UNICAMP 2024 (2ª fase) — questão 11 de Física

Enunciado em texto
A fabricação da próxima geração de chips, previstos para entrada no mercado em 2024, com maior velocidade de processamento e menor consumo de energia, é baseada na tecnologia de litografia com luz na região do ultravioleta extremo. Nesse processo, gotas de estanho são bombardeadas com pulsos de laser, o que dá origem a um plasma que emite radiação com comprimento de onda na região do ultravioleta extremo.
a) Para a formação do plasma, inicialmente eleva-se a temperatura da gota de estanho através do bombardeamento com um primeiro pulso de laser. O estanho tem densidade e calor específico , e o volume da gota é . Qual a energia que um pulso de laser deve conter para elevar a temperatura da gota de 25 °C para 175 °C?
b) Um pulso de laser de comprimento de onda é usado em um experimento de teste para a formação de plasma. A potência do laser, em função do tempo, tem o perfil de um triângulo retângulo, como representado na figura, de forma que a energia total do pulso é dada pela área sob a curva. Sabendo-se que a energia E de um fóton é dada por , sendo J·s e f a frequência da radiação, quantos fótons contém o pulso de laser?
Dado: Velocidade da luz no vácuo: m/s.
(Gráfico: potência ( W), de 0 a 8, em função do tempo ( s), de 0 a 300. Pontos experimentais e, ajustado a eles, um triângulo retângulo: a potência é nula até , sobe na vertical até 8 em e cai em linha reta até zero em , permanecendo nula depois.)
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2024, 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) a energia para aquecer a gota de estanho de 25 °C a 175 °C; (b) quantos fótons há num pulso de laser, a partir da área do gráfico potência × tempo.
Item (a) — a massa da gota:
Item (a) — calor sensível. Sem mudança de estado, , com °C:
Item (b) — a energia do pulso. Potência é energia por tempo, então a energia é a área sob o gráfico . O triângulo tem base de a (em s) e altura W:
Item (b) — a energia de um fóton. Com e m m:
Item (b) — o número de fótons:
⚠️ A armadilha: no item (b), tomar a base do triângulo a partir de (275 em vez de 175): a energia sairia 1,1 J e o número de fótons, , errado; o pulso só começa em s. Também é preciso não esquecer as potências de 10 dos eixos e que o “μ” de μm vale .
A ideia em uma frase: aquecer pede ; a energia do pulso é a área do gráfico potência × tempo, e o número de fótons é essa energia dividida por .
Resposta: (a) J; (b) J, J e fótons.
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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