Questões de Concurso sobre Física Subatômica (Física de partículas)

Sobre o Espalhamento Rayleigh, analise as afirmativas abaixo e dê valores Verdadeiro (V) ou Falso (F).

( ) A secção de choque diminui com o aumento da energia.

( ) Não ocorre transferência de energia, exceto pela pequena parcela responsável pelo recuo do átomo a fim de garantir a conservação de momento no processo.

( ) A direção do fóton espalhado é, em geral, próxima à de incidência.

( ) A frequência de efeito depende do número atômico e da energia do fóton.

( ) Os ângulos de espalhamento são menores para energias menores.

Assinale a alternativa que apresenta a sequência correta de cima para baixo.

Em relação à Estrutura do Átomo, marque V para verdadeiro e F para falso. Em seguida, assinale a alternativa com a sequência correta.

( ) Matéria é algo que possui massa e ocupa lugar no espaço.

( ) Toda matéria é classificada, exclusivamente, como elemento.

( ) Os átomos são constituídos, exclusivamente, pelas seguintes partículas subatômicas: elétrons e nêutrons.

( ) O próton é a carga positiva (+) fundamental da eletricidade e ele gira em torno do núcleo em trajetórias de “camadas” concêntricas.

Um átomo de silício possui 14 elétrons em órbita. Considerando a estrutura atômica, quantos elétrons estão distribuídos na segunda camada (camada L)?

Partículas elementares são aquelas, como o próprio nome sugere, indivisíveis. Desde a era pré-cristã, acreditava-se que o átomo fosse a menor partícula da matéria. Apenas no final do século XIX, o físico inglês J. J. Thomson descobriu o elétron, a primeira partícula elementar.

Assim, é correto afirmar que

O comprimento de onda de fótons emitidos por LEDs (diodos emissores de luz) pode ser modelado pela diferença de energia entre os níveis de energia da banda de condução e da banda de valência dos materiais empregados na camada ativa desses dispositivos, popularmente denominado como gap ou lacuna (E_g). Para fins de modelagem podemos, então, utilizar a equação de Einstein para energia do fóton associado à transição entre as bandas de valência e condução para relacionar a energia do fóton, sua frequência e seu comprimento de onda:

E = hf = (hc)/λ

onde h = 4,136 x 10^-15 eV.s é a constante de Planck e c = 2,998 x 10⁸ m/s é a velocidade da luz em valores com quatro algarismos significativos.

A tabela abaixo apresenta a composição química de alguns dos materiais semicondutores usualmente empregados em LEDs comerciais que permitem a geração das mais variadas cores associadas aos fótons emitidos pelos dispositivos em que são empregados.

Assinale a alternativa que apresenta um valor adequado para o gap de energia do LED verde composto por InGaN estimado de acordo com o modelo acima.

O hidrogênio é um elemento químico que participa da composição de diversas substâncias de nosso cotidiano. Foi descoberto no ano de 1766 pelo físico-químico francês Henry Cavendish e é um elemento com características peculiares sendo, uma delas, não possuir nêutron em seu núcleo atômico. Portanto, o átomo de hidrogênio é formado basicamente por um próton e um elétron. Admita que a distância média entre o próton e o elétron no átomo de hidrogênio seja igual a d e a força de atração entre essas duas partículas seja igual a F.

Imagine que, de forma hipotética, fosse criado em laboratório um átomo semelhante ao hidrogênio, com um próton e um elétron, mas com uma distância 2d entre eles.

É CORRETO afirmar que, nesse átomo hipotético, a força de atração F’ entre o próton e o elétron comparada ao átomo de hidrogênio seria de:

O gráfico abaixo mostra a energia cinética de fotoelétrons ejetados de um certo metal em função da frequência da luz incidente sobre o metal em questão:

A partir dos dados apresentados no gráfico, o valor da função trabalho do metal, em J, deve estar mais próximo de:

Entre 1912 e 1913, Niels Bohr propôs uma reformulação do modelo de Rutherford, corrigindo os erros apresentados por este. Para tal, formulou três postulados:

I. Os elétrons se movem em orbitas estáveis (estacionárias) ao redor do núcleo sem emitir radiação (mesmo acelerados).

II. Ao mudar de órbita, ocorre absorção ou emissão de energia na forma de um fóton, cuja energia é igual à diferença entre as energias associadas às órbitas (ℎ𝑓 = $\frac{E_0}{n_f^2}-\frac{E_0}{n_i^2}$), onde ℎ = 4,14 × 10⁻¹⁵ 𝑒𝑉. 𝑠, 𝐸₀ =−13,6 eV e 𝑛_𝑓 e 𝑛_𝑖 correspondem às órbitas final e inicial do elétron, respectivamente.

III. A componente na direção z do momentum angular do elétron nas órbitas é quantizada (𝐿 = 𝑛ℏ), onde ℏ = $\frac{h}{2\pi }$.

O modelo assim proposto foi bem-sucedido em explicar e predizer as linhas espectrais observadas no átomo de hidrogênio (série de Pashen para o infravermelho, série de Balmer para o visível e série de Lyman para o ultravioleta). Considere as faixas de frequência apresentadas na tabela abaixo:

O salto quântico (𝑛𝑓→𝑛_𝑖 ) que corresponde à série de Balmer é:

De acordo com o princípio da dualidade onda-partícula, para compreender a radiação, é necessário um modelo de partícula para algumas situações e um modelo de onda em outras situações. Qual das opções abaixo representa um fenômeno em que a radiação eletromagnética se comporta como uma partícula?

Analise as afirmativas abaixo e dê valores Verdadeiro (V) ou Falso (F).

( ) A velocidade em que a partícula carregada perde energia por unidade de comprimento de percurso é definida como força de frenação.

( ) A transferência linear de energia (LET) é definida como a quantidade de energia depositada localmente (i.e., que não inclui a energia perdida para elétrons energéticos ou raios delta) por unidade de comprimento de percurso.

( ) A radiação com uma LET mais alta se mostra mais eficaz em causar dano biológico.

( ) Os elétrons de baixa energia têm força de frenagem mais baixa que aqueles com energia mais alta, e a deposição de energia é maior em material mais denso do que no material menos denso.

Assinale a alternativa que apresenta a sequência correta de cima para baixo.

Assinale a alternativa que apresenta corretamente a definição do efeito Bystander radioinduzido.

O efeito túnel é um dos fenômenos mais intrigantes da física moderna. Uma das aplicações para tal efeito é a descrição do comportamento de uma partícula alfa tentando escapar da ação de uma barreira de potencial Coulombiana, onde sua energia é menor do que a energia da barreira. Ao resolver a equação de Schrödinger para esse sistema, é possível mostrar que há uma probabilidade não nula de a partícula, mesmo com energia menor do que o potencial, ser encontrada após a região delimitada pela barreira. Considere uma barreira de potencial 𝑉₀, que se estende de 𝑥 = 0 a 𝑥 = 𝑎 . A representação gráfica da solução independente do tempo da equação de Schrödinger para a densidade de probabilidade dessa barreira de potencial é:

Em 1923, Arthur Holly Compton conduziu uma série de experimentos para investigar o fenômeno de espalhamento dos Raios-X por elétrons em um determinado alvo. Durante os experimentos, ele observou um comportamento intrigante: ao incidir uma onda eletromagnética sobre o alvo, os fótons colidiam com os elétrons e sofriam uma redução em sua energia. Considere um fóton com uma frequência de 3 × 10¹⁸ Hz, que colide elasticamente com um elétron inicialmente em repouso, conforme mostrado na Figura 4 abaixo:

Figura 4

Com base nessas informações, utilizando ângulo de espalhamento 𝜃 = 90°, constante de Planck ℎ = 6,6 × 10⁻³⁴ 𝑚²𝑘𝑔/𝑠, velocidade da luz 𝑐 = 3 × 10⁸ 𝑚/𝑠 e a massa do elétron 𝑚_𝑒 = 9,1 × 10⁻³¹ 𝑘𝑔 e, qual é o valor aproximado do comprimento de onda do fóton espalhado?

Duas partículas, A e B, estão alinhadas na direção horizontal, sendo que a partícula A move-se com velocidade inicial de 2,4 x 10⁶ m/s em direção à partícula B, que está inicialmente em repouso. Após a colisão, que é perfeitamente elástica, a partícula B sofre um desvio de α = 30º em relação ao eixo horizontal, e a partícula A desvia-se de um ângulo θ com velocidade final VA, conforme a figura ao lado. Considerando que as partículas possuem a mesma massa, assinale a alternativa que apresenta corretamente o valor de VA.

A quantidade de movimento de uma partícula é uma quantidade escalar, justamente pelo fato de ser linear, ou seja, de ser sempre definida sobre uma linha reta.

O Laboratório Cavendish, em Cambridge, Inglaterra, era, ao final do século XIX, um dos centros de pesquisa mais avançados do mundo. Em 1897, ele era dirigido pelo pesquisador J. J. Thomson que demonstrou a existência da partícula chamada

A consolidação definitiva da ideia do átomo veio ao final do século XIX, quando o avanço nos estudos da estrutura corpuscular da matéria trouxe evidências experimentais de resultados até então teóricos, surgindo à época alguns modelos que tentavam representar o átomo. Em relação a esses modelos atômicos clássicos são feitas as seguintes afirmações:

I. No modelo atômico de Bohr, a frequência da radiação eletromagnética assume valores discretizados, a qual está relacionada com a diferença entre as energias correspondentes a dois estados.

II. Considerando o modelo atômico de Rutherford, para o átomo de hidrogênio, podemos afirmar que a aceleração do elétron pode ser calculada por meio da expressão a = K∙q² ∙me${}_e^{-1}$, em que K é a constante eletrostática do meio, q é a carga elementar, e me é a massa do elétron.

III. No modelo atômico de Bohr, quando se analisa os níveis de energia, o estado estacionário é menos energético que o estado fundamental e que os estados excitados.

IV. A energia emitida pela radiação eletromagnética no modelo atômico de Rutherford é proporcional a hf, em que h é a constante de Planck e f é a frequência da radiação eletromagnética.

Está(ão) correta(s) apenas a(s) afirmação(ões)

Um fóton pode se comportar como uma partícula ou como uma onda de acordo com a situação. Ao interagir com a superfície de um metal, um fóton apresenta um comportamento de partícula. Contudo, ao se propagar desde a fonte até a superfície do metal, o elétron possui um comportamento de onda. Em 1924, Louis de Broglie propôs esse mesmo comportamento dual para partículas de matéria, as quais são dotadas de uma onda que as guiam enquanto estão se deslocando. Dessa forma, uma bola de futebol, cuja massa é aproximadamente 430 g, viajando a 90 km/h, apresentará um comprimento de onda, em m, de aproximadamente:

Considere ℎ = 6,6 × 10⁻³⁴𝐽. s

A figura a seguir mostra, representados por segmentos orientados, o vetor velocidade$\overrightarrow{v}$ e o vetor aceleração $\overrightarrow{a}$ de uma partícula correspondentes a um mesmo instante, sendo

|$\overrightarrow{v}$| = 12 m/s,

|$\overrightarrow{a}$| = 4m/s², e

cos θ = 3/5.

Suponha que a trajetória dessa partícula seja circular.

Nesse caso, seu raio é igual a

Em 1923, Arthur Holly Compton realizou experimentos para determinar o espalhamento dos raios-x por elétrons por um determinado alvo. A partir da física clássica, ao incidir, sobre um “alvo”, uma onda eletromagnética com dada frequência, os elétrons desse “alvo” oscilarão e, posteriormente, irradiarão ondas eletromagnéticas com essa mesma frequência. Contudo, Compton observou que os fótons, após colidirem com elétrons, tinham uma redução em suas energias.

Considere um fóton com momentum dado por 𝑝_𝛾 = $\frac{hc}{\lambda }$ que incide sobre um elétron inicialmente em repouso. Após a colisão, o elétron e o fóton adquirem, respectivamente, momentum de módulo 𝑝′_𝑒 = 𝑚𝑣 e 𝑝′_𝛾 = $\frac{hc}{{\lambda }^{\prime }}$ , conforme a figura abaixo. Considere, ainda, que a colisão é perfeitamente elástica e que a energia do elétron antes da colisão é dada por 𝐸𝑒 = $\sqrt{p_e^2{c}^2+m_e^2{c}^4}$.

Com base no exposto acima, o comprimento de onda do fóton espalhado 𝜆′ é igual a: