UFU 2011-1 (Processo Seletivo Especial) — questão 20 de Física

Enunciado em texto
Em 1926, Louis de Broglie formula, na sua tese de doutorado, que as partículas deveriam se comportar como ondas, da mesma forma que a luz, considerada primeiramente como de caráter ondulatório, deveria ser descrita como partícula para explicar o comportamento do espectro de radiação de um corpo negro. A hipótese de de Broglie foi confirmada experimentalmente de forma independente por George P. Thomson e Joseph Davisson, em experiências realizadas usando elétrons em que a difração de partículas foi observada pela primeira vez. Nestes experimentos, as partículas incidem em uma rede de difração, que consiste de uma série de fendas do mesmo comprimento localizadas a uma distância igualmente espaçada, conhecida como espaçamento da rede. O comprimento da fenda deve ser comparável com o comprimento da onda incidente.
Na tabela 1, são reportados alguns comprimentos de onda, λ, de objetos materiais, todos se movendo com velocidade igual a 100 m/s.
Tabela 1
| Objeto | Massa (kg) | λ(m) |
|---|---|---|
| Elétron | ||
| Nêutron | ||
| Bola de basebol | 0,14 |
Na tabela 2, são reportados o valor de algumas distâncias na natureza.
Tabela 2
| Definição | Distância (m) |
|---|---|
| Raio do átomo de hidrogênio | |
| Espaçamento da rede cristalina do ouro | - |
| Espaçamento da rede cristalina do grafito-cobre |
Analise as seguintes afirmações sobre os dados das tabelas.
I - O comprimento de onda é inversamente proporcional ao momento linear da partícula, com uma constante de proporcionalidade da ordem de .
II - Pode-se usar um arranjo de átomos de hidrogênio para estudar a difração de bolas de basebol.
III - Lâminas de ouro podem ser usadas como redes de difração em experimentos de difração de elétrons.
Usando a tabela e as informações do enunciado, assinale a alternativa que apresenta as afirmações corretas.
A) Apenas I.
B) Apenas I e III.
C) Apenas I e II.
D) Apenas III.
(Enunciado e figura: Processo Seletivo UFU 2011-1 (Processo Seletivo Especial — Monte Carmelo e Patos de Minas), 1ª fase — Universidade Federal de Uberlândia.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Federal de Uberlândia (UFU) e à sua Diretoria de Processos Seletivos (DIRPS/UFU).
Resolução comentada
O que a questão pede: conferir a relação de de Broglie com os dados da tabela 1 e decidir, pela tabela 2, que redes servem para difratar cada objeto.
Passo 1 — afirmação I. A relação de de Broglie é : o comprimento de onda é inversamente proporcional ao momento linear, e a constante é a de Planck. Pela tabela, multiplicando por (com m/s):
É a constante de Planck, J·s, com a potência . Verdadeira. (A linha da bola de basebol não fecha a conta: com kg·m/s, o certo seria m; o erro da tabela não muda nenhuma conclusão.)
Passo 2 — a regra da difração. O próprio texto dá o critério: a difração aparece quando o espaçamento da rede é comparável ao comprimento de onda.
Passo 3 — afirmação II. A onda de uma bola de basebol tem m; átomos de hidrogênio têm dimensões de m, cerca de vezes maiores. Não há rede nenhuma na natureza com espaçamento comparável: objetos macroscópicos não mostram difração. Falsa.
Passo 4 — afirmação III. O elétron a 100 m/s tem m, dentro da faixa dada para o espaçamento da rede do ouro ( a m). Comparáveis: a lâmina de ouro serve de rede de difração para esses elétrons. Verdadeira.
Um parêntese: na vida real, os átomos do ouro estão a décimos de nanômetro uns dos outros, e os experimentos usam elétrons muito mais rápidos, com dessa ordem (G. P. Thomson usou justamente películas finas, inclusive de ouro). A questão pede que se use a tabela, e com ela a conclusão é a mesma.
Conferindo: verdadeiras I e III: alternativa B.
⚠️ A armadilha: achar que, por toda matéria ter comportamento ondulatório, qualquer objeto pode ser difratado por qualquer rede (afirmação II, alternativa C). O comportamento de onda só aparece quando o espaçamento da rede é comparável a .
A ideia em uma frase: λ = h/(mv): partículas leves têm λ mensurável e difratam em redes cristalinas; objetos do dia a dia têm λ ridiculamente pequeno.
Resposta: alternativa B (I e III).
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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