Física Moderna

Objetivo de Aprendizagem 15.1.A: Descrever as propriedades e o comportamento de um objeto que exibe comportamento tanto partícula quanto onda.

• 15.1.A.1 A teoria quântica foi desenvolvida para explicar observações de matéria e energia que não puderam ser explicadas usando mecânica clássica. Esses fenômenos incluem, mas não se limitam a, espectros atômicos, radiação de corpo negro e efeito fotoelétrico.
  • 15.1.A.1.i A teoria quântica é necessária para descrever as propriedades da matéria em escalas atômicas e subatômicas.
  • 15.1.A.1.ii Na teoria quântica, partículas fundamentais podem exibir comportamento tanto partícula quanto onda.
• 15.1.A.2 A luz pode ser modelada tanto como uma onda quanto como partículas discretas, chamadas fótons.
  • 15.1.A.2.i Um fóton é uma partícula sem massa e eletricamente neutra com energia proporcional à frequência do fóton.
    • Equações relevantes:
    • $E = hf$
    • $\lambda = \dfrac{c}{f}$
  • 15.1.A.2.ii Fótons viajam em linhas retas a menos que interajam com a matéria.
• 15.1.A.3 A velocidade de um fóton depende do meio pelo qual o fóton viaja.
  • 15.1.A.3.i A velocidade de todos os fótons no espaço livre é igual à velocidade da luz, $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s.
  • 15.1.A.3.ii Em geral, a velocidade dos fótons através de um dado meio é inversamente proporcional ao índice de refração desse meio.
• 15.1.A.4 Partículas podem demonstrar propriedades de onda, como mostrado por variações do experimento da fenda dupla de Young.
  • 15.1.A.4.i Um modelo de onda da matéria é quantificado pelo comprimento de onda de de Broglie, que aumenta à medida que o momento de uma partícula diminui.
    • Equação relevante:
    • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
  • 15.1.A.4.ii A teoria quântica é necessária para descrever sistemas nos quais o comprimento de onda de de Broglie é comparável ao tamanho do sistema.
• 15.1.A.5 Valores de energia e momento possuem valores discretos, ou quantizados, para sistemas ligados descritos pela teoria quântica.

Objetivo de Aprendizagem 15.2.A: Descrever as propriedades de um átomo.

• 15.2.A.1 Átomos possuem estrutura interna.
  • 15.2.A.1.i Os átomos consistem em um núcleo pequeno e carregado positivamente circundado por um ou mais elétrons carregados negativamente.
  • 15.2.A.1.ii O núcleo de um átomo é composto por prótons e nêutrons.
  • 15.2.A.1.iii O número de nêutrons e prótons em um átomo pode ser representado usando notação nuclear.
  • 15.2.A.1.iv Um íon é um átomo com carga elétrica líquida diferente de zero.
• 15.2.A.2 Cada elemento atômico possui um número único de prótons.
  • 15.2.A.2.i O número e a disposição dos elétrons afetam como os átomos interagem.
  • 15.2.A.2.ii O número total de nêutrons e prótons identifica o isótopo de um elemento.
  • 15.2.A.2.iii A massa de um átomo é dominada pela massa total dos prótons e nêutrons em seu núcleo.
• 15.2.A.3 O modelo atômico de Bohr baseia-se na física clássica e foi a representação histórica do átomo que levou à descrição do átomo de hidrogênio em termos de estados de energia discretos.
  • 15.2.A.3.i No modelo atômico de Bohr, os elétrons são modelados movendo-se ao redor do núcleo em órbitas circulares determinadas pela carga e massa do elétron, bem como pela força elétrica entre o elétron e o núcleo.
    • Equações relevantes:
    • $F_e = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
    • $F_{\text{net}} = m\dfrac{v^2}{r}$
  • 15.2.A.3.ii O modelo de onda estacionária dos elétrons explica a existência de estados de energia específicos permitidos para um elétron em um átomo, pois a circunferência da órbita do elétron deve ser um múltiplo inteiro do comprimento de onda de de Broglie do elétron.

Declaração de limite: A análise e a descrição da estrutura eletrônica são limitadas aos níveis de energia e não incluirão descrições avançadas como orbitais, formas de orbitais ou funções de probabilidade.

Objetivo de Aprendizagem 15.3.A: Descrever a emissão ou absorção de fótons por átomos.

• 15.3.A.1 A transferência de energia ocorre quando fótons são absorvidos ou emitidos por um átomo, que é modelado como um sistema constituído por um núcleo e um elétron.
• 15.3.A.2 A energia só pode ser absorvida ou emitida por um átomo se a quantidade de energia absorvida ou emitida corresponder à diferença de energia entre dois estados energéticos atômicos.
  • 15.3.A.2.i Um átomo em um determinado estado de energia pode absorver um fóton de energia adequada e transicionar para um estado de energia superior.
  • 15.3.A.2.ii Um átomo em um estado de energia excitado pode emitir um fóton de energia adequada para mover-se espontaneamente para um estado de energia inferior.
  • 15.3.A.2.iii Como um átomo é modelado como um sistema constituído por um elétron e um núcleo, uma mudança no estado energético de um átomo corresponde a uma mudança na energia de interação entre o elétron e o núcleo.
• 15.3.A.3 Transições entre dois estados energéticos de um átomo correspondem à absorção ou emissão de um fóton de única frequência e, portanto, de um único comprimento de onda.
• 15.3.A.4 Átomos de cada elemento possuem um conjunto único de níveis de energia permitidos e, consequentemente, um conjunto único de frequências de absorção e emissão. O conjunto único de frequências determina o espectro do elemento.
  • 15.3.A.4.i Um espectro de emissão pode ser usado para determinar os elementos em uma fonte de luz.
  • 15.3.A.4.ii Um espectro de absorção pode ser usado para determinar os elementos que compõem uma substância observando a luz que a substância absorveu.
  • 15.3.A.4.iii Diagramas de níveis de energia são comumente usados para representar visualmente os estados energéticos de um átomo.
• 15.3.A.5 A energia de ligação é a energia necessária para remover um elétron de um átomo, causando a ionização do átomo. Um átomo no nível de energia mais baixo (estado fundamental) exigirá a maior quantidade de energia para remover o elétron do átomo.

Declaração de limite: Na AP Física 2, apenas diagramas de níveis de energia de átomos de um único elétron serão considerados.

Objetivo de Aprendizagem 15.4.A: Descrever a radiação eletromagnética emitida por um objeto devido à sua temperatura.

• 15.4.A.1 A matéria converterá espontaneamente parte de sua energia térmica interna em energia eletromagnética.
• 15.4.A.2 Um corpo negro é um modelo idealizado de matéria que absorve toda a radiação que incide sobre ele. Se o corpo estiver em equilíbrio a uma temperatura constante, então ele também deve emitir energia.
• 15.4.A.3 Um corpo negro emitirá um espectro contínuo que depende apenas da temperatura do corpo. A radiação emitida por um corpo negro é frequentemente modelada plotando a intensidade por unidade de comprimento de onda em função do comprimento de onda.
  • 15.4.A.3.i A distribuição da intensidade do espectro de um corpo negro em função da temperatura não pode ser modelada usando apenas conceitos da física clássica. O espectro de um corpo negro é descrito pela lei de Planck, que assume que a energia da luz é quantizada.
  • 15.4.A.3.ii O comprimento de onda pico emitido por um corpo negro (o comprimento de onda no qual o corpo negro emite a maior quantidade de radiação por unidade de comprimento de onda) diminui com o aumento da temperatura, conforme descrito pela lei de Wien.
    • Equação relevante:
    • $\lambda_{\max} = \dfrac{b}{T}$
  • 15.4.A.3.iii A taxa na qual a energia é emitida (potência) por um corpo negro é proporcional à área de superfície do corpo e à temperatura do corpo elevada à quarta potência, conforme descrito pela lei de Stefan-Boltzmann.
    • Equação relevante:
    • $P = A\sigma T^4$

Objetivo de Aprendizagem 15.5.A: Descrever uma interação entre fótons e matéria usando o efeito fotoelétrico.

• 15.5.A.1 O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons quando radiação eletromagnética incide sobre um material fotoativo.
• 15.5.A.2 A emissão de elétrons via efeito fotoelétrico requer uma frequência mínima da luz incidente, chamada de frequência limiar.
  • 15.5.A.2.i A luz que incide sobre um material e está na frequência limiar ou acima dela induzirá a emissão de elétrons, independentemente do número de fótons que atingem o material.
  • 15.5.A.2.ii A energia dos elétrons emitidos não depende do número de fótons incidentes sobre o material, o que fornece evidências de que a luz é uma coleção de pacotes discretos de energia quantizada chamados fótons.
• 15.5.A.3 A energia cinética máxima de um elétron emitido está relacionada à frequência da luz incidente e à função trabalho do material, $\phi$.
  • 15.5.A.3.i A função trabalho de um material é a energia mínima necessária para emitir um elétron dos átomos do material.
  • 15.5.A.3.ii A energia cinética máxima de um elétron emitido é dada pela equação $K_{\max} = hf - \phi$.
  • 15.5.A.3.iii Em um arranjo experimental típico para demonstrar o efeito fotoelétrico e determinar a função trabalho de um metal, duas placas metálicas são colocadas em uma câmara de vácuo e conectadas a uma fonte variável de diferença de potencial. Uma das placas é iluminada por luz monocromática que causa a ejeção de elétrons e a diferença de potencial entre as placas é ajustada até que nenhuma corrente seja medida no circuito.

Declaração de limite: Quando aplicável, as funções trabalho dos materiais serão fornecidas no exame; os alunos não são esperados saber os valores das funções trabalho ou as variáveis de um material que influenciam a magnitude de sua função trabalho.

Objetivo de Aprendizagem 15.6.A: Descrever a interação entre fótons e matéria usando o espalhamento Compton.

• 15.6.A.1 No espalhamento Compton, um fóton interage com um elétron livre. O efeito Compton ocorre quando um fóton que emerge da interação tem menor energia e maior comprimento de onda do que o fóton incidente. A magnitude da mudança está relacionada à direção do fóton após a colisão.
• 15.6.A.2 O espalhamento Compton fornece evidências de que a luz é uma coleção de pacotes discretos de energia quantizada chamados fótons.
  • 15.6.A.2.i O espalhamento Compton pode ser explicado tratando um fóton como uma partícula e aplicando a conservação de energia e a conservação do momento à colisão entre o fóton e o elétron.
  • 15.6.A.2.ii A transferência da energia de um fóton para um elétron resulta na mudança da energia, momento, frequência e comprimento de onda do fóton.
    • Equações relevantes:
    • $E = hf$
    • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
• 15.6.A.3 A mudança no comprimento de onda experimentada por um fóton após colidir com um elétron está relacionada a quanto a direção do fóton muda.
  • Equação relevante:
  • $\Delta\lambda = \dfrac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$

Declaração de limite: A AP Física 2 inclui tratamentos quantitativos e qualitativos completos da conservação do momento em duas dimensões.

Objetivo de Aprendizagem 15.7.A: Descrever as propriedades físicas que restringem o comportamento de núcleos interagindo, partículas subatômicas e nucleons.

• 15.7.A.1 A força forte é exercida em escalas nucleares e domina as interações de nucleons (prótons ou nêutrons).
• 15.7.A.2 As reações nucleares possíveis são restritas pela lei de conservação do número de nucleons.
• 15.7.A.3 O comportamento das partículas constituintes de uma reação nuclear é restrito pelas leis de conservação de energia, equivalência energia-massa e conservação do momento.
• 15.7.A.4 Para todas as reações nucleares, massa e energia podem ser trocadas devido à equivalência massa-energia.
  • Equação relevante:
  • $E = mc^2$
• 15.7.A.5 Energia pode ser liberada em processos nucleares na forma de energia cinética dos produtos ou como fótons.
• 15.7.A.6 A fusão nuclear é o processo pelo qual dois ou mais núcleos menores se combinam para formar um núcleo maior, além de partículas subatômicas.
• 15.7.A.7 A fissão nuclear é o processo pelo qual o núcleo de um átomo se divide em dois ou mais núcleos menores, além de partículas subatômicas.
• 15.7.A.8 A fissão nuclear pode ocorrer espontaneamente ou exigir uma entrada de energia, dependendo da energia de ligação do núcleo.

Objetivo de Aprendizagem 15.7.B: Descrever o decaimento radioativo de uma amostra dada de material constituída por um número finito de núcleos.

• 15.7.B.1 O decaimento radioativo é a transformação espontânea de um núcleo em um ou mais núcleos diferentes.
  • 15.7.B.1.i O momento em que um núcleo individual sofre decaimento radioativo é indeterminável, mas as taxas de decaimento podem ser descritas usando probabilidade
  • 15.7.B.1.ii A meia-vida, $t_{1/2}$, de um material radioativo é o tempo necessário para que metade do número inicial de núcleos radioativos decaia espontaneamente.
  • 15.7.B.1.iii A constante de decaimento $\lambda$ pode ser relacionada à meia-vida de um material radioativo pela equação $\lambda = \dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}$.
• 15.7.B.2 A constante de decaimento de um material pode ser usada para prever o número de núcleos restantes em uma amostra após um período de tempo, ou a idade de um material se a quantidade inicial for conhecida.
  • Equação relevante:
  • $N = N_0 e^{-\lambda t}$
  • Equação derivada:
  • $\ln\left(\dfrac{N}{N_0}\right) = -\lambda t$
• 15.7.B.3 Diferentes elementos instáveis e isótopos podem ter meias-vidas muito distintas, variando de frações de segundo a bilhões de anos.

Objetivo de Aprendizagem 15.8.A: Descrever os processos pelos quais núcleos individuais decaem.

• 15.8.A.1 Alguns processos pelos quais os núcleos decaem emitem partículas subatômicas com propriedades únicas.
  • 15.8.A.1.i Uma partícula alfa, ou núcleo de hélio, consiste em dois nêutrons e dois prótons e é simbolizada por $\alpha$ ou $\text{He}^{2+}$. (No Física 2, apenas núcleos de He-4 serão considerados.)
  • 15.8.A.1.ii Neutrinos e antineutrinos são partículas subatômicas que não possuem carga elétrica, têm massa desprezível e são simbolizadas por $\nu$ e $\bar{\nu}$, respectivamente.
  • 15.8.A.1.iii Neutrinos e antineutrinos interagem com a matéria apenas através da força fraca e da força gravitacional, o que resulta em pouquíssima interação com a matéria normal.
  • 15.8.A.1.iv Pósitrons, ou antieletrons, são partículas subatômicas que possuem carga elétrica oposta à de um elétron, têm a mesma massa de um elétron e são simbolizadas por $e^+$ ou $\beta^+$.
• 15.8.A.2 Núcleos podem sofrer decaimento radioativo via decaimento alfa, decaimento beta menos ($\beta^-$), decaimento beta mais ($\beta^+$) e decaimento gama ($\gamma$).
  • 15.8.A.2.i Em todos os decaimentos nucleares, o número nucleônico (número de nêutrons e prótons), o número leptônico (número de elétrons e neutrinos) e a carga são conservados.
  • 15.8.A.2.ii O decaimento alfa ocorre quando um núcleo ejetar uma partícula alfa.
  • 15.8.A.2.iii O decaimento beta menos ocorre quando um nêutron se transforma em um próton emitindo um elétron e um antineutrino.
  • 15.8.A.2.iv O decaimento beta mais ocorre quando um próton se transforma em um nêutron emitindo um pósitron e um neutrino.
  • 15.8.A.2.v O decaimento gama ocorre após um núcleo ter sofrido decaimento alfa ou beta, e o núcleo excitado decai para um estado de menor energia emitindo um fóton.
• 15.8.A.3 O tipo de decaimento exibido por um dado núcleo é determinado pelo isótopo do elemento.

Declaração de escopo: O AP Physics 2 não espera que os alunos memorizem os processos pelos quais isótopos específicos decaem nem as meias-vidas de isótopos específicos. A emissão de nêutrons e a captura eletrônica não estão incluídas no quadro curricular do AP Physics 2. Além disso, tipos de neutrinos, características que distinguem neutrinos e antineutrinos, e uma explicação ou aplicação da força fraca não estão dentro do escopo deste curso.