UFSC 2018 (discursiva) — questão 3 de Física
Enunciado em texto
A tecnologia utilizada no sistema WEEDit para pulverização localizada é bastante inteligente. O sistema de sensores realiza a leitura da área, emitindo uma luz vermelha de alta intensidade para detectar plantas vivas indesejadas, conforme imagem ao lado. Um conjunto de sensores realiza leituras com uma frequência de 40 mil vezes por segundo. A clorofila das plantas responde à luz vermelha emitida pelo sensor absorvendo-a e emitindo luz NIR (infravermelho próximo) através da fluorescência, emissão que é detectada pelos sensores. Os sensores WEEDit identificam mesmo as menores emissões da clorofila e reagem acionando o conjunto de bicos referente à planta identificada, aplicando apenas o necessário, de acordo com o tamanho da planta.
(Figura: foto, ao entardecer, de um trator puxando uma barra de pulverização sobre um campo arado; a barra projeta no chão uma faixa de luz vermelha.)
Disponível em: <http://smartsensingbrasil.com.br/index.html>. [Adaptado]. Acesso em: 25 out. 2017.
O modelo atômico de Bohr pode ser utilizado para explicar a absorção da luz vermelha pela clorofila e a emissão da luz NIR, considerando a luz como fótons, conforme figura A abaixo.
(Figura A: um átomo com o núcleo (+) no centro, indicado como “Núcleo”, e duas órbitas circulares tracejadas, a de fora indicada como “Eletrosfera”. Um elétron está sobre a órbita interna, e uma linha ondulada chega até ele vinda de fora: o “Fóton incidente”.)
a) Reproduza a figura B na folha oficial de resposta e desenhe a posição do elétron depois que o fóton incidiu sobre o átomo (figura A). Explique o que ocorreu em, no máximo, 4 linhas.
(Figura B: o mesmo átomo, com o núcleo (+) e as duas órbitas tracejadas, sem o elétron.)
b) Reproduza a figura C na folha oficial de resposta e desenhe a energia absorvida do fóton incidente sendo liberada e a posição do elétron após essa liberação. Explique o que ocorreu em, no máximo, 4 linhas.
(Figura C: de novo o átomo com o núcleo (+) e as duas órbitas tracejadas, sem o elétron.)
c) A energia dos fótons de luz vermelha está associada com qual grandeza física?
(Enunciado e figura: Vestibular UFSC 2018, prova discursiva — UFSC/COPERVE.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Comissão Permanente do Vestibular (COPERVE).
Resolução comentada
O que a questão pede: usar o modelo de Bohr para descrever (a) a absorção do fóton vermelho, (b) a emissão que se segue e (c) dizer de que grandeza depende a energia do fóton.
A ideia de Bohr: o elétron só pode ocupar certas órbitas, cada uma com uma energia bem definida; quanto maior o raio da órbita, maior a energia. Para mudar de órbita, o átomo absorve ou emite um fóton com energia exatamente igual à diferença entre os níveis, .
Item (a) — o desenho. Na figura B, o elétron deve ser desenhado sobre a órbita externa (a de maior raio).
Item (a) — a explicação. Ao absorver a energia do fóton incidente, o elétron salta para um estado de maior energia, que corresponde a uma órbita de maior raio: o átomo fica excitado.
Item (b) — o desenho. Na figura C, o elétron deve ser desenhado de volta na órbita interna, com uma linha ondulada (o fóton emitido, a “energia liberada”) saindo do átomo.
Item (b) — a explicação. O estado excitado não é estável: o elétron volta para um estado de menor energia (órbita de menor raio) e libera a energia na forma de um fóton. É essa emissão que os sensores detectam.
Um detalhe da clorofila: o fóton emitido (infravermelho próximo) tem menos energia que o absorvido (vermelho), porque parte da energia se perde em processos internos da molécula antes da emissão. No desenho simples de dois níveis, isso não aparece; a banca pediu só a volta do elétron à órbita de menor energia com liberação de energia.
Item (c). A energia de um fóton é : ela está associada à frequência da luz (e, equivalentemente, ao comprimento de onda, já que ).
⚠️ A armadilha: no item (c), responder “intensidade”. Luz mais intensa tem mais fótons, não fótons mais energéticos; a energia de cada fóton depende só da frequência.
A ideia em uma frase: absorver um fóton leva o elétron a uma órbita maior (mais energia); voltar à órbita menor libera um fóton; e a energia do fóton é hf.
Resposta: (a) elétron desenhado na órbita externa: ao absorver a energia do fóton, ele passa a um estado de maior energia, numa órbita de maior raio; (b) elétron desenhado de volta na órbita interna, com um fóton (energia liberada) saindo do átomo: ao liberar a energia, ele volta a um estado de menor energia, numa órbita de menor raio; (c) à frequência ().
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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