Grade 11
  1. Mecânica  1.1. dinâmicas  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas e três dimensões  1.1.3. Deslocamento e Distância  1.1.4. Velocidade e Rapidez  1.1.5. Aceleração e desaceleração  1.1.6. Análise gráfica do movimento  1.1.7. Equações do movimento (derivações avançadas)  1.1.8. Queda livre e velocidade terminal  1.1.9. Movimento de projéteis  1.1.10. Velocidade relativa em uma e duas dimensões  1.1.11. Movimento de um carro em um plano inclinado  1.2. Dinâmica  1.2.1. As leis do movimento de Newton e suas aplicações  1.2.2. Inércia e a primeira lei de Newton  1.2.3. Força e tipos de força  1.2.4. Atrito estático e cinético  1.2.5. Movimento circular e aceleração centrípeta  1.2.6. Movimento circular não uniforme  1.2.7. Bancagem de estradas e curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservação do momento em uma e duas dimensões  1.2.10. Aplicações da Terceira Lei de Newton  1.3. Work, Energy and Power  1.3.1. Trabalho realizado por uma força constante e variável  1.3.2. Teorema trabalho-energia  1.3.3. Energia cinética e potencial  1.3.4. Energia potencial gravitacional e elástica  1.3.5. Conservação da energia mecânica  1.3.6. Poder e potência instantânea  1.3.7. Eficiência das máquinas  1.3.8. Trabalho realizado por forças conservativas e não conservativas  1.4. Movimento rotacional  1.4.1. Torque e aceleração angular  1.4.2. Equilíbrio rotacional  1.4.3. Momento de inércia e suas aplicações  1.4.4. Momento angular e sua conservação  1.4.5. Energia cinética de movimento de rotação e rotação  1.4.6. Teorema dos Eixos Paralelos e Perpendiculares  1.4.7. Dinâmica do movimento rotacional
  2. Gravitational force  2.1. Gravitação universal  2.1.1. Lei da gravitação universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional e potencial  2.1.3. Mudança na aceleração devido à gravidade  2.1.4. Leis do movimento planetário de Kepler  2.1.5. Mecânica orbital e satélites  2.1.6. Velocidade de escape e velocidade orbital  2.1.7. Ausência de peso e queda livre  2.1.8. Energia potencial gravitacional e energia em órbitas  2.1.9. Buracos negros e lente gravitacional
  3. Propriedades da matéria  3.1. Mecânica dos fluidos  3.1.1. Densidade e pressão em líquidos  3.1.2. A teoria de Pascal e aplicações  3.1.3. O Princípio de Arquimedes e a flutuação  3.1.4. A equação de Bernoulli e aplicações  3.1.5. Equação de continuidade e o efeito Venturi  3.1.6. Tensão superficial e capilaridade  3.1.7. Viscosidade e Lei de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds e turbulência  3.2. Elasticidade e deformação  3.2.1. Lei de Hooke e a relação tensão-deformação  3.2.2. Módulo de elasticidade e aplicações  3.2.3. Deformação e limite de escoamento de sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor e temperatura  4.1.1. Propriedades termométricas e escala de temperatura  4.1.2. Expansão térmica de sólidos, líquidos e gases  4.1.3. Sistema de transferência de calor  4.1.4. Capacidade calorífica específica e calorimetria  4.1.5. Calor latente e mudança de fase  4.2. Kinetic theory of gases  4.2.1. Modelo molecular dos gases  4.2.2. Explicação cinética da temperatura  4.2.3. Equação do Gás Ideal e Desvios  4.2.4. Caminho livre médio e distribuição de Maxwell-Boltzmann  4.3. Leis da Termodinâmica  4.3.1. Lei Zero e Equilíbrio Térmico  4.3.2. Primeira Lei e Energia Interna  4.3.3. A Segunda Lei e Entropia  4.3.4. Ciclo de Carnot e motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores e Bombas de Calor
  5. Ondas e oscilações  5.1. Movimento Harmônico Simples  5.1.1. Equações do MHS  5.1.2. Energia no MHS  5.1.3. Oscilações amortecidas e forçadas  5.1.4. Ressonância e aplicações  5.1.5. Pêndulo e sistema massa-mola  5.2. Movimento ondulatório  5.2.1. Tipos de ondas mecânicas  5.2.2. Movimento das ondas e transporte de energia  5.2.3. Princípio da Superposição e Ondas Estacionárias  5.2.4. Reflexão, Refração e Difração  5.2.5. Efeito Doppler em som e luz  5.2.6. Pulsos e interferência
  6. Eletricidade e Magnetismo  6.1. Eletrostática  6.1.1. Carga elétrica e conservação  6.1.2. A lei de Coulomb e suas aplicações  6.1.3. Campo elétrico e fluxo elétrico  6.1.4. Potencial elétrico e energia potencial  6.1.5. Capacitance and Energy Stored in a Capacitor  6.2. Eletricidade Atual  6.2.1. Lei de Ohm e resistência elétrica  6.2.2. Resistência e dependência de temperatura  6.2.3. Leis de Kirchhoff e Análise de Circuitos  6.2.4. Potência elétrica e eficiência  6.2.5. Combinação de resistores  6.3. Magnetismo e Eletromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos e suas fontes  6.3.2. Força magnética em cargas em movimento  6.3.3. Indução eletromagnética  6.3.4. Leis de Faraday e Lenz  6.3.5. Indutância e Transformador  6.3.6. Corrente alternada e suas aplicações
  7. Óptica  7.1. Reflexão e Refração  7.1.1. leis da reflexão e refração  7.1.2. Espelhos e lentes  7.1.3. Reflexão interna total e fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferência e Difração  7.2.2. Experimento da dupla fenda de Young  7.2.3. Polarização da luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efeito fotoelétrico e a teoria de Einstein  8.1.2. Dualidade onda-partícula  8.1.3. Princípio da Incerteza de Heisenberg  8.1.4. Compton Effect  8.2. Física Atômica e Nuclear  8.2.1. Modelo atômico e níveis de energia  8.2.2. Decaimento radioativo e meia-vida  8.2.3. Fissão Nuclear e Fusão
  9. Eletrônica e Comunicação  9.1. Semicondutores  9.1.1. junção pn e diodo  9.1.2. Transistores e Portas Lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados e Aplicações  9.2. Sistemas de Comunicação  9.2.1. Noções básicas de Comunicação Analógica e Digital  9.2.2. Comunicação Sem Fio e Óptica  9.2.3. Modulação e Demodulação

Grade 11 → Física Moderna ↓


Física Atômica e Nuclear


Introdução

Neste artigo, exploraremos o núcleo da matéria explorando a física atômica e nuclear. Estas áreas da física moderna lidam com os menores blocos de construção da matéria, levando a grandes avanços tecnológicos e profundos insights sobre o universo. A física atômica e nuclear estuda a estrutura, propriedades, comportamento e interações dos átomos e seus núcleos.

Compreendendo os Átomos

Átomos são os blocos de construção básicos de tudo ao nosso redor. Um átomo consiste em um núcleo, composto de prótons e nêutrons, e é cercado por elétrons. Compreender os átomos é a chave para compreender a matéria.

Estrutura Atômica

Um átomo é composto principalmente de três tipos de partículas:

  • Prótons: Partículas carregadas positivamente encontradas no núcleo. Cada elemento tem um número específico de prótons.
  • Nêutrons: Essas são partículas neutras também encontradas no núcleo. Juntamente com os prótons, eles representam a maior parte da massa do átomo.
  • Elétrons: Partículas carregadas negativamente que orbitam o núcleo em níveis de energia específicos, frequentemente chamados de camadas de elétrons.
Átomo de hidrogênio:
Número de prótons = 1
Número de nêutrons = 0
Número de elétrons = 1

Visualização do átomo

E - P +

Este diagrama mostra um átomo simples consistindo de um núcleo (círculo cinza) contendo um próton e uma órbita contendo um elétron (círculo vermelho).

Modelo Atômico

Ao longo dos anos, vários modelos foram propostos para explicar a estrutura do átomo. Vejamos alguns importantes modelos atômicos:

Modelo de Thomson

J.J. Thomson propôs o "modelo do pudim de ameixa", no qual os elétrons eram espalhados como ameixas em um "pudim" carregado positivamente. Sugeriu que os átomos eram esferas uniformes de matéria carregada positivamente, com elétrons incorporados neles.

Modelo de Rutherford

Ernest Rutherford descobriu o núcleo bombardeando uma folha de ouro com partículas alfa. Isso levou a um modelo no qual um núcleo denso é rodeado por elétrons orbitais, assim como planetas orbitam o Sol.

Modelo de Bohr

Este modelo, desenvolvido por Niels Bohr, introduziu a camada de elétrons quantizada, onde os elétrons orbitam o núcleo em caminhos fixos enquanto conservam o momento angular. Este modelo ajudou a explicar a estabilidade e os espectros de emissão do hidrogênio.

Fórmula de Bohr para orbitais eletrônicos

r_n = frac{n^2 cdot h^2}{4 cdot pi^2 cdot k cdot m_e cdot Z cdot e^2}

Onde:

  • r_n é o raio da enésima órbita
  • h é a constante de Planck
  • m_e é a massa do elétron
  • Z é o número atômico
  • e é a carga elementar

Modelo mecânico quântico

Modelos atômicos modernos usam a mecânica quântica para descrever as regiões de potencial energético onde os elétrons provavelmente se encontram, conhecidas como orbitais atômicos. Ao contrário dos modelos anteriores, a mecânica quântica não descreve a posição do elétron com precisão, mas sim descreve uma distribuição de probabilidade para as localizações do elétron.

Física nuclear

Vamos agora voltar nossa atenção para o centro do átomo, o núcleo. A física nuclear estuda as forças, reações e componentes do núcleo atômico.

Componentes do núcleo

  • Prótons: carregam uma carga positiva e definem o número atômico de um elemento.
  • Nêutrons: são neutros e ajudam a unir o núcleo, tornando-o mais estável.

Energia de ligação

Na física nuclear, a energia de ligação é a energia necessária para dividir um núcleo em seus prótons e nêutrons componentes. Quanto maior a energia de ligação, mais estável é o núcleo.

E_b = [Z m_p + (A-Z) m_n - M] c^2

Onde:

  • E_b é a energia de ligação
  • Z é o número de prótons
  • A é o número de massa
  • m_p é a massa do próton
  • m_n é a massa do nêutron
  • M é a massa atômica
  • c é a velocidade da luz

Forças Nucleares

Forças nucleares, também chamadas de forças fortes, são as forças entre prótons e nêutrons que mantêm o núcleo unido. A força nuclear forte une os prótons e nêutrons no núcleo, apesar da força eletromagnética repulsiva entre os prótons.

Radioatividade

A radioatividade é o processo pelo qual núcleos atômicos instáveis liberam energia na forma de radiação. Ela ocorre naturalmente em muitos elementos e também pode ser induzida artificialmente.

Tipos de decaimento radioativo

  • Decaimento alfa (α): O número atômico diminui em 2 e o número de massa em 4 pela emissão de uma partícula alfa (2 prótons e 2 nêutrons).
  • Decaimento beta (β): A emissão de uma partícula beta (elétron ou pósitron) converte um nêutron em um próton ou vice-versa.
  • Decaimento gama (γ): emissão de fótons de alta energia, frequentemente liberando energia adicional após outros tipos de decaimento.

Meia-vida

A meia-vida de um isótopo radioativo é o tempo que leva para metade da amostra decair. É uma medida da estabilidade do isótopo.

N(t) = N_0 cdot left( frac{1}{2} right)^{frac{t}{t_{1/2}}}

Onde:

  • N(t) é o número de núcleos não desintegrados no tempo t
  • N_0 é o número inicial de núcleos
  • t_{1/2} é a meia-vida

Fissão e Fusão

Fissão e fusão nucleares são reações que liberam energia alterando estruturas atômicas. Essas reações alimentam muitas aplicações, desde reatores nucleares até estrelas.

Fissão nuclear

Fissão é o processo no qual um núcleo pesado se divide em dois ou mais núcleos menores, frequentemente criando nêutrons livres e fótons. A fissão libera uma grande quantidade de energia.

Exemplo de fissão do urânio-235:

^{235}U + n rightarrow ^{141}Ba + ^{92}Kr + 3n + text{energia}

Fusão Nuclear

Fusão é o processo no qual dois núcleos mais leves se combinam para formar um núcleo mais pesado. A fusão alimenta estrelas e produz mais energia do que a fissão, mas requer temperaturas e pressões extremas.

Exemplo de fusão de deutério:

^{2}H + ^{3}H rightarrow ^{4}He + n + text{energia}

Aplicações da Física Atômica e Nuclear

A física atômica e nuclear têm uma ampla gama de aplicações que afetam muitos setores, desde a medicina até a produção de energia:

Energia nuclear

Os reatores nucleares utilizam a fissão para produzir eletricidade. O calor produzido pelas reações de fissão é usado para gerar vapor que movimenta turbinas para gerar eletricidade.

Aplicações Médicas

  • Terapia de radiação: Usada para tratar o câncer, direcionando radiação para células tumorais.
  • Imagem médica: Técnicas como exames PET utilizam traçadores radioativos para visualizar estruturas internas do corpo.

Datação por carbono

A datação por carbono usa o decaimento do carbono-14 para determinar a idade de material orgânico com milhares de anos. Ao medir a quantidade de carbono-14 restante em uma amostra, os cientistas podem estimar sua idade.

Sondas espaciais

Sistemas de propulsão nuclear oferecem potencialmente viagens espaciais mais eficientes, permitindo que espaçonaves viajem mais rápido e em maiores distâncias do que foguetes baseados em química convencional.

Conclusão

A física atômica e nuclear ajuda a compreender profundamente os aspectos fundamentais e as interações da matéria, levando a avanços tecnológicos e compreensão científica significativos. Desde modelos atômicos simples e clássicos até teorias quânticas e nucleares complexas, este campo da física continua a evoluir e expandir nosso conhecimento do universo.


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