Física Moderna

Introdução

No final do séc. XIX, cientistas de todo o mundo acreditavam que os conhecimentos sobre as leis físicas tinham chegado ao fim. Até então, as leis do eletromagnetismo, propostas por James Clerck Maxwell e Michael Faraday, eram consideradas o ponto final do conhecimento físico, e nada mais poderia ser descoberto na ciência da natureza.

Mas no ano de 1900, Max Planck, tentando explicar os fenômenos da radiação térmica, revolucionou a física, apresentando a mecânica quântica.

Em 1905, Albert Einstein, um jovem e desconhecido físico alemão, publicou a Teoria Especial da Relatividade e a teoria do Efeito Fotoelétrico, que revolucionou a mentalidade científica para o estudo dos fenômenos atômicos.

Com o desenvolvimento da Mecânica Quântica, através dos trabalhos de Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Erwin Schrödinger, entre outros, descobriu-se o comportamento dual dos elementos atômicos e das ondas eletromagnéticas, que ora se manifestavam como partículas, tendo massa e dimensões definidas, ora se manifestavam como ondas.

A física voltou-se para o mundo microscópico, onde passou a estudar os fenômenos subatômicos, que mais tarde possibilitou grandes avanços tecnológicos, como o desenvolvimento das telecomunicações, os avanços na eletrônica, e até mesmo uma explicação mais eficiente sobre a evolução do universo.

 

Energia de Ligação

Principais energias em estrutura de bandas para sólidos cristalinos.

A energia de ligação (EB) é um termo normalmente utilizado quando se trabalha com a análise da estrutura eletrônica da matéria (estrutura de bandas), em especial na espectroscopia de elétrons. É comum também em outras, a exemplo na física do estado sólido.

Rigorosamente falando, a Energia de Ligação de um dado estado quântico eletrônico identificado por s é a diferença das energias totais dosistema quando este estado encontra-se desocupado e ocupado por um elétron, respectivamente. Assume-se que o sistema, mantida a ausência no primeiro caso, já tenha relaxado energeticamente de forma a acomodar-se à ausência do elétron no referido estado, assumindo aconfiguração que lhe permita então a menor energia total com o referido estado vazio. Sendo EsistemaN-1 a energia total do sistema com a ausência do elétron no referido estado e EtotalN a energia total do sistema com o referido estado preenchido, ou seja, com N elétrons e em seu estado de equilíbrio termodinâmico, temos que:

EB = E N−1 sistema − ENtotal

Em sólidos geralmente utiliza-se como referência para a medida da energia de ligação a energia de Fermi. Entretanto não é incomum encontrar-se dados sobre energias de ligação referidas à energia de nível de vácuo, ou, às vezes, à energia do topo da banda de valência, e certo cuidado deve ser tomado ao se utilizar valores obtidos da literatura.

Devido às dificuldades inerentes na determinação da energia total do sistema, costuma-se assumir aproximações práticas para a energia de ligação. A mais simples consiste em negligenciar a energia envolvida no processo de relaxação do sistema e assumir a energia de ligação como sendo o negativo da energia do estado a partir do qual o elétron é retirado. Esta aproximação, apesar de negligenciar mudanças nosorbitais do átomo do qual o elétron é removido bem como mudanças na distribuição eletrônica do cristal devido à presença de um íon positivona rede e à ausência de um elétron, mostra-se muitas vezes útil, e é conhecida como aproximação de Koopman.

Tabelas com as energias de ligações para os elementos e vários compostos destes podem ser encontradas na literatura.

 

Transformações Nucleares

Existem vários tipos de transformações nucleares, mas as que nos interessam aqui são aquelas que ocorrem espontaneamente e constituem o principal fenômeno relacionado com a radioatividade natural. Este fenômeno, também denominado decaimento radioativo ocorre em núcleos pesados, cujas principais características são:

• A densidade da matéria nuclear é constante;

• As forças de interação próton-próton (p-p), nêutron-nêutron (n-n) e próton-nêutron (p-n) não são muito diferentes;

• Existe uma forte tendência para os núcleos apresentarem igual número de prótons e nêutrons. Como essa tendência é oposta à repulsão Colombiana p-p, a consequência é que nos núcleos pesados sempre há um excesso de nêutrons, para garantir a coesão nuclear;

• Núcleos contendo números pares de prótons e de nêutrons são mais abundantes e mais estáveis do que núcleos contendo números ímpares de prótons ou nêutrons.

A instabilidade nuclear aumenta na mesma proporção do crescimento do número de núcleos, e pode originar decaimento radioativo e fissão nuclear. O decaimento radioativo é seguido pela emissão de três tipos de radiação:

• Partículas alfa, que são núcleos de hélio, 2He4;

• Partículas beta, que são elétrons;

• Raios gama, radiação eletromagnética tipo raios-X.

Os núcleos que apresentam este fenômeno foram denominados, por Marie Curie, radioativos. Curiosamente, não se tem notícia de decaimento com a emissão de prótons ou nêutrons.

O decaimento radioativo obedece a uma lei exponencial, do tipo N=N0e-t/, onde, N0 é o número de átomos radioativos no instante t=0, e  é uma constante denominada vida média. Define-se a meia-vida do processo, 1/2, o tempo necessário para que a quantidade de material radioativo reduza-se à metade. É fácil mostrar que 1/2=ln2.

O inverso da vida média, =1/, é conhecida como constante de decaimento. Assim, outra forma de expressar a lei do decaimento radioativo é N=N0e-t

A atividade de uma substância radioativa é medida em termos do número de desintegrações (ou decaimentos) por segundo, cuja unidade é o curie. No sistema SI, 1 desintegração/s é definida como 1 Bq (Becquerel). Portanto, 1Ci=3.7x1010 desintegrações/s = 3.7 x 1010 Bq.

O curie é a quantidade de radiação