Fótons: Propriedades Corpusculares da Radiação

Fótons: Propriedades Corpusculares da Radiação

1. Fótons: Propriedades Corpusculares da Radiação Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará Instituto de Ciências Exatas Faculdade de Física Discente: D enise Rodrigues Marinho Matricula: 201441050005

2. Índice Introdução Fótons: Propriedades Corpusculares Efeito Compton Emissão e Absorção de Radiação Produção de Raios-X Radiação de Freamento: Bremsstrahlung Difração de Bragg Formação (Produção) e Aniquilação de Pares Discursões e Conclusões Referências Bibliográficas;

3. 1. Introdução Fig.1.1. Experimento de Young (Interferência da luz). Fig.1.0. Thomas Young. Esse experimento apresenta fenômenos como difração e interferência que são características de um comportamento ondulatório.

4. 1. Introdução Fig.1.3. Esquema simplificado do Experimento de Hertz. Fig.1.2. Heinrich Hertz. Esse experimento consistia ondas eletromagnéticas através de descargas elétricas entre dois eletrodos e detectá-las em um par de eletrodos idênticos.

5. 1. Introdução Fig.1.5. Esquema do Experimento Fotoelétrico de Lenard. Fig.1.4. Philip Lenard. Propôs uma explicação: a luz transporta energia e ao interagir com os elétrons do metal cede energia. Dessa forma, os elétrons eram “arrancados” originando uma corrente elétrica.

6. 1. Introdução Fig.1.7. Esquema simplificado do Efeito Fotoelétrico. Fig.1.6. Albert Einstein. Um feixe de luz ao incidir sobre o metal, podem arrancar elétrons livres desse metal. Esse efeito só pode ser explicado considerando a luz como uma partícula (fótons) e não como uma propagação ondulatória.

7. 2. Fótons: Propriedades Corpusculares da Radiação Fig.2.0. Gilbert N. Lewis. As propriedades da luz chama-se fótons ou quanto luminoso (quantum). O termo “fóton” se originou no trabalho de Lewis sobre pares de elétrons onde comentou o Efeito Fotoelétrico de Einstein . Segundo Kleppner, D. (2004), Einstein nunca utilizou esse termo. Os Fótons não possuem massa de repouso, carga, porém possuem movimento, energia e ainda viajam muito rápido. Por que isso acontece?

8. A energia do fóton é dada pela seguinte equação: Quando o fóton está em repouso ele não tem massa, mas quando se movimenta possuem uma “pequena massa” relativística; Eq. 1.0 Fig.2.1. Representação de Fóton e Elétron. Eq. 1.1 2. Fótons: Propriedades Corpusculares da Radiação

9. Conhecidas a massa e a velocidade do fóton, podemos calcular o seu impulso: Os fótons viajam muito rápido, a velocidade da luz. É a única partícula que viaja a velocidade limite. Eq. 1.2 2. Fótons: Propriedades Corpusculares da Radiação Fig.2.1. Representação de Fóton e Elétron.

10. Após realizar alguns estudos sobre a interação radiação-matéria, percebeu que quando um feixe de raios X incidia sobre um alvo de carbono, sofria um espalhamento . Inicialmente, Compton não percebeu nada de errado, pois suas medidas indicavam que o feixe espalhado tinha frequência diferente do feixe incidente logo após atravessar o alvo. 3. Efeito Compton Fig.3.0. Arthur Compton.

11. Fig.3.1. Representação do Efeito Compton. Eq. 1.3 C é a velocidade; h é a constante de Plank ; λ é o comprimento de onda. 3. Efeito Compton

12. 4. Emissão e Absorção de Radiação Fig.4.0. Esquema representa a direita, a Emissão; e a esquerda, a Absorção de Radiação A emissão, ocorre quando um elétron de um átomo “salta” de uma órbita superior para uma inferior (fundamentação): um fóton é emitido (produzido ). Enquanto , a absorção é quando ocorre quando um fóton faz um elétron de um átomo “saltar” de uma órbita inferior para uma superior (excitação): um fóton é absorvido.

13. 5. Produção de Raios-X Fig.5.0. Wilhelm Roentgen. Roentgen envolveu um tubo de Crookes com uma espécie de capa de papelão, de cor preta, e ficou observando o tubo enquanto aplicava descargas elétricas entre os eletrodos do equipamento. Fig.5.1. Esquema do tubo de vidro de Raios-X de Roentgen.

14. 5. Produção de Raios-X Fig.5.2. Esquema do tubo de vidro de Raios-X de Roentgen. Fig.5.3. Primeira Radiografia Humana. Ele novamente ligou o tubo, e o efeito de fluorescente voltou a aparecer. Roentgen concluiu esse fenômeno como um novo tipo de radiação que seria originada a partir da colisão dos raios catódicos com a parede de vidro do tubo.

15. 5. Produção de Raios-X Fig.5.4. Esquema do tubo de vidro de Raios-X de Roentgen. O elétron ioniza o átomo nas camadas mais internas (K,L) e fica uma vaga desocupada nessa camada. E outro elétron de outra camada vem ocupa-la, quando isso acontece é emitido um fóton. Produção de Raios-X de ionização.

16. Segundo TIPLER E R. A. LIEWELLYN, “como a teoria eletromagnética prevê que toda carga elétrica produz ondas eletromagnéticas ao acelerada ou freada”. Portanto, concluíram que Bremsstrahlung (produção de raios-X), são elétrons acelerados que produzem fótons. 6 . Radiação de Freamento: Bremsstrahlung Fig.2.1. Representação de Fóton e Elétron.

17. Fig.6.0. Radiação de Freamento ou Bremsstrahlung. 6 . Radiação de Freamento: Bremsstrahlung A radiação de freamento (também chamada Bremsstrahlung).A acontece quando um elétrons de alta energia penetra no átomo e a atração do núcleo faz frear, e parte da sua energia cinética vira raio-X. T endo emitido fótons de diversas frequências distribuídas aleatoriamente. Fig.6.1. espectro eletromagnético.

18. Fig.7.0. William Bragg. 7. Difração de Bragg O comprimento de onda de um fóton de 10 keV , por exemplo, é λ = hc , E= 1.24 Å . Isto mostra que o comprimento de onda típico de raios-X é comparável às distâncias interatômicas de um cristal. Assim sendo, quando um feixe de raios-X atinge um cristal, ocorrem efeitos de difração. A relação entre o comprimento de onda λ e os ângulos de incidência θi e reflexão θr que resultam em  interferência construtiva do feixe difratado Eq.1.4.

19. 7. Difração de Bragg Onde d é a distância entre dois planos cristalinos (Fig.7.1) e n é um número inteiro. A equação 8 mostra que os ângulos de incidência e reflexão são necessariamente iguais, e além disso, devem ser iguais a um dos ângulos de Bragg θ = θn , determinados pela equação 1.5. Eq.1.5. Fig. 7.1. Esquema da difração de Bragg Fig. 7.1. Esquema da difração.

20. 8. Formação (Produção) de Pares e Aniquilação de Pares O fóton colide com o núcleo e como resultado da colisão, toda a energia do fóton incidente se distribui igualmente entre um par elétron-pósitron gerado durante a interação. Fig. 8.0. Formação de Pares, adaptado de IF-UFRGS.

21. 8. Formação (Produção) de Pares e Aniquilação de Pares A aniquilação de pares é o processo inverso, como cita alguns artigos. Isso porque um elétron e um pósitron podem se aniquilar produzindo fótons. Nesse encontro ocorre a emissão de fótons de radiação gama, fótons de alta energia. Fig. 8.1. Formação de Pares, adaptado de IF-UFRGS.

22. 9 . Discussões e Conclusões Albert Einstein; Fontes de Luz Sincrotron; Pesquisas avançadas na área da Fotônica; Sem dúvida, o artigo do Efeito Fotoelétrico é um tesouro da Física.

23. 10. Referências Bibliográficas ABDALLA M. C. B., O Discreto Charme das Partículas Elementares, Física na Escola , v. 6, n.1, 2005. CAVALCANTE, M. A.; TAVOLARO, C. R. C.; SOUZA, D. F.; MUZINATTI, J. Uma aula sobre efeito fotoelétrico no desenvolvimento de competências e habilidades. Física na escola, v. 3, n. 1, p. 24-29, 2002. DE OLIVEIRA J. R. B et al. Raios X – II Lei de Moseley : Análise de cristais por raios X e Difração de elétrons. Laboratório de Física Moderna-FNC314 , Universidade de São Paulo, Instituto de Física, 2009. EISBERG, R.; RESNICK, R. Física Quântica – Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas . Tradução de Paulo Costa Ribeiro, Ênio Frota da Silveira e Marta Feijó Barroso. 13. ed. Rio de Janeiro: Campus, 1979. 928 p. Título original: Quantum Physics of Atoms , Molecules , Solids , Nuclei and Particles . KLEPPNER, D ., Relendo Einstein sobre Radiação. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 27, n 1, p. 87-91, (2004)R. Eisberg e R. Resnick , Física Quântica , 8a. edição, Editora Campus. MARTINSW.D., H istória Wilhelm Conrad Roentgen e a descoberta dos raios-X. Rev. de Clín. Pesq. Odontol ., v.1, n.3, jan./mar. 2005. NUSSENZVEIG, H. Moysés;Curso de física básica; S.Paulo : Editora Edgard Blucher , 1997. ISBN: 85-212-0134-6 (vol. 4). P. A. TIPLER E R. A. LIEWELLYN, Física Moderna , 3a. edição (LTC, Rio de Janeiro, 2001). P. A. TIPLER, Física vol. 4 ., 4a. edição (LTC, Rio de Janeiro, 1999 ) RICCI, T. S. F.; OSTERMANN, F. Uma introdução conceitual à Mecânica Quântica para Professores do Ensino Médio . In: Textos de apoio ao professor de Física, n. 14, 71 p. - Instituto de Física/UFRGS. Porto Alegre, 2003 SILVA, I., Uma nova luz sobre o conceito de fotón : Para além de imagens esquizofrênicas. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 37, n 4, 4104, (2015) STUART. N., A invenção do conceito de quantum de Energia sengundo Planck. Revista Brasileira de Ensino de Física . vol 22, n4, Dezembro, 2000. VALADARES, E.; MOREIRA, A. M. Ensinando Física Moderna no segundo grau: Efeito Fotoelétrico, Laser e Emissão de Corpo Negro. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 15, n. 2, p. 121-135, 1998. YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A., FISICA IV - ÓTICA E FÍSICA MODERNA , 12a ed. São Paulo, Addison Wesley, 2008. Sites utilizados IF- UFRGS : http://www.if.ufrgs.br/einstein/, acessado em 13/11/2017 as 10:00h IF-USP : http://plato.if.usp.br/2-2004/fnc0375n/lista3/node1.htm, acessado em 16/11/2017 as 15:36h IF-USP : http://efisica.if.usp.br/otica/basico/fotons/intro/, acessado em 28/11/2017 as 14:45h Serasa da Ciência : http://www.searadaciencia.ufc.br/index.html, acessado em 25/11/2017 as 13:00h