A Teoria da Relatividade de Einstein
• Os principais postulados dessa teoria são:
→As leis da física são as mesmas em todos os referenciais inerciais.
→Em um espaço com vácuo e em qualquer referencial inercial, o módulo da velocidade da luz é constante, seja ela omitida por um corpo em repouso ou por um corpo em movimento uniforme.
• Dilatação Temporal:
→Em altas velocidades, o observador sofre uma dilatação temporal, e com essa dilatação, temos o paradoxo dos gêmeos.
→Paradoxo dos gêmeos: Imagine 2 irmãos gêmeos com 40 anos de idade: um saiu da terra viajando em uma espaçonave a 0,9c de velocidade para um sistema distante e outro fica no planeta. A viagem demorou 23 anos para o gêmeo que permaneceu na terra. Quando a nave voltar, o irmão que ficou tera 63 anos e o que foi viajar voltará com 50 anos.
→Para velocidades cotidianos, em que v é muito menor que c, a razão v^2/c^2 é praticamente zero. Assim, ∆t = ∆t0. Por isso, não percebemos discrepâncias em nosso cotidiano.
→Quanto mais depressa um corpo se move, mais devagar o tempo passa para ele.
• Contração Espacial
→Quanto mais depressa um corpo se move, mais devagar o tempo passa para ele (dilatação temporal) e mais sua dimensão no espaço se reduz (contração espacial).
→Fator de concentração do comprimento é:
- d0 = valor do comprimento inicial mensurado com o corpo em repouso em relação ao referencial.
- d = valor do comprimento comprimido pela alta velocidade.
→A massa também aumenta conforme nos aproximamos da velocidade da luz:
- m0 = massa do corpo em repouso.
- m = massa do corpo em v velocidade.
→Energia cinética do corpo (E) é a diferença entre a energia do corpo em movimento (m.c^2) e a energia de repouso (m0.c^2).
• Relatividade Geral:
→Baseia-se na ideia de deformação do espaço-tempo causada pela matéria ao seu redor e produz efeitos como o desvio da luz.
→Com isso, é possível explicar a queda dos corpos e o movimento orbital dos planetas não como uma força de atração gravitacional, mas como um efeito de distorção espacial causada pela presença de matéria.
→A dilatação do espaço pela matéria provoca a dilatação do tempo, já que o espaço-tempo é um tecido.
- Dependendo da posição do objeto em torno de uma massa, o tempo transcorrerá em ritmos diferentes.
- Esse fenômeno só pode ser percebido para distorções realmente intensas, produzidas por corpos de massas extremamente elevadas.
Quântica
• Corpos com temperaturas próximas à temperatura ambiente emitem radiação na faixa infravermelho (não visível ao olho humano). Porém, a serem submetidas a altas temperaturas, emitem calor e luz na faixa visível. Assim, à medida que a temperatura do corpo aumenta, a cor da luz emitida é alterada, passando da vermelha, para a laranja, depois para o amarelo e, por fim, torna-se azulada.
• A temperatura é uma medida de agitação das partículas que compõem aquele corpo (quanto maior a temperatura, maior a frequência de oscilação). Essas partículas possuem cargas e estão em movimento, emitindo radiações.
• Max Planck apresenta o estudo sobre a emissão de radiação de um corpo negro (um emissor de radiação térmica ideal que absorve toda a radiação que nele incide). Tratou a energia emitida de forma descontínua, isso significa que somente certos valores de energia poderiam ser emitidos por osciladores, ou seja, que a energia seria quantizada. A energia por Planck é dada por:
E = n⋅h⋅f
→n = número inteiro que indica os múltiplos valores de energia.
→h = constante de Planck, cujo valor é 6,63.10-34 J.s.
→f = frequência de oscilação em hertz (Hz).
• De acordo com Planck, as energias emitidas (como a luz de uma lâmpada) poderiam assumir apenas valores múltiplos inteiros de energia, como 1hf, 2hf, 3hf… Esses valores foram chamados de pacotes de energia.
→Pacotes de energia eletromagnética do tipo luminosa são denominados fótons (partículas que possuem massa de repouso e carga nulas, mas contém energia luminosa).
• Efeito fotoelétrico:
→É a ejeção de elétrons de superfície de um material, em geral metálico, por meio da incidência de luz sobre eles.
→Einstein explicou esse fenômeno, o que lhe rendeu o Nobel de física.
→Einstein imaginou que a luz fosse composta de pacotes quânticos de energia, os fótons, cujo valor era definida pela equação de Planck:
E = h⋅f
• Função trabalho:
E = h⋅f - Ф
→E = máxima energia cinética dos elétrons emitidos.
→hf = energia dos fótons incidentes.
→Função trabalho (Ф): Valor mínimo de energia necessário para arrancar elétrons de um material por meio de um efeito fotoelétrico.
O Comportamento Dual da Luz
• Luz era considerada uma anda, mas Einstein trouxe de volta a teoria de que ela é formada por partículas.
• Considera-se que tanto a luz como a matéria possuem comportamento dual, de onda e de partícula, a depender das interações a que são submetidas. Em alguns casos, a luz se comporta como uma onda, em outros, como uma partícula.
• No começo do século 20, cientistas descobriram que certos materiais emitem, em temperaturas específicas, radiação eletromagnética na faixa da luz visível, infravermelho e também na faixa dos raios X. Tipos de radiação:
→Radiação alfa (𝝰): agrupamentos de 2 prótons e 2 nêutrons emitidos do núcleo de alguns elementos. São pouco penetrantes e de carga positiva.
→Radiação beta (ß): São elétrons emitidos com grande velocidade, em geral, próxima da velocidade da luz. São mais penetrantes e de carga negativa.
→Radiação gama (𝛄): são ondas eletromagnéticas de altíssima energia, extremamente penetrantes e sem carga.
• Os isótopos radioativos encontrados na natureza são aqueles cujos núcleos são fisicamente instáveis, ou seja, tendem a decair emitindo radiação de forma lenta e constante.
• Uma forma de se medir a emissão radioativa é a meia-vida, que indica quanto tempo leva para que uma determinada amostra se reduza pela metade.
• Fissão Nuclear
→Nesse processo, um núcleo pesado pode se dividir em outros núcleos, ocorrendo a liberação de energia.
→Pode ocorrer naturalmente em núcleos muito pesados (Z > 90) e instáveis. Por exemplo, o urânio-235 pode sofrer fissão espontânea, com meia-vida de 1016.
→Mecanismos das bombas atômicas de Hiroshima e Nagasaki: urânio-235, quando atingido por um nêutron, divide-se e gera 2 isótopos menores, liberando nêutrons e produzindo uma quantidade enorme de energia. Com esse processo, foi possível produzir uma reação em cadeia, na qual os nêutrons resultantes de uma fissão inicial provocam a fissão de outros núcleos de urânio-235. Uma enorme quantidade de energia é liberada nesse processo em um tempo muito curto.
• Fusão Nuclear
→Constitui a junção de 2 núcleos atômicos com a liberação de energia.
→Por exemplo, no interior do Sol, ocorre a divisão de núcleos leves, sobretudo de hidrogênio-1, formando hidrogênio-2 e hidrogênio-3. Esses núcleos são fundidos, formando um núcleo de hélio-4, liberando um nêutron e uma imensa quantidade de energia.
→A produção controlada de energia por fusão nuclear é uma das principais metas da pesquisa da área porque forneceria uma possibilidade de produção energética bastante eficaz e limpa, além de utilizar combustível abundante, pois o hidrogênio é o elemento mais presente no Universo.
Fonte: CERICATO, Lauri. et al. Revisão Anual de Física - Módulo 4. São Paulo, SP: Editora FTD, 2018.
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