6: Fótons e ondas de matéria
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Neste capítulo, você aprenderá sobre a energia quântica, um conceito que foi introduzido em 1900 pelo físico alemão Max Planck para explicar a radiação do corpo negro. Discutimos como Albert Einstein estendeu o conceito de Planck para um quantum de luz (um “fóton”) para explicar o efeito fotoelétrico. Também mostramos como o físico americano Arthur H. Compton usou o conceito de fóton em 1923 para explicar as mudanças de comprimento de onda observadas nos raios-X. Depois de uma discussão sobre o modelo de hidrogênio de Bohr, descrevemos como as ondas de matéria foram postuladas em 1924 por Louis-Victor de Broglie para justificar o modelo de Bohr e examinamos os experimentos conduzidos em 1923—1927 por Clinton Davisson e Lester Germer que confirmaram a existência das ondas de matéria de Broglie.
- 6.1: Prelúdio de fótons e ondas de matéria
- Dois dos conceitos mais revolucionários do século XX foram a descrição da luz como uma coleção de partículas e o tratamento das partículas como ondas. Essas propriedades de onda da matéria levaram à descoberta de tecnologias como a microscopia eletrônica, que nos permite examinar objetos submicroscópicos, como grãos de pólen, conforme mostrado acima.
- 6.2: Radiação de corpo negro
- Todos os corpos irradiam energia. A quantidade de radiação que um corpo emite depende de sua temperatura. A lei experimental de deslocamento de Wien afirma que quanto mais quente o corpo, menor o comprimento de onda correspondente ao pico de emissão na curva de radiação. A lei experimental de Stefan afirma que a potência total da radiação emitida em todo o espectro de comprimentos de onda a uma determinada temperatura é proporcional à quarta potência da temperatura Kelvin do corpo radiante.
- 6.3: Efeito fotoelétrico
- O efeito fotoelétrico ocorre quando os fotoelétrons são ejetados de uma superfície metálica em resposta à radiação monocromática incidente na superfície. Tem três características: (1) é instantânea, (2) ocorre somente quando a radiação está acima de uma frequência de corte e (3) as energias cinéticas dos fotoelétrons na superfície não dependem da intensidade da radiação. O efeito fotoelétrico não pode ser explicado pela teoria clássica.
- 6.4: O efeito Compton
- O efeito Compton é o termo usado para um resultado incomum observado quando os raios X estão espalhados em alguns materiais. Pela teoria clássica, quando uma onda eletromagnética é dispersa pelos átomos, espera-se que o comprimento de onda da radiação dispersa seja o mesmo que o comprimento de onda da radiação incidente. Ao contrário dessa previsão da física clássica, as observações mostram que quando os raios X são espalhados por alguns materiais, como o grafite, os raios X dispersos têm comprimentos de onda diferentes da onda
- 6.5: Modelo de Bohr do átomo de hidrogênio
- A física clássica não pode explicar o espectro do hidrogênio atômico. O modelo Bohr de hidrogênio foi o primeiro modelo de estrutura atômica a explicar corretamente os espectros de radiação do hidrogênio atômico. Foi precedido pelo modelo nuclear de Rutherford do átomo. No modelo de Rutherford, um átomo consiste em um núcleo pontual com carga positiva que contém quase toda a massa do átomo e de elétrons negativos localizados longe do núcleo.
- 6.6: Ondas de matéria de De Broglie
- De acordo com a hipótese de de Broglie, fótons sem massa, bem como partículas massivas, devem satisfazer um conjunto comum de relações que conectam a energia E com a frequência f e o momento linear p com o comprimento de onda λ
- 6.7: Dualidade onda-partícula
- A dualidade onda-partícula existe na natureza: sob algumas condições experimentais, uma partícula age como uma partícula; em outras condições experimentais, uma partícula age como uma onda. Por outro lado, sob algumas circunstâncias físicas, a radiação eletromagnética atua como uma onda e, em outras circunstâncias físicas, a radiação age como um feixe de fótons. Experimentos modernos de dupla fenda com elétrons demonstraram conclusivamente que imagens de difração de elétrons são formadas devido à natureza ondulatória dos elétrons.
Miniaturas: uma configuração experimental para estudar o efeito fotoelétrico. O ânodo e o cátodo são colocados em um tubo de vidro evacuado. O voltímetro mede a diferença de potencial elétrico entre os eletrodos e o amperímetro mede a fotocorrente. A radiação incidente é monocromática.