Física Moderna

A Física Moderna é uma área da Física que se originou em meados do século XX com o objetivo de estudar e explicar alguns conceitos que a Mecânica Clássica não conseguia. Por intermédio dela, surgiram grandes teorias, tais como a lei de Max Planck, a relatividade restrita e geral de Albert Einstein, o modelo atômico de Niels Bohr, a radioatividade descoberta por Antoine Becquerel e muito mais.

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O que é Física Moderna?

A Física Moderna é um campo da física composto pelas teorias que foram desenvolvidas a partir do século XX. Podemos destacar as áreas da teoria da relatividade, mecânica quântica e Física nuclear.

O que se estuda na Física Moderna?

A Física Moderna tem como objeto de estudo a investigação de fenômenos físicos inexplicáveis ou não aplicáveis pelos conhecimentos da Física Clássica, como o universo atômico e subatômico, composto pelas partículas que se movem a velocidades próximas à velocidade da luz.

História da Física Moderna

Próximo ao final do século XIX, cientistas da época acreditavam já estar concluindo todas as descobertas das leis da Física e do universo por meio da Mecânica Clássica. Entretanto, faltava comprovar a natureza e propriedades do éter, ainda tido como uma substância que preenchia o espaço, além de ser o meio das transações das ondas. Contudo, começaram a surgir discrepâncias em relação a essa ideia de éter onipresente e à de que a velocidade da luz deveria variar de acordo com a direção em que viajássemos levando-a em conta. Com isso, surgiu uma “nova física”, a Física Moderna.

➔ Principais descobertas e marcos da Física Moderna

• Em 1887: ocorreu o experimento Michelson-Morley, realizado por Albert Michelson (1852-1931) e Edward Morley (1838-1923) com o intuito de comprovar a diferença de velocidade entre dois feixes de luz emitidos até um espelho e a influência que o éter fazia na velocidade da luz. Contudo, o resultado demonstrou que a velocidade da luz dos feixes era aproximadamente a mesma e que ou o éter não existia ou sua influência era mínima.

• Em 1895: descoberta dos raios X por Wilhem Röntgen (1845-1923), sendo uma radiação eletromagnética de alta frequência e extremamente penetrante.

• Em 1896: descoberta da radioatividade por Antoine Becquerel (1852-1908), processo em que os átomos instáveis decaem emitindo radiação.

• Em 1898: Marie Curie (1867-1934) e Pierre Curie (1859-1906) publicaram um documento divulgando a existência do elemento polônio. Em dezembro daquele mesmo ano, eles comunicaram a existência do elemento rádio.

• Em 1900: Max Planck (1858-1947) apresentou seu estudo da radiação do corpo negro, que ocorre quando um corpo é capaz de absorver toda a radiação eletromagnética incidida sobre ele (daí a nomenclatura “corpo negro”) e reemiti-la como radiação eletromagnética térmica.

• Em 1901: publicação da lei de Planck por Max Planck, em que ele quantiza a energia em números inteiros e múltiplos de \(h\cdot v \) e resolve o problema da radiação de corpo negro.

• Em 1905: Albert Einstein (1879-1955) publica o artigo Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento, considerando que o conceito de éter é desprezível em razão dos resultados obtidos pelo experimento Michelson-Morley, partindo assim para o desenvolvimento dos postulados da teoria da relatividade restrita:

  • Princípio da relatividade restrita: “As leis da Física são as mesmas para todos os observadores em todos os referenciais inerciais. Não existe um referencial inercial absoluto.”

  • Princípio de constância da velocidade da luz: “A velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor c em todas as direções e em todos os referenciais inerciais.”

Além disso, no mesmo ano, Albert Einstein, influenciado pelos trabalhos de Phillip Lenard (1862-1946), publicou um artigo propondo uma nova teoria para a luz, sendo que o efeito fotoelétrico poderia comprová-la. O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons de uma superfície metálica quando sujeita a uma frequência específica de radiação eletromagnética

• Em 1909: realização do experimento de Rutherford (1871-1937) por ele e sua equipe. Consistia na emissão de partículas alfa, em alta velocidade, até atingirem uma finíssima folha de ouro. Como resultado dessa colisão, notou-se que os núcleos atômicos deveriam ser densos e pesados para explicar a variação sofrida pelos ângulos dessas partículas e os ricocheteados das partículas alfa. Assim, foi contestado o modelo atômico proposto por Thomson.

• Em 1913: Niels Bohr (1885-1962) propôs um novo modelo atômico, em que previa que os elétrons de um átomo só podiam ter valores quantizados de energia. Além disso, para que os elétrons mudem de um nível de energia para outro nível de energia mais alta, eles precisam absorver uma quantia de energia que seja igual à diferença entre os dois níveis.

• Em 1914: realização do experimento de Franck-Hertz por James Franck (1882-1964) e Gustav Hertz (1887-1975), que comprovou a teoria da quantização dos níveis de energia desenvolvida por Bohr.

• Em 1915: Einstein publicou a teoria da relatividade geral que introduzia a ideia de tecido espaço-tempo — combinação das três coordenadas espaciais com uma coordenada temporal que geram um tecido que rodeia todos os corpos celestes, sendo capaz de se deformar pela presença deles. Conduziu a uma nova definição da gravidade como a consequência da curvatura do espaço-tempo sobre os corpos. Em razão disso, ao se deslocar pelo tecido espaço-tempo deformado pelos corpos massivos, a luz sofre um desvio.

• Em 1919: comprovação da relatividade geral de Einstein por meio do fenômeno das lentes gravitacionais. Ele observou o desvio sofrido pela luz ocorrido durante um eclipse solar total. Foi medida a sua duração simultaneamente em São Tomé e Príncipe e na cidade de Sobral, no Ceará.

• Em 1924: Louis de Broglie (1892-1987) comprovou a dualidade onda-partícula: todo corpo pode se comportar ora como onda, ora como partícula.

• Em 1926: surgimento da mecânica quântica por meio dos estudos de Erwin Schröedinger (1887-1961) e Werner Heisenberg (1901-1976).

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Aplicações da Física Moderna

A Física Moderna possui diversas aplicações, já que o seu estudo propiciou novos conhecimentos a respeito da Física e possibilitou o avanço da tecnologia. A seguir, podemos ver alguns exemplos de equipamentos do nosso cotidiano que utilizam as descobertas da Física Moderna para funcionarem:

• O GPS é calibrado por meio da teoria da relatividade.

• O leitor do código de barras e os lasers têm os conhecimentos a respeito das ondas eletromagnéticas aplicados para funcionarem.

• Novos celulares, computadores e notebooks utilizam a nanotecnologia. 

• Exames de raio X utilizam baixas doses de radiação.

• As portas automáticas de shoppings funcionam por intermédio do efeito fotoelétrico.

Física Clássica x Física Moderna

A Física Clássica é a área da Física que explica os fenômenos que acontecem na escala macroscópica, à qual são válidas as leis de Newton e em que consideramos os conhecimentos desenvolvidos até o final do século XIX. A partir dessa época, inicia-se a Física Moderna, a Física na qual não são válidas as Leis de Newton.

Exercícios resolvidos sobre Física Moderna

Questão 1

(UFRS) Os raios X são produzidos em tubos de vidro a vácuo, nos quais elétrons sofrem uma brusca desaceleração quando colidem contra um alvo feito de metal. Dessa forma, podemos dizer que os raios X constituem um feixe de:

a) elétrons

b) fótons

c) prótons

d) nêutrons

e) pósitrons

Resolução:

Alternativa B

Os raios X são um tipo de radiação eletromagnética composta por fótons.

Questão 2

(PUC-MG) O efeito fotoelétrico consiste:

a) na existência de elétrons em uma onda eletromagnética que se propaga em um meio uniforme e contínuo.

b) na possibilidade de se obter uma foto do campo elétrico quando esse campo interage com a matéria.

c) na emissão de elétrons quando uma onda eletromagnética incide em certas superfícies.

d) no fato de que a corrente elétrica em metais é formada por fótons de determinada energia.

e) na ideia de que a matéria é uma forma de energia, podendo transformar-se em fótons ou em calor.

Resolução:

Alternativa C

O efeito fotoelétrico ocorre quando elétrons são emitidos de superfícies metálicas, quando aplicamos nelas uma onda eletromagnética.