Física: Uma Abordagem Estratégica

Autor(es): Randall D. Knight
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Primeiro livro de física concebido a partir de uma pesquisa que buscou a melhor forma de ensinar a física de forma moderna e efetiva. Dividido em quatro volumes, o volume 4 apresenta a relatividade e a física quântica, utilizando uma linguagem clara e de fácil assimilação pelos alunos. Os recursos didáticos para os professores inclui material de apoio em inglês e apresentações de PowerPoint em português. Juntamente com os outros três volumes, cobre toda a Física.

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37. Relatividade

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37 Relatividade

Estas são as ferramentas fundamentais para aprendermos sobre o espaço e o tempo.

O espaço e o tempo parecem ser conceitos simples. Você consegue medir distâncias

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 37 é compreender como a teoria da relatividade de Einstein mudou nossos conceitos sobre o espaço e o tempo.

Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Usar o princípio da relatividade.

■ Compreender como a dilatação

temporal e a contração espacial mudam nossa concepção acerca do que são o espaço e o tempo.

■ Usar as transformações de Lorentz para posições e velocidades.

■ Calcular a quantidade de momentum linear e de energia.

■ Compreender como massa e energia são equivalentes.

᭣ Em retrospectiva

Os tópicos apresentados neste capítulo dependem da compreensão do movimento relativo na mecânica

Newtoniana. Revise:

■ Seção 4.4 Referenciais inerciais e

transformações de Galileu.

por meio de uma régua ou de uma trena. Com um cronômetro é possível registrar o tempo de ocorrência de eventos. Nada poderia ser mais simples.

 

38. O Fim da Física Clássica

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38 O Fim da Física Clássica

As pesquisas sobre a luz emitida por tubos de descarga de gás contribuíram para o fim da física clássica.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 38 é compreender como ocorreu a descoberta das propriedades atômicas e como essas descobertas revelaram a necessidade de uma nova teoria da luz e da matéria. Neste capítulo, você aprenderá sobre:

■ Como o elétron foi descoberto e

como sua carga foi medida.

■ Como o núcleo foi descoberto e

como suas propriedades foram identificadas.

■ Como utilizar o modelo nuclear do

átomo de Rutherford.

■ Como os átomos emitem e absorvem luz.

᭣ Em retrospectiva

O material apresentado neste capítulo depende da compreensão de vários conceitos da física clássica. Revise:

■ Seção 16.2 Massas atômicas e

número de massa.

■ Seções 22.3 e 25.1 Redes de

difração e espectroscopia.

■ Seções 29.2 e 29.6 Potencial

elétrico e energia potencial.

■ Seção 33.7 Partículas carregadas

em presença de campos magnéticos

Com exceção da relatividade e de uma breve introdução à física quântica apresenta-

 

39. Quantização

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39 Quantização

Imagem de um “curral quântico”, formado por 60 átomos de ferro, obtida por um microscópio de tunelamento.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 39 é propiciar uma compreensão da quantização da energia para a luz e para a matéria.

Neste capítulo, você aprenderá a

■ Compreender o efeito fotoelétrico

em termos de quanta de luz.

■ Utilizar o conceito de fóton.

■ Compreender como a noção de

ondas de matéria, de de Broglie, levou à quantização da energia.

■ Utilizar o modelo de quantização de Bohr para átomos (modelo atômico de Bohr).

■ Calcular as energias e os comprimentos de onda para o hidrogênio e íons hidrogenóides.

᭣ Em retrospectiva

Muitas das idéias deste capítulo já foram introduzidas no Capítulo 25, que é pré-requisito essencial para este capítulo. Revise:

■ Seções 22.2, 22.3, e 22.6

Interferência e interferômetros

■ Capítulo 25 Fótons, ondas de

matéria e quantização

■ Seção 38.6 Elétron-volts e o modelo nuclear de Rutherford para o átomo

A imagem mostrada aqui, denominada “curral quântico”, foi obtida por meio de um

 

40. Funções de Onda e Incerteza

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Funções de Onda e Incerteza

40

Imagem de uma superfície de grafite, com resolução atômica obtida por um microscópio de tunelamento.

As saliências hexagonais indicam as localizações mais prováveis dos elétrons.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 40 é introduzir a descrição da matéria em termos de funções de onda e aprender a interpretá-la. Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Relacionar a descrição ondulatória

Nos dois capítulos anteriores, você aprendeu que a mecânica clássica e o eletromag-

netismo foram incapazes de explicar o novo fenômeno associado à luz, aos elétrons e aos átomos. As teorias científicas que triunfaram nos séculos XVIII e XIX falharam ao tentar explicar os fenômenos envolvendo os menores constituintes da matéria. Muitos cientistas se recusaram a aceitar essas limitações e afirmaram que seria só uma questão de tempo até alguém descobrir como aplicar as idéias clássicas aos átomos. Suas esperanças, contudo, nunca se tornaram realidade.

Ao mesmo tempo em que a física clássica atingia seu limite, as novas idéias lançadas por Einstein, Bohr e de Broglie começavam a apontar na direção de uma nova teoria para a luz e a matéria. A mecânica quântica, como ficou conhecida essa teoria, só alcançou sua forma completa em meados de 1920, porém, desde então, tem provado ser a teoria física mais bem-sucedida já criada.

 

41. Mecânica Quântica Unidimensional

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41 Mecânica Quântica

Unidimensional

Um exemplo de engenharia atômica.

Trinta e cinco átomos de xenônio foram colocados em posições específicas por meio da ponta de prova de um microscópio eletrônico de varredura.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 41 é propiciar a compreensão e a aplicação das idéias essenciais da mecânica quântica.

Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Empregar estratégias para

determinar e interpretar funções de onda.

Fazer esboços de funções de onda específicas.

Usar funções de energia potencial para criar modelos quantomecânicos.

Compreender e usar modelos quantomecânicos importantes.

Calcular a probabilidade de tunelamento em mecânica quântica.

᭣ Em retrospectiva

A mecânica quântica será desenvolvida em torno de duas idéias fundamentais: diagramas de energia e funções de onda. É importante que você faça uma revisão dos diagramas de energia apresentados no Capítulo

10. Revise:

■ Seção 10.7 Diagramas de energia

■ Seções 39.4 e 39.5 Ondas de

matéria e modelo quântico de Bohr

■ Seções 40.3 e 40.4 Funções de

 

42. Física Atômica

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42 Física Atômica

Os raios laser figuram entre as aplicações mais importantes das propriedades quantomecânicas dos

átomos e da luz.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 42 é compreender a estrutura e as propriedades dos átomos. Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Utilizar um modelo

quantomecânico do átomo de hidrogênio.

Compreender o conceito de spin do elétron.

Aplicar a teoria quântica de Schrödinger a átomos multieletrônicos.

Interpretar os espectros atômicos.

Compreender o funcionamento dos lasers.

᭣ Em retrospectiva

O conteúdo deste capítulo depende da compreensão do modelo de quantização atômica de Bohr e da mecânica quântica unidimensional.

Revise:

■ Seções 39.5 e 39.7 O modelo de

quantização de Bohr e o átomo de hidrogênio

■ Seções 40.3 e 40.4 Interpretando e usando as funções de onda

■ Seções 41.1 e 41.2 Os conceitos básicos da mecânica quântica

A descoberta da estrutura dos átomos é um assunto que voltaremos a abordar conti-

nuamente. O primeiro modelo atômico que estudamos, o modelo do tipo sistema solar, de Rutherford, era totalmente clássico. Esse modelo incorporou a descoberta de Rutherford acerca da existência de um núcleo muito pequeno, mas não era nada consistente com as evidências experimentais sobre os átomos. Ele não explicava o espectro discreto e nem mesmo esclarecia por que os átomos são estáveis!

 

43. Física Nuclear

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43 Física Nuclear

Uma emulsão fotográfica registra os movimentos das partículas alfa emitidas por uma pequena quantidade de rádio.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 43 é ajudá-lo a compreender a física do núcleo e apresentar-lhe algumas aplicações da física nuclear. Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Interpretar a estrutura básica do

núcleo.

■ Entender como o núcleo é mantido

coeso por uma interação forte.

■ Compreender por que alguns

núcleos são instáveis e sofrem decaimento radioativo.

■ Calcular a meia-vida de um decaimento radioativo.

■ Aplicar a física nuclear na biologia e na medicina.

᭣ Em retrospectiva

O conteúdo deste capítulo depende da compreensão da estrutura atômica básica e dos níveis de energia quantizados em poços de potencial.

Revise:

■ Seções 38.6 e 38.7 O modelo de

Rutherford

■ Seção 41.6 Poço de potencial finito

O núcleo do átomo é algo que está muito distante de nossa experiência do dia-a-dia.

Por isso ficamos surpresos ao ver como a física nuclear tornou-se parte de nossa tecnologia moderna e do vocabulário contemporâneo: energia nuclear, armas nucleares, medicina nuclear, lixo nuclear, fissão e fusão nucleares.

 

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