Física para Cientistas e Engenheiros - Vol. 3 - Física Moderna, 6ª edição

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A sexta edição do clássico Física para Cientistas e Engenheiros introduz uma nova abordagem estratégica de soluções de problemas, em que os Exemplos têm como formato uma sequência consistente de Situação, Solução e Checagem.ste formato conduz o estudante através dos passos envolvidos na análise do problema, suas soluções e verificação de resultados.s Exemplos incluem, com frequência, as úteis seções Indo Além, que representam formas alternativas de resolver problemas, fatos de interesse, ou informação adicional relacionada com os conceitos apresentados.Quando apropriado, os Exemplos são seguidos por Problemas Práticos, para que o estudante possa avaliar seu domínio sobre os conceitos.Como novidades, a obraapresenta um Tutorial Matemático integrado e ferramentas amigáveis.xemplos Conceituais e Checagens Conceituais que permitem uma melhor compreensão conceitual.Traz também Alertas de Armadilhas, identificadas por um ponto de exclamação, que ajudam a evitar concepções alternativas comuns.s novos quadros Física em Foco discutem aplicações atuais da física e relacionam aplicações com os conceitos tratados no capítulo.

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Capítulo 34 - Dualidade Onda-Partícula e Física Quântica

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P A R T E

V I

FÍSICA MODERNA:

Mecânica Quântica,

Relatividade e a Estrutura da Matéria

34

C A P Í T U L O

Dualidade Onda–Partícula e Física Quântica

34-1

34-2

34-3

34-4

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34-6

34-7

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34-9

34-10

N

034tipr 1

Ondas e Partículas

Luz: De Newton a Maxwell

A Natureza Corpuscular da Luz: Fótons

Quantização da Energia em Átomos

Elétrons e Ondas de Matéria

A Interpretação da Função de Onda

Dualidade Onda–Partícula

Partícula em uma Caixa

Valores Esperados

PADRÃO DE INTERFERÊNCIA DE

ELÉTRONS PRODUZIDO POR ELÉTRONS

INCIDENTES NUMA BARREIRA CONTENDO

DUAS FENDAS: (A)10 ELÉTRONS, (B)

100 ELÉTRONS, (C) 3000 ELÉTRONS, E

(D) 70 000 ELÉTRONS. OS MÁXIMOS E

MÍNIMOS DEMONSTRAM A NATUREZA

ONDULATÓRIA DO ELÉTRON QUANDO

ELE PASSA ATRAVÉS DAS FENDAS.

PONTOS DISTINTOS MARCADOS NO

 

Capítulo 35 - Aplicações da Equação de Schrödinger

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35

C A P Í T U L O

Aplicações da Equação de

Schrödinger

35-1

35-2

35-3

35-4

35-5

35-6

A Equação de Schrödinger

Uma Partícula num Poço Quadrado Finito

O Oscilador Harmônico

Reflexão e Transmissão de Ondas dos Elétrons:

Penetração de Barreiras

A Equação de Schrödinger em Três Dimensões

A Equação de Schrödinger para Duas Partículas Idênticas

N

o Capítulo 34, vimos que elétrons e outras partículas têm propriedades de onda e são descritas por funções de onda na forma (x, t). Mencionamos também que a função de onda é uma solução da equação de

Schrödinger, e discutimos qualitativamente algumas soluções sem nos referirmos à equação. Em particular, mostramos como as condições de onda estacionária levavam à quantização de energia para uma partícula confinada numa caixa unidimensional.

Neste capítulo continuamos nossa discussão sobre o assunto introduzido no Capítulo 34. Vamos discutir a equação de Schrödinger e aplicar esta equação ao problema da partícula numa caixa e a diversas outras situações nas quais a partícula está confinada numa região do espaço, para ilustrar como as condições de contorno conduzem a quantização de energia. Vamos mostrar também como a equação de Schrödinger leva à penetração de barreiras e discutir a extensão da equação de Schrödinger para mais de uma dimensão e mais de uma partícula.

 

Capítulo 36 - Átomos

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36

C A P Í T U L O

Átomos

36-1

36-2

36-3

36-4

36-5

36-6

36-7

C

O Átomo

O Modelo de Bohr do Átomo de Hidrogênio

Teoria Quântica dos Átomos

Teoria Quântica do Átomo de Hidrogênio

O Efeito Spin–Órbita e a Estrutura Fina

A Tabela Periódica

Espectros Ópticos e Espectros de Raios X

ento e onze elementos químicos foram descobertos, e recentemente diversos elementos químicos adicionais foram relatados, mas ainda não foram autenticados. Cada elemento é caracterizado por um átomo que tem um número Z de prótons e um número igual de elétrons. O número de prótons Z é chamado de número atômico. O átomo que tem o menor número de prótons é chamado de hidrogênio (H) e tem Z  1. Um átomo de hélio tem dois prótons (Z  2), o átomo de lítio (Li) tem três prótons (Z 

3), e assim por diante. Quase toda a massa do átomo está concentrada no seu núcleo minúsculo, que é feito de prótons e nêutrons. O raio nuclear do átomo

 

Capítulo 37 - Moléculas

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37

C A P Í T U L O

Moléculas

37-1

* 37-2

37-3

A

Ligações

Moléculas Poliatômicas

Níveis de Energia e Espectros de Moléculas Diatômicas

UMA MICROGRAFIA DE CRISTAIS DE

FLUORETO DE SÓDIO. O FLUORETO DE

SÓDIO É COM FREQÜÊNCIA ADICIONADO

AOS RESERVATÓRIOS PÚBLICOS DE

ÁGUA COMO UMA PREVENÇÃO À QUEDA

DE DENTES. (National Institutes of Health/

Photo Researchers.)

?

Quanta energia é necessária para formar o fluoreto de sódio? (Veja

Exemplo 37-1.)

maioria dos átomos se combina para formar moléculas ou sólidos. Moléculas podem existir como entidades isoladas, como nos gases O2 ou N2, ou podem se combinar para formar líquidos ou sólidos. Uma molécula

é o menor constituinte da substância que conserva suas propriedades químicas.

Neste capítulo, usamos nossos conhecimentos da mecânica quântica para discutir ligações e níveis de energia e espectros de moléculas diatômicas.

 

Capítulo 38 - Sólidos

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38

C A P Í T U L O

Sólidos

38-1

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38-4

38-5

38-6

* 38-7

38-8

38-9

A Estrutura dos Sólidos

Uma Descrição Microscópica da Condução

Elétrons Livres num Sólido

Teoria Quântica da Condução Elétrica

Teoria de Bandas para os Sólidos

Semicondutores

É BEM CONHECIDO QUE O ARSÊNIO É

UM VENENO. É MENOS CONHECIDO QUE

CRISTAIS DE SILÍCIO, QUE TÊM PEQUENAS

CONCENTRAÇÕES DE ARSÊNIO E UMA

RESISTIVIDADE MUITO MAIS BAIXA

DO QUE A DOS CRISTAIS COM 100 POR

CENTO SILÍCIO. (Museu de História Natural/

Alamy.)

?

Você sabe quantos átomos de arsênio são necessários para aumentar a densidade de portadores de carga por

um fator de 5 milhões? (Veja Exemplo 38-7.)

Junções e Dispositivos Semicondutores

Supercondutividade

A Distribuição de Fermi–Dirac

O

primeiro modelo microscópico da condução elétrica em metais foi proposto por Paul K. Drude em 1900 e desenvolvido por Hendrik A. Lorentz em 1909. Este modelo previu com sucesso que a corrente é proporcional

 

Capítulo 39 - Relatividade

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39

C A P Í T U L O

Relatividade

39-1

39-2

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39-4

39-5

39-6

39-7

39-8

Relatividade Newtoniana

Postulados de Einstein

A Transformação de Lorentz

Sincronização de Relógios e Simultaneidade

A Transformação de Velocidade

Momento Relativístico

A GALÁXIA DE ANDRÔMEDA

MEDINDO-SE AS FREQÜÊNCIAS DOS

RAIOS LUMINOSOS QUE CHEGAM À

TERRA PROVENIENTES DE CORPOS

DISTANTES, PODE-SE DETERMINAR A

VELOCIDADE COM QUE ESSES CORPOS

SE APROXIMAM OU SE AFASTAM DA

TERRA. (NASA.)

?

Você já se perguntou como a freqüência da luz permite que se determine a velocidade de recuo de

uma galáxia distante? (Veja Exemplo 39-5.)

Energia Relativística

Relatividade Geral

A

teoria da relatividade é constituída por duas teorias bastante diferentes, a teoria restrita e a teoria geral. A teoria da relatividade restrita, desenvolvida por Albert Einstein e outros em 1905, descreve medidas efetuadas em diferentes referenciais inerciais, que se deslocam com velocidade constante uns em relação aos outros. As suas conseqüências, que podem ser derivadas com um mínimo de instrumental matemático, aplicam-se a uma ampla variedade de situações encontradas em física e engenharia. Por outro lado, a teoria geral da relatividade, também desenvolvida por Einstein e outros por volta de 1916, descreve referenciais acelerados e a gravidade. Um completo entendimento da teoria geral requer um instrumental matemático sofisticado, e as aplicações desta teoria estão, principalmente, na área da gravitação. A teoria geral tem grande importância na cosmologia, e

 

Capítulo 40 - Física Nuclear

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40

C A P Í T U L O

Física Nuclear

40-1

40-2

40-3

40-4

P

Propriedades do Núcleo

Radioatividade

A USINA NUCLEAR DE DIABLO CANYON

PERTO DE SAN LUIS OBISPO, CALIFÓRNIA.

(Tony Hertz/Alamy.)

?

Quanta energia é liberada na fusão de um grama de 235U?

(Veja o Exemplo 40-6)

Reações Nucleares

Fissão e Fusão

ara muitos químicos, o núcleo atômico pode ser modelado como uma carga puntiforme que contém a maioria da massa do átomo. Neste capítulo, vamos olhar para o núcleo na perspectiva dos físicos e ver como prótons e nêutrons, que formam o núcleo, têm tido um papel importante na nossa vida diária, assim como na história e estrutura do universo.

Neste capítulo, vamos estudar as propriedades dos núcleos atômicos, investigar a radioatividade e explorar as reações nucleares. Vamos também discutir fissão e fusão. A fissão de um núcleo muito pesado, como o urânio,

é uma grande fonte de energia hoje em dia, enquanto a fusão de núcleos muito leves é a fonte de energia das estrelas, incluindo o Sol, e pode ser a chave para nossas necessidades de energia no futuro.

 

Capítulo 41 - Partículas Elementares e a Origem do Universo

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Partículas Elementares e a Origem do Universo

41-1

41-2

41-3

41-4

41-5

41-6

41-7

41-8

41

C A P Í T U L O

Hádrons e Léptons

Spin e Antipartículas

As Leis de Conservação

Quarks

Partículas de Campo

A Teoria Eletrofraca

O Modelo-padrão

A Evolução do Universo

T

udo com o que nos deparamos na nossa vida diária é feito de átomos. De algum modo, os átomos são os blocos de construção da natureza. Entretanto, sabemos que os átomos não são os constituintes mais fundamentais da matéria. Com a descoberta do elétron por J. J. Thomson (1897), a teoria de Bohr do átomo (1913) e a descoberta do nêutron (1932) deixaram claro que os átomos, ou mesmo os núcleos, tinham uma estrutura considerável.

De fato, a descrição inicial da física de partículas, onde existiam apenas quatro partículas elementares — o próton, o nêutron, o elétron e o fóton — tornou-se muito mais complexa.

Desde 1950, imensas somas de dinheiro têm sido gastas para a construção de aceleradores com energias cada vez maiores, na esperança de encontrar partículas previstas por diversas teorias. Atualmente, conhecem-se várias centenas de partículas, que numa época ou noutra, foram consideradas elementares, e equipes de pesquisadores em laboratórios com aceleradores gigantescos, no mundo todo, estão pesquisando e encontrando novas partículas. Algumas destas partículas têm tempos de vida tão curtos (da ordem de 1023 s), que só podem ser detectadas indiretamente. Muitas partículas são observadas somente durante as reações nucleares usando aceleradores de alta energia. Além das propriedades comuns das partículas, como massa, carga e spin, descobriram-se novas propriedades, que receberam nomes extravagantes como estranheza, charme, cor, topness, e bottomness.

 

Apêndices

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Apêndice A

Unidades SI e Fatores de Conversão

Unidades de Base*

Comprimento

O metro (m) é a distância percorrida pela luz no vácuo em 1/299.792.458 s.

Tempo

O segundo (s) é a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de 133Cs.

Massa

O quilograma (kg) é a massa do protótipo internacional conservado em Sèvres, na França.

Mol

O mol (mol) é a quantidade de matéria de um sistema contendo tantas entidades elementares quantos átomos existem em 0,012 quilograma de carbono 12.

Corrente

O ampère (A) é a corrente elétrica constante que, se mantida em dois condutores paralelos, retilíneos, de comprimento infinito, de seção circular desprezível, e situados à distância de 1 metro entre si no vácuo, produz entre estes condutores uma força igual a

2  107 newton por metro de comprimento.

Temperatura

O kelvin (K) é 1/273,16 da temperatura termodinâmica no ponto tríplice da água.

 

Tutorial Matemático

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Tutorial Matemático

M-1

M-2

M-3

M-4

M-5

M-6

M-7

M-8

M-9

M-10

M-11

M-12

Algarismos Significativos

Equações

Proporções Diretas e Inversas

Equações Lineares

Equações Quadráticas e Fatoração

Expoentes e Logaritmos

Geometria

Trigonometria

A Expansão Binomial

Números Complexos

Cálculo Diferencial

Cálculo Integral

Neste tutorial, revisamos alguns dos resultados básicos de álgebra, geometria, trigonometria e cálculo. Em muitos casos, meramente enunciamos resultados sem prova. A Tabela M-1 lista alguns símbolos matemáticos.

M-1

ALGARISMOS SIGNIFICATIVOS

Muitos dos números com que trabalhamos, em ciência, são o resultado de medidas e, portanto, conhecidos apenas dentro de um certo grau de incerteza. Esta incerteza deve ser refletida no número de algarismos utilizados. Por exemplo, se você tem uma régua de 1 metro, graduada em centímetros, você sabe que pode medir a altura de uma caixa com a precisão de um quinto de centímetro, mais ou menos.

 

Respostas dos Problemas Ímpares de Finais de Capítulos

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Respostas dos Problemas

Ímpares de Finais de Capítulos

Capítulo 34

1

3

5

7

9

11

13

(c)

(a)

(a) Verdadeiro, (b) Verdadeiro, (c) Verdadeiro

(c)

De acordo com a teoria quântica, o valor médio de muitas medidas de uma mesma quantidade irá levar ao valor esperado desta quantidade. Entretanto, cada valor medido individual pode diferir do valor esperado.

2,48 pm, 2%

(a) 7 � 10�20

6 � 10�20

K máx � af � b

Kmáx (J)

5 � 10�20

a � 6,19 � 10�34 J� s b � �2,83 � 10�19 J

4 � 10�20

3 � 10�20

2 � 10�20

0

4,6 � 10��

4,8 � 10��

5,0 � 10��

5,2 � 10��

5,4 � 10��

respAtiprVol 3 269

55

57

59

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63

67

5,6 � 10��

f (Hz)

35

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39

41

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69

71

1 � 10�20

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29

31

 

Encarte Colorido

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ENCARTE EM CORES

As figuras a seguir reproduzem, em cores, fenômenos físicos e experimentos relacionados com mecânica quântica, relatividade e a estrutura da matéria.

As figuras estão identificadas por capítulo.



CAPÍTULO 36

Encartetipr v3 1

6/18/09 2:51:42 PM

Encartetipr v3 2

6/18/09 2:51:47 PM

CAPÍTULO 37

Encartetipr v3 3

6/18/09 2:51:52 PM

CAPÍTULO 38

Encartetipr v3 4

6/18/09 2:52:02 PM

 

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