Questões de Física - Física moderna

A Física desenvolvida a partir do século XX normalmente é chamada de Física Moderna, a qual permite explicar fenômenos da natureza que ocorrem a nível atômico e a altas velocidades. As proposições de Albert Einstein, Max Planck e Louis De Broglie foram fundamentais para o início do desenvolvimento da Física Moderna.

Sobre os aportes desses cientistas à Física Moderna, é correto afirmar que:

Alguns equipamentos de visão noturna têm seu funcionamento baseado no efeito fotoelétrico, uma das primeiras descobertas que contribuíram para o surgimento da mecânica quântica. Nesses equipamentos, fótons de frequência f emitidos por um objeto incidem sobre uma superfície metálica. Elétrons são então liberados da superfície e acelerados por um campo elétrico. Em seguida, o sinal eletrônico é amplificado e produz uma imagem do objeto.

Diferentemente do que a física clássica prevê, apenas os elétrons com energia hf acima de uma certa energia mínima E₀ são liberados da superfície metálica.

Considerando a incidência de fótons com frequência da ordem de 10¹⁴ Hz, a ordem de grandeza do valor limite de E₀ para que o equipamento funcione deve ser:

Note e adote:
Constante de Planck: h = 6,63 × 10⁻³⁴J.s

Quando uma superfície metálica é exposta à radiação eletromagnética com frequência suficientemente alta, ocorre a emissão de elétrons, fenômeno conhecido como efeito fotoelétrico. A energia mínima necessária para remover um elétron dessa superfície metálica é chamada função trabalho (Φ) do metal.

Considere que um veículo espacial esteja em órbita ao redor da Terra e que, devido ao efeito fotoelétrico causado pela luz solar, tenha acumulado cargas elétricas em sua superfície.

Sabendo que o casco desse veículo é revestido por Níquel, cuja função trabalho é ΦNi = 8 × 10^–19 J, e adotando o valor h = 6,6 × 10^–34 J · s para a constante de Planck, a menor frequência do espectro solar capaz de fazer com que o casco desse veículo espacial emita fotoelétrons é, aproximadamente,

O espectro de raios X é composto por duas partes. A primeira, referente ao espectro contínuo, é advinda do efeito breamsstrahlung, e a segunda referente ao espectro característico do alvo (ânodo). No efeito breamsstrahlung temos que um elétron colide com um átomo do ânodo e a diferença da energia cinética antes e após a colisão é igual à energia de um fóton de raio X emitido. Considere que a energia cinética inicial de um elétron é 40.000 eV e que sua energia após a colisão seja 20.000 eV . Considere que a constante de Planck seja aproximadamente 4,0 X 10^-15 eV. 

 A frequência da radiação X emitida neste processo, em Hertz, é

A tomografia por emissão de pósitrons é um exame da medicina nuclear que utiliza elementos radioativos que decaem por emissão de pósitrons, que são antipartículas do elétron. Após ser emitido, o pósitron encontra um elétron das células do paciente, ocorre a aniquilação de ambos e criam-se dois fótons de radiação gama. O equipamento detecta essa radiação e constrói a imagem da região do interior do corpo do paciente.

De acordo com a Teoria da Relatividade, a relação entre massa (m) e energia (E) é dada pela expressão E = mc², sendo c a velocidade da luz no vácuo igual a 3 × 10⁸ m/s.

Considerando-se a massa do elétron igual a 9 × 10^–31 kg, a quantidade de energia associada a cada fóton da radiação gama resultante da aniquilação de um par elétron-pósitron é

Em certos exames de medicina nuclear, uma substância radioativa é administrada ao paciente que, posteriormente, é acomodado em um aparelho. Quando o elemento radioativo decai, os detectores do aparelho captam parte dos fótons emitidos.

Sabe-se que a energia associada a um fóton está relacionada com a frequência da radiação pela expressão E_f = h · f, sendo h a constante de Planck, cujo valor é 6,63 × 10^–34 J·s. Suponha que o elemento radioativo utilizado em um desses exames seja o tecnécio-99m, que emite radiação cujos fótons têm energia associada de 2,24 × 10^–14J, e considere os detectores de radiação sensíveis às faixas de frequência indicadas na tabela.

Para que possam captar os fótons emitidos pelo tecnécio- -99m, os detectores utilizados no aparelho devem ser do tipo