Aula 9-23.2-Introdução a Pesquisa, constante de Planck, professor Rafael, nesta sexta, 5

 

Professor Rafael Rodrigues no IQUANTA da UFCG, campus Sede.

Nesta aula 9 da disciplina de Introdução a Pesquisa explicaremos  como conseguir a  Dispersão da Luz no laboratório, ministrada pelo professor Rafael, nesta quarta-feira, 4 de abril, das 18:20h às 20h.

 Aparentemente, vemos um espectro continuo da luz. Quando a luz branca sofre refração em um meio transparente, como as gotículas de água suspensa no ar, ela sofre dispersão, formando o arco-iris com sete cores de luz visíveis, devido aos índices de refrações diferentes para cada frequência, a luz branca se decompõe  nas cores que a compõem:  violeta, amarelo, laranja, vermelho, azul, anil e verde. Esse fenômeno da dispersão  ocorre nos laboratórios didáticos quando fazemos a luz incidir em um prisma, observado por Newton que defendia o modelo de partícula para a Luz. Na mesma época,  Huyguens  defendia que a luz era uma onda. 

 Como fazer um experimento para verificar a constante de Planck?

A constante de Planck, h, está presente na mecânica quântica.

  

O seguinte experimento teve por objetivo determinar a constante de Planck, uma das constantes fundamentais da Física Quântica. Os dados de tensão de corte e comprimento de onda, este obtido através de um experimento secundário, possibilitaram a determinação do valor da constante, também definiu-se como meta desenvolver um experimento de baixo custo e acessível, como alternativa ao experimento de Efeito Fotoelétrico.

INTRODUÇÃO

Constante de Planck

Por um longo período o desenvolvimento cientifico da Física Clássica dava-se basicamente por conceitos das Leis de Newton, que descrevem os movimentos mecânicos dos corpos, da mesma forma as Leis da Termodinâmica relacionam os parâmetros (Temperatura x Pressão x Volume), bem como as Equações de Maxwell descrevem o eletromagnetismo clássico.

Porém os conceitos desenvolvidos por essa base cientificam clássica não são suficientes para análise de Corpos Negros. Corpos recebem essa denominação quando estes absorvem toda a radiação eletromagnética incidida, não permitindo que a mesma atravesse nem seja refletida.

Max Planck, um dos pioneiros no estudo de corpos negros, baseou-se inicialmente na Lei da Radiação de Wien, adequando a ela parâmetros da termodinâmica e eletromagnetismo, para que assim pudesse descrever matematicamente os dados experimentais.

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 Posteriormente, Einstein valendo-se dos avanços realizados por Planck propôs a quantificação da radiação eletromagnética, sendo este o limiar da criação da Física Quântica. Einstein concluiu que a energia se propagava por meio de pequenos pacotes de energia, denominados fótons, diferente do que propunha a física clássica que propunha que a luz se propagava como uma onda.

Veja, apesar de Einstein basear nos estudos da radiação de corpos negros de Planck, ele era contrário a afirmação de Planck quanto a propagação da luz.

Einstein quantificou a energia de um fóton sendo o produto da constante de Planck h pela frequência f.

O experimento realizado visa ser uma alternativa mais simples e de baixo custo para o experimento do Efeito Fotoelétrico que consiste na emissão de elétrons por um corpo quando exposto a uma radiação de alta frequência, e como descrito por Einstein a intensidade de uma luz depende da quantidade de fóton emitidos.

Para a realização do experimento foram escolhidos LEDs, que nada mais são que diodos foto emissores, que emitem luz segundo a uma diferença de potencial nos seus terminais. Diferentes cores de LEDs são obtidas segundo a adição de elementos químicos, dopagem dos mesmos, que são geralmente compostos por arsenieto de gálio (GaAs) ou fosfeto de gálio. Como exemplo do led vermelho, o material semi-condutor recebe impurezas “dopado” com átomos de fósforo. Outro motivo da utilização dos LEDs é por estes atuarem segundo uma baixa diferença de potencial, variando de 1.4V a 3.3V

Segundo Einstein, a emissão de fótons inicia-se no momento em que é gerada uma diferença de potencial 𝞅, chamada de tensão de corte. Para diferentes cores de LED tem-se diferentes tensões de corte, perante a tensão de corte o LED inicia a emissão de luz que pode ser visível ou não.

Com base nisso, Einstein descreve h para a tensão de corte como:

h= (e𝞅)/f = (λe𝞅)/c                                                                            (I)

Em que:
𝞅: tensão de corte;
f : frequência
h : constante de Planck;
e: carga de um elétron;
λ : comprimento de onda;
c: velocidade da luz no vácuo

Experimento de difração da luz

Com o experimento de difração da luz é possível encontrar o comprimento de onda de uma determinada fonte de luz. Ao emitir seus feixes, de acordo com o montagem experimental adequada, a luz irá difratar após passar pela rede de difração, assim, é possível observar seus feixes difratados no anteparo da régua branca. Coletando as medidas necessárias, faz-se o uso da fórmula abaixo para encontrar o comprimento de onda do feixe de luz.

λ=dy/(y²+x²)^1/2                                                         (II)

Em que:
λ : comprimento de onda;
d : constante da rede de difração;
y: distância do feixe central da luz até seu feixe difratado;
x: distância da régua até a rede de difração.

Este trabalho foi realizado pelso estudantes da UFLA Igor e Marina.

https://projetosfisicaexperimental.blogspot.com/2016/03/calculo-da-constante-de-planck.html

Duas questões sobre Físicia Quântica

1) Sobre o efeito fotoelétrico, marque a alternativa correta:

a) O efeito fotoelétrico depende da intensidade da radiação incidente sobre a placa metálica.

b) Não há frequência mínima necessária para a ocorrência desse fenômeno.

c) A frequência de corte é fruto da razão entre a função trabalho e a constante de Planck.

d) A energia cinética dos fotoelétrons é diretamente proporcional ao comprimento de onda da radiação incidente.

2) A tabela abaixo mostra as frequências para três tipos distintos de ondas eletromagnéticas que irão atingir uma placa metálica cuja função trabalho corresponde a 4,5eV. A partir dos valores das frequências podemos afirmar que:

 

Dados: Considere a constante de Planck como h = 4,0x10^-15 eV.s, e a velocidade da luz no vácuo c = 3,0x x10⁸m/s

a) A onda C possui frequência menor que a frequência de corte.
b) A energia cinética do fotoelétron atingido pela onda D é de 13,5eV.
c) O efeito fotoelétrico não ocorrerá com nenhuma das ondas.
d) A razão entre a frequência de corte e a frequência da onda A é 0,085.
e) O comprimento de onda referente à onda B é 2,0xx10^-10 m.

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