado de: EINSTEIN, A.; INFELD, L. A Evolução da Física. Rio de Janeiro: Zahar Editora, 2008. p.214.)
De acordo com o texto, assinale a alternativa que apresenta, corretamente, o fenômeno responsável pelo efeito de extrair elétrons da superfície de um metal quando a luz incide sobre ele.

A figura mostra o diagrama de níveis de energia, em elétrons-volt, para o átomo de hidrogênio, segundo o modelo proposto por Bohr. Nela está representada uma transição do elétron do nível n = 4 para o nível n = 2.
(http://astro.if.ufrgs.br. Adaptado.)

A quantidade de energia associada ao fóton emitido pelo átomo de hidrogênio na transição mostrada na figura é

Prático para refeições rápidas que podemos preparar ou esquentar alimentos que compramos em supermercados, o forno micro-ondas é uma realidade em praticamente todas as casas.


Nesse equipamento, podemos notar que a porta possui uma tela com pequenos furos que servem para olharmos lá dentro durante o seu funcionamento. Esses pequenos furos também

Segundo o modelo atômico de Bohr, no qual foi incorporada a ideia de quantização, o raio da órbita e a energia correspondentes ao estado fundamental do átomo de hidrogênio são, respectivamente, R₁ = 0,53x10^-10 m e E₁ = -13,6 eV.
Para outras órbitas do átomo de hidrogênio, os raios R_n e as energias E_n, em que n = 2, 3, 4, ..., são tais que

Considere as afirmações sobre radioatividade nuclear.
I - Todos os núcleos atômicos são radioativos. II - Todos os núcleos radioativos em uma dada amostra, depois de duas meiasvidas, já se desintegraram. III- No decaimento ɣ, um núcleo em um estado excitado decai para um estado de menor energia pela emissão de um fóton.
Quais estão corretas?

O princípio da incerteza de Heisenberg afirma não ser possível a determinação simultânea, com certa precisão, da posição e da quantidade de movimento de uma partícula. Essa impossibilidade se deve

O conceito clássico de trajetória de uma partícula não é adequado para descrever sistemas subatômicos, onde devemos considerar a Mecânica Quântica. A própria ideia de localização de uma partícula é um tanto inapropriado. Ao invés da localização de uma partícula temos geralmente regiões onde há maior ou menor probabilidade de detectá-­la ao fazermos uma medida. Sobre isto há um princípio segundo o qual não podemos, em um mesmo instante, determinar a localização e a velocidade da partícula com precisão arbitrária. Este princípio é o:

A meia-vida de um elemento radioativo é o intervalo de tempo em que uma amostra deste elemento se reduz à metade. Esse intervalo de tempo denomina-se:

Em 26 de abril de 1986, o reator 4 da usina nuclear de Chernobyl, na atual Ucrânia, explodiu durante um teste de segurança, devido a uma combinação de erros humanos. Esse foi o pior desastre nuclear da história.
Entre os resíduos radioativos mais poluentes provenientes do desastre, estão os isótopos, com a respectiva meia-vida entre parênteses: Xenônio-133 (¹³³Xe - 5,2 dias), Iodo-131 (¹³¹I - 8 dias), Césio-134 (¹³⁴ Ce - 2 anos), Estrôncio-90 (⁹⁰Sr - 28,8 anos) e Césio-137 (¹³⁷Ce - 32,2 anos). Atualmente, e por vários anos a seguir, o ⁹⁰Sr e o ¹³⁷Ce são as principais fontes de radiação na região afetada pela explosão.
A figura abaixo mostra, em particular, a cadeia de decaimentos que leva o ¹³⁷Ce ao isótopo estável Bário-137 (¹³⁷Ba).


Os processos indicados pelas setas (1), (2) e (3) são, respectivamente, decaimentos

Moradores do "arco do desflorestamento", onde estão concentrados os desmates na Amazônia, estão expostos a um índice de poluição até 17 vezes o limite estabelecido pela OMS (Organização Mundial da Saúde) devido às queimadas, o que resulta em aumento no número de consultas e internações hospitalares [...]. No período das chuvas, a concentração de poluentes produzidos pelas queimadas fica em torno de 15 microgramas por m³ de ar atmosférico na região amazônica. Na seca (julho a outubro), quando têm início as queimadas, o mesmo indicador sobe para 300 e, em alguns municípios, até 600 microgramas por m³.
Disponível em: http://www1.folha.uol.com.br/fsp/saude/sd180320091.htm. Acesso em: 29 out 2013.
Com base nas concentrações de poluentes referidas no texto acima, assinale a alternativa que expressa corretamente as concentrações em mg L^-1.