UNICAMP 2017 (2ª fase) — questão 17 de Física

Enunciado em texto
Um instrumento importante no estudo de sistemas nanométricos é o microscópio eletrônico. Nos microscópios ópticos, a luz é usada para visualizar a amostra em estudo. Nos microscópios eletrônicos, um feixe de elétrons é usado para estudar a amostra.
a) A vantagem em se usar elétrons é que é possível acelerá-los até energias em que o seu comprimento de onda é menor que o da luz visível, permitindo uma melhor resolução. O comprimento de onda do elétron é dado por , em que é a energia cinética do elétron, kg é a massa do elétron e N·m·s é a constante de Planck. Qual é o comprimento de onda do elétron em um microscópio eletrônico em que os elétrons são acelerados, a partir do repouso, por uma diferença de potencial de kV? Caso necessário, use a carga do elétron C.
b) Uma forma usada para gerar elétrons em um microscópio eletrônico é aquecer um filamento, processo denominado efeito termiônico. A densidade de corrente gerada é dada por , em que é a constante de Richardson, é a temperatura em kelvin, J/K é a constante de Boltzmann e , denominado função trabalho, é a energia necessária para remover um elétron do filamento. A expressão para pode ser reescrita como , que é uma equação de uma reta de versus , em que é o coeficiente linear e é o coeficiente angular da reta. O gráfico da figura abaixo apresenta dados obtidos do efeito termiônico em um filamento de tungstênio. Qual é a função trabalho do tungstênio medida neste experimento?
(Gráfico: eixo vertical ln(J/T²), de −45 a 0; eixo horizontal 1/T [× 10⁻³ K⁻¹], de 0,2 a 1,0. Os dados formam uma reta decrescente que vale 0 em 1/T = 0,25 e −40 em 1/T = 1,0; no caminho, passa por cerca de −13 em 0,5 e de −29 em 0,8.)
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2017, 2ª fase — Comvest/Unicamp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à UNICAMP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) o comprimento de onda de um elétron acelerado por 50 kV; (b) a função trabalho do tungstênio, tirada da inclinação da reta.
Atenção: no PDF oficial, as fórmulas deste enunciado saíram com símbolos quebrados (por exemplo, “λ = h (2meEc) 1/2 /” e “ln(J T 2 /)”). Elas foram escritas acima na forma correta, que é a usada na resposta esperada: e .
Item (a) — a energia cinética. Partindo do repouso, o elétron ganha energia cinética igual ao trabalho do campo elétrico, :
Item (a) — o comprimento de onda:
É cerca de cem mil vezes menor que o comprimento de onda da luz visível (uns m): daí a resolução muito melhor do microscópio eletrônico.
Item (b) — o que a inclinação significa. Na reta , o número que multiplica é . Então o módulo da inclinação do gráfico é .
Item (b) — a inclinação lida no gráfico. A reta vai de 0 (em K⁻¹) a −40 (em K⁻¹):
Isso dá cerca de 4,7 eV, perto do valor tabelado da função trabalho do tungstênio (cerca de 4,5 eV).
Atenção: a resposta esperada da banca usa inclinação K e obtém J. A leitura da reta desenhada dá um pouco mais (cerca de K); a diferença, de uns 7%, está dentro da precisão de leitura do gráfico, e as duas respostas são da ordem de J.
⚠️ A armadilha: no item (a), esquecer a raiz quadrada (ou o fator 2) na fórmula; no item (b), esquecer que o eixo horizontal está em K⁻¹: lendo a inclinação como 40/0,75 ≈ 53 K, a função trabalho sairia mil vezes menor.
A ideia em uma frase: elétron acelerado: Ec = eU e λ = h/√(2mEc); num gráfico linearizado, a grandeza física está escondida na inclinação.
Resposta: (a) m; (b) (inclinação) J, cerca de 4,7 eV (a banca, com inclinação K, dá J).
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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