Questões de Concurso sobre Física Subatômica (Física de partículas)

Observe a figura abaixo, em que estão representadas as energias dos quatro primeiros níveis de energia para o átomo de hidrogênio.

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Fonte: FUNCERN, 2017

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Sobre um átomo de hidrogênio no estado fundamental incidem dois fótons, cujas energias são 13,20 eV e 10,20 eV, respectivamente.

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Nesse caso, será absorvida a energia do fóton com

O técnico do laboratório de ensino da UFJF precisa filtrar um feixe de elétron para garantir que todas as partículas saindo do canhão cheguem num alvo com a mesma velocidade. Para isso, ele monta um experimento com geradores de campos elétricos, magnéticos e um anteparo furado por um buraco muito pequeno.

Como mostrado na figura abaixo, os elétrons são acelerados por uma diferença de potencial de 2 kV.

Ao sair do acelerador, os elétrons se propagam ao longo do eixo z. Numa região do espaço, os campos elétricos $\overrightarrow{E}$ e magnéticos $\overrightarrow{B}$ são perpendiculares entre si e paralelos aos eixos x e y, respectivamente, nos sentidos positivos dos eixos. O buraco do anteparo foi colocado no eixo z.

Sabendo que o campo magnético tem um modulo de 0,1 Tesla e que a razão carga/massa do elétron vale 1,76 x 10¹¹ C/kg, qual valor o campo elétrico deve ter para o feixe passar pelo buraco do anteparo?

Analise as figuras 1 e 2, que representam um experimento com fótons e um com elétrons, respectivamente.

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Figura 1

após 21 fótons após 1000 fótons após 10000 fótons

Fonte: ZEMANSKY, SEARS. Física IV. 12ª ed. São Paulo: Pearson. 2008. p.207.

Figura 2

após 28 elétrons após 1000 elétrons após 10000 elétrons

Fonte: ZEMANSKY, SEARS. Física IV. 12ª ed. São Paulo: Pearson. 2008. p.226.

Na figura 1, os fótons foram individualmente emitidos em direção a um obstáculo no formato de dupla fenda. Na figura 2, os elétrons também foram emitidos individualmente em direção ao obstáculo no formato de dupla fenda.

A semelhança entre os padrões nas imagens obtidos demonstra que

Observe o gráfico abaixo que representa a predominância dos efeitos da interação de fótons com a matéria.

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E(MeV)

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Adaptado de: SÁ, José R.et al. Interação da Física das Radiações com o Cotidiano: uma prática multidisciplinar para o Ensino de Física. Revista Brasileira de Ensino de Física. São Paulo, v.39, n.1, 2017.

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Considerando que os fenômenos mais comuns na interação de fótons com a matéria, na faixa de energia de 10 keV a 100 MeV, são os efeitos Rayleigh, fotoelétrico, Compton e da produção de pares elétronpósitron, é correto afirmar que

Um elétron, de massa m e carga q = -e, devido à atração coulombiana, fica em órbita circular ao redor de um próton em repouso. A massa e a carga do próton valem, respectivamente, M e Q = +e. De acordo com o modelo de Bohr, o elétron só pode ocupar órbitas nas quais o seu momento angular obedeça a equação abaixo:

$L=n\frac{h}{2\pi }$

onde h é chamada “constante de Planck” e n é um número inteiro (n = 1, 2, 3, ...), conhecido como “número orbital”. Adote k como a constante eletrostática do vácuo, v a velocidade do elétron e sua órbita e R o raio da órbita do elétron. Considerando-se o elétron na n-ésima órbita, ou seja, na órbita caracterizada pelo número orbital de valor genérico n, e desprezando-se a interação gravitacional entre o elétron e o próton, determine a energia total do sistema.

Um átomo excitado pode emitir energia na forma de radiação eletromagnética. Analise as informações abaixo em relação a este fenômeno:

I) Para que haja emissão de energia, é preciso que um dos elétrons seja arrancado do átomo.

II) Para que haja emissão de energia, um dos elétrons tem que se deslocar para um nível de energia mais baixo.

III) A frequência da energia emitida só depende da órbita do elétron.

Assinale a alternativa CORRETA:

Desde o modelo atômico de Bohr, outros conceitos de átomo contribuem para estabelecer um modelo atômico condizente com os fenômenos observados.

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Nesse percurso, a compreensão atual do átomo constitui

A tabela 1 mostra cinco níveis de energia do átomo de hidrogênio.

Considere a velocidade da luz no vácuo: c = 3 × 10⁸ m/s e a Constante de Planck:

h = 6,6 × 10^–34 J·s = 4,1 × 10^–15 eV·s .

A linha H_β (comprimento de onda de 486,1 nm) do espectro de emissão do átomo de hidrogênio corresponde a uma transição entre os níveis:

Em um experimento de Efeito Fotoelétrico, uma maneira de se aumentar a energia cinética dos elétrons emitidos é:

Em 1913, Niels Bohr e Ernest Rutheford idealizaram um modelo atômico que era baseado em um conjunto de postulados . Um desses postulados era sobre a órbita eletrônica, isto é, as órbitas clássicas, não seriam mais possíveis, um elétron se moveria agora em uma órbita que respeitasse a quantização do(a):

O espalhamento de fótons por elétrons livres, fenômeno que ocorre quando fótons de alta frequência interagem com a matéria e perdem parte de seus momento e energia ao colidirem com elétrons e, consequentemente, têm a sua frequência e comprimento de onda modificados, é denominado:

A partir do primeiro e do segundo Postulados de Bohr, obtém-se uma expressão para o raio das possíveis órbitas circulares dos elétrons de um átomo constituído de um núcleo de carga “+e” massa “M”, e um único elétron de carga “-e” e massa “m”. Sendo “ε₀” a constante de permissividade do vácuo, “n” o número quântico e “h” a constante de Planck, esta expressão pode ser representada por:

Um experimento para fabricar micro ou nanoestruturas em um substrato fotossensível pode ser feito expondo-se o material a um padrão de intensidade luminoso não uniforme produzido pela interferência de dois feixes coerentes. Considere dois feixes coerentes de laser em 532 nm, oriundos da mesma fonte, e que interferem entre si formando um ângulo de 60º. O padrão de intensidade produzido pela interferência dos dois feixes incide em um filme fotossensível e produz uma grade de difração de período espacial Δ. Nesse contexto, o valor de Δ é

(Dado: sen 30° = 0,5)

Analise as seguintes afirmativas:

I. Quando um núcleo emite uma partícula alfa, o seu número atômico é reduzido em duas unidades se seu número de massa é diminuído em quatro. Então, a radiação alfa é constituída de 2 prótons e 2 nêutrons, sendo igual ao núcleo do hélio, e portanto deve sofrer um desvio de sua trajetória ao atravessar um campo elétrico.

II. A emissão beta é originária dos núcleos de átomos radioativos. Quando um núcleo emite uma partícula beta, o seu número atômico aumenta em uma unidade e não apresenta variação no número de massa. Isso porque um nêutron se desintegra, fornecendo um próton e um elétron. Esse elétron é emitido em altíssima velocidade, constituindo a emissão beta. Portanto, a trajetória de uma radiação beta não sofre qualquer desvio ao atravessar um campo elétrico.

III. Ao emitir radiações gama o átomo mantém tanto seu número atômico como o número de massa. As emissões gama são radiações eletromagnéticas e devido a sua enorme energia possuem a capacidade de penetrar profundamente na matéria, tendo, assim, um alcance superior às radiações alfa e beta.

Assinale a alternativa em que toda(s) a(s) afirmativa(s) está(ão) CORRETA(S):

Na montagem a seguir, elétrons são lançados com velocidades constantes de módulos diversos em direção a um seletor de velocidades, onde temos um campo elétrico (E) e um campo magnético (B), perpendiculares entre si.

Os módulos desses campos são, respectivamente, 4x10² kV/m e 2mT. Um dos elétrons lançados, passa pelo seletor seguindo a trajetória tracejada e entra em uma caixa cúbica, com 100cm de lado, onde há um segundo campo magnético de 10 Gauss, perpendicular à página e “entrando” nela.

O elétron sofre a ação desse segundo campo magnético que o desvia de sua trajetória original, fazendo-o executar movimento circular e uniforme até que ele se choque com uma das faces da caixa. O furo por onde o elétron entra, está localizado a 45 cm de distância do vértice A.

Com base nas informações dadas, sabendo que 1,0 Tesla equivale a 10.000 Gauss e considerando a massa do elétron como 9x10^-31kg e sua carga como 2x10^-19C, podemos afirmar que a velocidade do elétron que entra na caixa e a distância entre o ponto de colisão e o vértice A, valem, respectivamente:

As polarizações circular, elíptica e linear, do ponto de vista clássico, são descritas a partir do comportamento espaço-temporal da amplitude de uma onda eletromagnética. A descrição dos estados de polarização sob o ponto de vista dos fótons com momento angular L, momento linear p e vetor de onda k diz que a luz no estado de polarização P é representada pela superposição coerente de iguais quantidades de fótons em dois estados de polarização, R e L, respectivamente, resultado da

O princípio da dualidade onda-partícula aplica-se a todas as partículas quânticas. Ele foi proposto em 1924, por Louis de Broglie, estabelecendo que uma partícula de matéria com momento linear p (módulo do momento linear) tem uma onda de matéria associada ao movimento da partícula, sendo o comprimento de onda λ dessa onda de matéria associada igual a:

O efeito fotoelétrico, estudado no início do século XX por Albert Einstein, consiste na emissão de elétrons induzida pela ação da luz. Considerando o desenho esquemático da figura a seguir e supondo que o cátodo da célula fotoelétrica é iluminado com luz monocromática de frequência f e comprimento de onda λ e que os elétrons da sua superfície estão sujeitos a uma energia potencial Φ0 (função de trabalho) das partículas vizinhas, é correto afirmar que:

_{Fonte: Nussenzveig, H.M. Curso de física básica – 1ª edição Vol. 4 Ed. Blucher, p. 250.}