Física Moderna

A Física Moderna teve início nas primeiras décadas do século XX com o surgimento da Física Quântica e da Teoria da Relatividade.

A Física Moderna se refere, geralmente, a um conjunto de teorias desenvolvidas nas primeiras décadas do século XX. Dentre essas teorias estão a Física Quântica e a Teoria da Relatividade. Entre os principais cientistas desse período estão: Marie Curie, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Max Planck, entre outros.

Física moderna: uma história através do tempo

Ao fim do século XIX, alguns físicos acreditavam que a Física já estava acabada e que existiam pequenos problemas a serem resolvidos. Até aquela época, diversas áreas da Física já estavam consolidadas, por exemplo: a mecânica newtoniana, a óptica, a termodinâmica, a eletricidade e o magnetismo.

Além disso, a tecnologia também havia avançado bastante no fim do século XIX. Os submarinos já eram usados em guerras. Os balões dirigíveis pareciam um meio de transporte muito promissor e seguro. A fotografia e o cinema se desenvolviam rapidamente. Entre diversas outros avanços, os primeiros automóveis movidos a vapor também surgiram.

No ano de 1900, alguns físicos acreditavam que a Física havia atingido o seu maior avanço e, consequentemente, estaria completa. Ou seja, não haveria mais motivos para pesquisar. Um desses cientistas era Lord Kelvin, que, em uma conferência, chegou a recomendar que os jovens não se dedicassem à Física porque só faltavam poucos detalhes a serem acertados. Kelvin se referiu a esses detalhes como “duas pequenas nuvens no horizonte da Física”.

As “pequenas nuvens” as quais Kelvin se referia eram: a não detecção do éter no Experimento de Michelson-Morley e a dificuldade de explicar a distribuição de energia da Radiação de Corpo Negro. As tentativas de explicar as duas “nuvenzinhas” que Kelvin citou deram origem à Teoria da Relatividade e à Física Quântica, respectivamente.

Além disso, diversos novos fenômenos foram observados pela primeira vez ao fim do século XIX, como exemplo: a detecção dos raios X, a descoberta dos raios catódicos, a descoberta do elétron, a descoberta da radioatividade por Marie Curie, entre outros fenômenos.

A partir do que era chamado do “fim da Física”, diversas novas áreas acabaram surgindo e um novo período da História da Física se iniciou: a Física Moderna.

Importância da Física Moderna

A Física Moderna marcou a Ciência no início do século XX porque, com ela, diversos avanços tecnológicos foram possíveis. Na tecnologia, com o entendimento da Física Moderna foi possível construir computadores e smartphones, desenvolver a transmissão de dados à longa distância.

Por exemplo, o efeito fotoelétrico, que é um dos pilares da Física Moderna, está muito presente em nosso cotidiano, mesmo que as pessoas nem percebam: em leitores de códigos de barras, controle remoto da televisão, iluminação pública, portas automáticas, painéis de energia solar, entre outras aplicações.

Principais marcos e contribuições

Além das aplicações da Física Moderna no dia a dia do ser humano que foram citadas anteriormente, alguns marcos podem ser destacados porque são considerados o núcleo duro da Física Moderna:

  • Teoria atômica e o modelo atômico de Niels Bohr;
  • Radiação de Corpo Negro;
  • Efeito fotoelétrico;
  • Dualidade onda-partícula;
  • Entre outros.

Principais físicos modernos

  • Marie Curie (1867-1934);
  • Albert Einstein (1879-1955);
  • Max Planck (1858-1947);
  • Niels Bohr (1885-1962);
  • Erwin Schrödinger (1887-1961);
  • Werner Heisenberg (1901-1976);
  • Louis de Broglie (1892-1987);
  • entre outros.

Áreas de estudos

A Física Moderna é um conjunto de teorias e áreas de estudo da Física que surgiram a partir do início do século XX, juntamente com o surgimento da Teoria da Relatividade e da Física Quântica. Atualmente, os estudos relacionados à Física Moderna e Contemporânea estão em todas as áreas da Física. Alguns dos diretamente derivados da Teoria da Relatividade e da Mecânica Quântica são:

  • Teoria Relatividade: teoria postulada originalmente por Hendrik Lorentz e, posteriormente, Albert Einstein. Estuda o movimento de objetos e entes físicos que viajam próximos à velocidade da luz.
  • Física Quântica: estuda os fenômenos físicos em escalas abaixo da escala atômica.
  • Física de partículas: estuda as partículas elementares da matéria e da radiação. Também estuda a interação mútua entre essas partículas e suas aplicações.
  • Física Computacional: une os conhecimentos da Física e da Ciência da Computação para resolver problemas de sistemas físicos.
  • Mecânica Estatística: ramo da Física que usa conceitos de probabilidade e de física para compreender sistemas macroscópicos compostos por um número de entidades muito grande

Além dessas áreas citadas, os conceitos originários com o surgimento da Física Moderna estão presentes em diversas outras áreas da Física consideradas “Física Clássica”. Por exemplo: usar os conhecimentos da Física Moderna para compreender o comportamento de galáxias.

Principais teorias

As teorias da Física Moderna podem exigir uma compreensão matemática muito avançada, porém algumas delas podem ser entendidos a partir de equações mais simples.

Radiação de Corpo Negro

Conforme medida que a temperatura diminui, o pico da curva da radiação se desloca para menores intensidades e maiores comprimentos de onda. (Fonte: WikiMedia)

Na física, um Corpo Negro é um objeto hipotético que absorve toda a radiação eletromagnética que incide sobre ele. Max Planck, ao tentar explicar a distribuição de energia em um corpo negro, como na imagem, supôs que a energia era distribuida em pacotes discretos. Ou seja, a energia teria apenas valores inteiros e não qualquer valor. A partir daí, Planck chegou à equação da radiação de corpo negro:

Em que:

  • ΔE: é o intervalo entre os valores possíveis de energia (J)
  • h: é a Constante de Planck e vale 6,26 x 10-34Js.
  • v: é a frequência de oscilação da radiação (Hz).

Efeito Fotoelétrico

Quando um material, geralmente, metálico, é exposto a uma radiação eletromagnética com uma frequência suficientemente alta, ele passa a liberar elétrons. Os elétrons que são ejetados do metal são chamados de fotoelétrons. Dessa forma, o efeito fotoelétrico explica como a luz em alta frequência pode liberar elétrons de certos materiais. Matematicamente:

Em que:

  • h: é a Constante de Planck e vale 6,26 x 10-34Js.
  • f: frequência da luz incidente (Hz).
  • ϕ: é a energia mínima para remover o elétron do átomo (J).
  • EcMax: é a energia cinética máxima dos elétrons ejetados (J).

Dualidade onda-partícula

Após séculos de debate sobre a natureza da luz ser ondulatória ou corpuscular, a Física Moderna postulou que entes físicos subatômicos (como elétrons, fótons e afins) podem se comportar tanto como onda quanto como partícula. Em 1924, Louis de Broglie chegou à primeira definição da dualidade onda-partícula. De Broglie chegou à conclusão que elétrons apresentariam características corpusculares ou ondulatórias, dependendo do experimento realizado.

Princípio da Incerteza

É um enunciado da Mecânica Quântica proposto por Werner Heisenberg. Esse princípio estabelece um grau de precisão em que certas propriedades da matéria podem ser conhecidos. Heisenberg propôs que quanto menor for a incerteza na posição da partícula, maior será a incerteza em seu momento linear (relação entre massa e velocidade) e vice-versa.

Relatividade restrita

Também conhecida como Teoria da Relatividade Especial, essa teoria tem como autor original o físico Hendrik Lorentz, porém sua versão mais conhecida é a que foi adaptada por Albert Einstein. Ela descreve o movimento das partículas em velocidades próximas à da luz. Sua equação é uma das mais conhecidas da física moderna:

Em que:

  • E: é a energia da partícula (J)
  • m: é a massa da partícula (kg)
  • c: é a velocidade da luz, que é uma constante e vale 3 x 108m/s.

Além dessas teorias, existem diversas outras que requerem um maior conhecimento matemático. Por exemplo: a Função de Onda de Schrödinger.

5 curiosidades sobre Física Moderna

Existem diversos acontecimentos e conceitos da Física Moderna que parecem estranhos, mas, na verdade, são muito interessantes. Por exemplo:

  • A física moderna surgiu em uma época que alguns físicos consideravam que a Física já estava terminada e que haviam apenas dois pequenos problemas a serem resolvidos. A solução desses problemas deu origem à Mecânica Quântica e à Teoria da Relatividade de Einstein, que são os pilares da Física Moderna.
  • Ao contrário de que muita gente acredita, Albert Einstein não recebeu o Prêmio Nobel de Física devido aos seus estudos na Teoria da Relatividade. Ele foi laureado com o prêmio devido a sua explicação teórica do efeito fotoelétrico.
  • O Paradoxo dos Gêmeos é um experimento mental proposto por Paul Langevin, em resposta à Teoria da Relatividade de Einstein. Nesse paradoxo, dois irmãos gêmeos seriam separados. Um ficaria na Terra e o outro faria uma viagem de longa duração em uma velocidade muito próxima à da luz. Após o retorno à Terra, devido à dilatação do tempo proposta na teoria de Einstein, o gêmeo que ficou na Terra teria envelhecido mais do que o irmão que foi viajar. Esse paradoxo é explorado no filme Interestelar, de 2014.
  • O Emaranhamento Quântico é um fenômeno proposto pela Física Quântica que diz que dois (ou mais) objetos estejam tão ligados que não é possível descrever um sem que a outra parte seja mencionada. Isso pode acontecer mesmo que os objetos estejam fisicamente separados. O Emaranhamento Quântico é a base para o funcionamento dos computadores quânticos.
  • Outra base da Computação Quântica são as Caminhadas Quânticas. Elas são uma ferramenta para construção de algoritmos para computadores quânticos. As Caminhadas Quânticas são superposições de posições de probabilidades sobre o ente físico que está caminhando.

A Física Moderna, apesar de ter mais de 100 anos de idade, ainda possui diversos campos a serem explorados. Nossa sociedade e tecnologia avançam devido aos conceitos da Física Moderna e de outras áreas do conhecimento.

Vídeos sobre Física Moderna

Agora que já aprendemos um pouco mais sobre a Física Moderna, veja os vídeos que selecionamos para você:

Como a Física Quântica surgiu?

Nesse vídeo, Henrique Sobrinho Ghizoni, doutorando em Física Quântica pela Universidade Federal do Paraná, fala como um dos pilares da Física Moderna surgiu, a Física Quântica. No vídeo, ele fala sobre como Max Planck contribuiu para o surgimento da Física Moderna na tentativa de explicar a distribuição de energia em um Corpo Negro.

Introdução à Relatividade Restrita

O professor Douglas dá uma aula introdutória sobre os conceitos da Teoria da Relatividade Restrita. Na aula, ele apresenta os problemas com a mecânica clássica que levaram ao desenvolvimento da Teoria da Relatividade.

Emissão de Radiação de um Corpo Negro

Os professores Gil Marques e Claudio Furukawa mostram experimentalmente como a temperatura e a emissão de radiação de um corpo pode variar conforme ele é exposto a outra forma de radiação eletromagnética.

A Física Moderna é parte fundamental do avanço tecnológico alcançado pela nossa sociedade atual. Além disso, constitui um grande conjunto de teorias físicas que devem ser estudadas a fundo. Por exemplo, o estudo do Efeito fotoelétrico

Referências

EISBERG, Robert. Física Quântica: Átomos, moléculas, sólidos, núcleos e partículas. São Paulo: LTC. 1979.
GHIZONI, Henrique Sobrinho. Interstellar: Os efeitos relativistícos na ficção científica. Monografia (Licenciatura em Física). 46f. Departamento de Física. Universidade Estadual de Maringá. Maringá, 2016.
MARTINS, Roberto de Andrade. Como distorcer a física: considerações sobre um exemplo de divulgação científica 2 – Física moderna. Caderno Brasileiro de Ensino de Física. 1998.

Hugo Shigueo Tanaka
Por Hugo Shigueo Tanaka

Divulgador Científico e co-fundador do canal do YouTube Ciência em Si. Historiador da Ciência. Professor de Física e Matemática. Licenciado em Física pela Universidade Estadual de Maringá (UEM). Mestre em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM). Doutorando em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM).

Como referenciar este conteúdo

Tanaka, Hugo Shigueo. Física Moderna. Todo Estudo. Disponível em: https://www.todoestudo.com.br/fisica/fisica-moderna. Acesso em: 25 de November de 2020.

Exercícios resolvidos

1. [Ufrgs]

No início do século XX, a Física Clássica começou a ter problemas para explicar fenômenos físicos que tinham sido recentemente observados. Assim começou uma revolução científica que estabeleceu as bases do que hoje se chama Física Moderna.

Entre os problemas antes inexplicáveis e resolvidos nesse novo período, podem-se citar

a)a indução eletromagnética, o efeito fotoelétrico e a radioatividade.
b) a radiação de corpo negro, a 1ª lei da Termondinâmica e a radioatividade.
c) a radiação de corpo negro, a indução eletromagnética e a 1ª lei da Termodinâmcia.
d) a radiação do corpo negro, o efeito fotoelétrico e a radioatividade.
e) a radiação do corpo negro, o efeito fotoelétrico e a indução eletromanética.

A radiação de corpo negro só foi explicada após Max Planck admitir que a energia deveria ser quantizada.

O efeito fotoelétrico foi explicado teoricamente por Albert Einstein.

A radioatividade só foi esclarecida após se conhecer a relação entre massa e energia.

Dessa forma, a alternativa correta é a alternativa D.

2. [UEG]

No passado, muitos cientistas se dedicaram a compreender o comportamento da luz. Diversos experimentos foram criados para poderem observar esse comportamento. Dos experimentos a seguir, qual deles comprova a natureza corpuscular da luz?

a)A imagem produzida por uma luz incidindo em uma fenda dupla.
b)A corrente elétrica gerada por uma placa metálica iluminada.
c)Um laser sendo refletido por um espelho plano.
d)Um lápis visto dentro de um copo com água.
e)Um disco colorido posto a girar rapidamente.

As alternativas A, C, D e E ilustram um comportamento ondulatório da luz.
A alternativa B mostra o efeito fotoelétrico que mostra a natureza dual da luz.

Alternativa correta: B.

3. [UPF]

A teoria da relatividade restrita (TRR), também como teoria da relatividade especial, foi proposta por Albert Einstein em 1905. Sobre essa teoria é correto afirmar:
a)a TRR afirma que as leis da Física são idênticas em relação a qualquer sistema de referencial inercial.
b)a TRR afirma que a velocidade da luz no vácuo é a mesma, independente do tipo de sistema de referência em que ela é medida.
c)a TRR é válida para todos os tipos de sistema de referência.
d)para a TRR, não é possível a contração do tempo.
e)na TRR, não é possível a dilatação do tempo.

A TRR afirma que todas as leis da natureza são as mesmas em todos os sistemas de referência inerciais. Ou seja, sistemas de referência com a aceleração nula.

Alternativa correta: A

Compartilhe

TOPO