Física Moderna

A Física Moderna é a produção científica que ocorreu ou que foi baseada nas descobertas dos físicos a partir do final do século XIX. Mesmo tendo passado muito tempo, muitas das indagações científicas feitas nesse período continuam sem resposta. Devido a isso, a classificação “moderna” é conservada.

Essa área do saber tem como objeto de estudo o comportamento de corpos que se movem com velocidades próximas ou, teoricamente, iguais à da luz. Ela estuda também corpos com dimensões iguais ou inferiores às dos átomos e corpos separados por distâncias astronômicas (anos-luz).

Alguns pioneiros alicerçaram as maiores descobertas ou perguntas que constituem a Física Moderna, como Einstein, com a teoria da relatividade restrita e o efeito fotoelétrico; Marie Curie, com a radioatividade; Max Planck, com a energia quantificada; e Niels Bohr, com o estudo do átomo de hidrogênio. Mesmo com tantas inovações, a Física Clássica ou newtoniana ainda é válida, porém limitada a determinadas velocidades, dimensões e distâncias dos corpos em estudo.

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Resumo sobre Física Moderna

• A Física Moderna é a união dos avanços científicos ocorridos desde o final do século XIX.

• A Física Moderna estuda a teoria da relatividade restrita, a mecânica quântica e a Física Nuclear.

• Dentre os marcos da Física Moderna pode-se destacar o comportamento de partículas com velocidades próximas ou iguais à da luz.

• Um segundo marco da Física Moderna foi a descoberta do átomo de hidrogênio e a energia quantificada.

• A Física Clássica ainda é válida para corpos com velocidade muito abaixo à da luz, dimensões muito superiores às dos átomos ou para corpos separados por distâncias inferiores às astronômicas.

O que é Física Moderna?

A Física Moderna é o apanhado das inovações e indagações que ocorreram após o final do século XIX e do século XX em diante. A classificação é mantida devido ao fato de que muitas das indagações ainda não tiveram respostas, e aquelas que foram respondidas levaram a ainda mais perguntas.

O que a Física Moderna estuda?

A Física Moderna engloba o estudo referente a:

• Teoria da relatividade restrita: estuda o comportamento de corpos que se movem com velocidades próximas ou iguais à da luz e os fenômenos espaciais e temporais associados a isso.

• Mecânica quântica: estuda o comportamento de corpos de tamanho igual ou inferior às dimensões dos átomos.

• Física atômica: tem como objeto de estudo o arranjo eletrônico dos átomos e das moléculas, a radiação eletromagnética que podem emitir e a forma de como eles mesmos ou a radiação interage com a matéria.

Desses ramos de estudo surgiram várias ramificações, como o estudo de corpos que se encontram a vários anos-luz da Terra. O estudo sobre eles é possível devido aos avanços sobre o comportamento da luz e de corpos que viajam com velocidade próxima a ela. Outra aplicação é o funcionamento dos microchips utilizando o tunelamento quântico partindo do princípio da incerteza de Heisenberg.

História e marcos da Física Moderna

A Física Moderna apresentou vários marcos relevantes que deram partida a uma nova era para Física, explicando ou corrigindo lacunas deixadas pela Física Clássica. A seguir, serão listados os quatro principais.

→ Max Planck — Quantização de energia

Max Planck (1858-1947) foi um físico teórico que se dedicou principalmente ao estudo da termodinâmica. De acordo com Planck, quanto mais próximo da cor branca, maior seria a temperatura irradiada pelo corpo. Um exemplo é o filamento da lâmpada incandescente, que atinge temperaturas superiores a 2000 °C.

Os cálculos de Planck o levaram à conclusão de que corpos que possuem temperaturas elevadas não emitiam essa energia na forma de onda como era pensado, mas na forma de pequenos pacotes de energia, chamados de “quantum” por ele, sendo a menor quantidade possível de energia proporcional à frequência da radiação que é captada, sendo absorvida ou emitida pelo corpo.

No período em que essa teoria foi apresentada, ela não foi bem recebida, já que a explicação dada pela ondulatória parecia ser mais favorável à opinião da comunidade científica, porém com a contribuição do efeito fotoelétrico apresentado por Einstein, a teoria acabou sendo mais aceita.

→ Albert Einstein — Teoria da relatividade restrita

Albert Einstein (1879-1955) foi um dos maiores físicos da história. A teoria da relatividade restrita que propôs tem como base dois princípios:

• O primeiro princípio implica que as leis da Física são válidas para todos os referenciais inerciais.

• O segundo princípio diz que a velocidade da luz no vácuo é a mesma para todo observador, independentemente da velocidade deste.

Assim, concluiu-se que para objetos que se movem com a velocidade próxima à da luz, o tempo se dilata, ou seja, é como se ele passasse mais lentamente nessa condição. No caso da distância ou comprimento, se contrai. É como se o comprimento fosse menor na velocidade da luz ou em um valor próximo a ela.

A massa de um corpo na velocidade próxima à da luz tende a dilatar-se — é como se fosse maior. Assim, a energia relativística equivale ao produto da velocidade da luz (c), que vale aproximadamente 3·10⁸ m/s² com a diferença entre a massa do corpo em repouso (m₀) e sua massa na velocidade máxima (m).

\(E=(m-m_o)\cdot c²\)

Interessante: Outra contribuição relevante dada por Einstein, que colaborou com a teoria de Planck, foi a explicação do efeito fotoelétrico descoberto por Heinrich Hertz. De acordo com ele, quando se projeta luz com determinada frequência sobre uma superfície metálica, os fótons (quantum, de acordo com Planck) que compõem a luz transmitem energia aos elétrons que estão ligados aos átomos do metal, fazendo com que estes sejam ejetados do núcleo. Esse princípio é muito utilizado nos painéis solares.

→ Marie Curie — Radiação

Marie Curie (1867-1934) revolucionou o estudo da radioatividade. Sua pesquisa, que se deu com o auxílio de seu marido, Pierre Curie, consistia na purificação de pechblenda (minério derivado do urânio). Com isso, obteve-se o polônio, elemento cerca de 300 vezes mais ativo que o urânio, cujo nome foi dado em homenagem ao seu país de origem.

Porém, o material residual desse tratamento era ainda mais ativo que o novo elemento. A atividade dos raios invisíveis emitidos pelos elementos foi chamada de radioatividade. Após a purificação e cristalização desse material residual, eles obtiveram um elemento três vezes mais radioativo que o polônio, o rádio. Suas descobertas colaboram grandemente com a medicina, na criação dos aparelhos de raio-X e na aplicação medicinal do elemento rádio.

→ Niels Bohr — Elétrons no átomo de hidrogênio

Niels Bohr (1885-1962) foi um físico que ficou conhecido por seus trabalhos sobre a estrutura atômica. Ele estudou com Thomson (descobriu a existência do elétron). Com base nas descobertas de Rutherford e Planck, Bohr descobriu que os elétrons que giravam em torno do núcleo poderiam ocupar até sete órbitas diferentes, estáveis e sem irradiar energia. Tais órbitas foram chamadas de estados estacionários.

É possível que um elétron mude de um estado estacionário para outro caso receba ou emita energia. Essa energia é transmitida através dos fótons. No caso de receber fótons, o elétron vai para a órbita superior; caso perder, vai para a camada inferior. Com isso, foi descoberto o número quântico principal, que foi uma das principais colaborações para a formação da Tabela Periódica desenvolvida por Mendeleev.

Posteriormente, com base nos estudos de Bohr, Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger calculou que a órbita dos elétrons não era previsível nem exata, logo o conceito de órbita deixou de existir, se transformando no conceito de orbital (região onde é possível encontrar o elétron), utilizado futuramente na construção de microchips e HDs. As bombas atômicas utilizadas durante a Segunda Guerra Mundial também foram criadas com base nas pesquisas de Bohr.

Diferenças entre a Física Clássica e a Física Moderna

Também chamada de newtoniana, a Física Clássica se difere da Moderna em relação aos limites de aplicação. A Física Clássica se limita a objetos se movendo com velocidades ínfimas em relação à velocidade da luz e com dimensões consideravelmente superiores às dos átomos.

Com isso em mente, é possível dizer que a Física Moderna surgiu para completar as lacunas deixadas pela Clássica, porém para cada resposta surgem cada vez mais perguntas. Sendo assim, de acordo com muitos cientistas, essa ciência é sempre uma obra inacabada.

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Exercícios resolvidos sobre Física Moderna

Questão 1

De acordo com a teoria da relatividade proposta por Einstein, analise as três proposições a seguir.

I. Quando um corpo se move na velocidade próxima à da luz, seu comprimento é expandido.

II. Na velocidade próxima à da luz, o tempo para um objeto passa mais lentamente.

III. A massa de um corpo que se move na velocidade próxima à da luz é expandida. Consequentemente, a energia associada a esse movimento equivale ao produto da velocidade da luz com a soma da massa inicial e a massa durante o movimento.

Marque a alternativa correta em relação à veracidade de cada uma.

A) VVF

B) FVF

C) FFF

D) VVV

E) VFV

Resolução:

Alternativa B

I. Quando um corpo se move na velocidade próxima à da luz, seu comprimento é expandido. (Falso)

Na velocidade próxima à da luz, o comprimento ou distância percorrida são contraídos, e não expandidos.

II. Na velocidade próxima à da luz, o tempo para um objeto passa mais lentamente. (Verdadeiro)

Na velocidade próxima à da luz, o tempo é expandido.

III. A massa de um corpo que se move na velocidade próxima à da luz é expandida. Consequentemente, a energia associada a esse movimento equivale ao produto da velocidade da luz com a soma da massa inicial e a massa durante o movimento. (Falso)

A massa de um corpo na velocidade próxima à da luz é realmente expandida, porém a energia associada a esse movimento equivale ao produto do quadrado da velocidade da luz com a diferença entre a massa antes e durante o movimento.

Questão 2

Faça a devida associação em relação ao pesquisador e às suas respectivas descobertas ou teorias.

I. Marie Curie

II. Albert Einstein

III. Max Planck

IV. Niels Bohr

( ) O elétron pode ocupar até sete órbitas em torno do núcleo, sendo elas estáveis.

( ) A energia de um corpo com temperatura elevada é transmitida na forma de pacotes de energia denominados quantum.

( ) A descoberta de dois novos elementos químicos, polônio e rádio, ambos mais radioativos que o urânio.

( ) A velocidade da luz no vácuo é a mesma para todo referencial, em repouso ou em movimento.

A) I - II - III - IV

B) I - III - II - IV

C) IV - II - I - III

D) IV - III - I - II

E) II - III - IV - I

Resolução

Alternativa D

Marie Curie — A descoberta de dois novos elementos químicos, polônio e rádio, ambos mais radioativos que o urânio.

Albert Einstein — A velocidade da luz no vácuo é a mesma para todo referencial, em repouso ou em movimento.

Max Planck — A energia de um corpo com temperatura elevada é transmitida na forma de pacotes de energia denominados quantum.

Niels Bohr — O elétron pode ocupar até sete órbitas em torno do núcleo, sendo elas estáveis.