Figura 1
Tubo de raios catódicos usado no experimento de Thomson [32]. Um feixe de partículas é emitido do filamento metálico conectado ao pólo negativo da bateria (à esquerda da Figura), e se propaga em um tubo a vácuo até colidir com a outra extremidade, no bulbo à direita. O feixe é desviado por um campo elétrico inserido no meio do tubo (região amarela entre as placas horizontais), indicando que as partículas emitidas possuem carga. Com auxílio de um campo magnético (não simbolizado na imagem), pode-se calcular a razão entre a carga e a massa dessas partículas. Fonte: Wikimedia Commons/Domínio Púbico.
Figura 2
Dois elétrons sob a ação da atração gravitacional , devido a suas massas me, e da repulsão eletrostática devido a suas cargas −e.
Figura 3
(a) Linhas de campo elétrico geradas por uma carga pontual. O número de linhas atravessando uma superfície fechada é sempre constante, o que significa que a densidade de linhas diminui com a distância. Para um espaço tridimensional, a redução é ∼1/r2. (b) Toda a água que emana da fonte escorre através da borda do chafariz. A quantidade de água que atravessa uma unidade de comprimento desse perímetro varia com o inverso da distância da borda à fonte, ∼1/r. Fonte: Domínio Público.
Figura 4A força eletrostática devido a um balão de festa é suficiente para superar a atração gravitacional de todo o planeta e fazer o cabelo levantar. Fonte: adaptado de SWNS/Splash News.
Figura 4A força eletrostática devido a um balão de festa é suficiente para superar a atração gravitacional de todo o planeta e fazer o cabelo levantar. Fonte: adaptado de SWNS/Splash News.
Figura 5
Forças de contato. Em última instância, todas têm origem na repulsão eletromagnética. Fontes: os autores e adaptações de [39] e [40], respectivamente.
Figura 6
A força normal de uma mesa sobre um bloco é devida à repulsão entre os elétrons dos átomos das superfícies.
Figura 7
Simulação interativa PhET Colorado: Irradiando Carga. Na imagem da esquerda, a carga está em repouso e as linhas de campo são radiais. À direita, a carga foi posta em movimento e as linhas se deformam para acompanhá-la. Essa deformação se propaga, constituindo a onda eletromagnética. Fonte: [42].
Figura 8
Simulação interativa PhET Colorado: Ondas de Rádio e Campos Eletromagnéticos. A simulação ilustra como a oscilação dos elétrons em uma antena transmissora gera uma onda eletromagnética, que se propaga até outra antena receptora, fazendo seus elétrons oscilarem à mesma frequência que os da fonte. Assim, o sinal é transmitido de um ponto a outro sem intermédio de fios. Nessa simulação o(a) estudante pode interagir movendo o elétron da antena com o mouse e produzindo seu próprio sinal. Fonte: [43].
Figura 9
Uma superfície arbitrária S delimitada por uma curva fechada C.
Figura 10
(a) Esquema do ciclo retroalimentativo que sustenta a propagação da onda eletromagnética. (b) Uma onda eletromagnética propagando-se na direção x consiste em oscilações dos campos elétrico e magnético no plano yz. No vácuo esses campos são sempre mutuamente perpendiculares. Note que não há componentes dos campos na direção de propagação: diz-se que a onda eletromagnética é uma onda transversal. Fonte: Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0.
Figura 11Algumas aplicações de diversas bandas do espectro eletromagnético, que podem ser exploradas em sala em um contexto CTSA. Fonte: Domínio Público.
Figura 12Imagem da simulação interativa PhET Colorado: Espectro de Corpo Negro. Fonte: [45].
Figura 13
Diversos tipos de radiação eletromagnética, caracterizados por uma banda específica de frequência e comprimento de onda do espectro completo. A cada banda, atribui-se também um objeto cujo tamanho típico é da mesma ordem de magnitude do comprimento da onda correspondente: tratam-se dos menores objetos que podem ser distinguidos por meio dessas ondas. Por exemplo, microorganismos podem ser vistos sob um microscópio usual, funcionando à base de luz visível, mas para distinguir moléculas ou átomos é preciso fazer incidir radiação muito mais energética, de menor comprimento de onda. As frequências de cada banda são associadas, também, às cores da radiação correspondente, divididas em três regiões: o infravermelho, o espectro contínuo da luz visível, e o ultravioleta. Por fim, ilustra-se também a temperatura de um corpo cujo espectro de emissão termal é predominante na banda em questão. Fonte: Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0.
Figura 11Algumas aplicações de diversas bandas do espectro eletromagnético, que podem ser exploradas em sala em um contexto CTSA. Fonte: Domínio Público.
Figura 12Imagem da simulação interativa PhET Colorado: Espectro de Corpo Negro. Fonte: [45].
Figura 14
Padrão esperado para um feixe de partículas clássicas lançadas contra uma tela com duas fendas. Fonte: adaptado de Wikimedia Commons/Domínio público.
Figura 15
Para partículas quânticas, o padrão de interferência é inicialmente imperceptível, mas emerge paulatinamente à medida que mais estatística é coletada pelo experimento. Fonte: Wikimedia Commons/Domínio público.
Figura 16
Momentos distintos de um ciclo oscilatório associado a um modo normal de vibração para uma superfície bidimensional. No caso de um instrumento de percussão, esse padrão corresponderia a uma nota musical (i.e. uma frequência sonora) específica. Para um campo quântico, corresponde a uma partícula com energia e momento específicos. Fonte: adaptado de Wikimedia Commons/Domínio público.
Figura 17
(a) Dois elétrons (picos mais protuberantes, de cor laranja) afastados um do outro. Devido à interação entre o campo de elétrons e o campo eletromagnético, um elétron nunca existe isoladamente: sua presença induz excitações do campo fotônico ao seu redor. (b) À medida que os elétrons se aproximam, intensifica-se a troca de energia-momento entre ambos mediada por excitações do campo eletromagnético, causando a mútua repulsão. (c) Elétrons novamente distantes após a interação.
Figura 18
Diagrama de Feynman ilustrando a interação entre dois elétrons mediada pela troca de um fóton virtual. Os pontos que conectam os elétrons ao fóton são chamados de vértices do diagrama.
Figura 19
A interação entre elétrons pela troca de um fóton virtual deve levar em conta as duas possibilidades de ordenamento temporal, em que um elétron emite e o outro absorve o fóton trocado.
Figura 20
Diagrama de Feynman para um espalhamento elástico por uma carga estática. Define-se o ângulo θ como o ângulo entre o momento final () e inicial do elétron (), medindo o desvio relativamente à direção do feixe incidente. Ele não aparece na figura, pois um diagrama de Feynman representa apenas uma esquematização do processo que contribui para a interação, e não ilustra como o espalhamento ocorre, de fato, no espaço-tempo. Veja comentário no início da seção 2.7.3, bem como a Figura 19.
Figura 21
Representação esquemática do movimento de um pósitron, interpretado como o movimento de um elétron movendo-se “para trás no tempo”. O pósitron pode ser visto como uma “ausência de elétron” ou como um buraco nesta página em branco: à medida que o “buraco” se move para a direita, o espaço que ele antes ocupava passa a ser novamente branco, como o restante da página. Reduzir a ausência de carga negativa em uma determinada posição é equivalente a acrescentar uma carga negativa nesse ponto. Isso porque −(+ e) = −e. Assim, o pósitron movendo-se de 1 para 2 em t1→t2 corresponde a um elétron movendo-se de 2 para 1. Em t2→t3 o elétron se desloca de 3 para 2. Note que o elétron que saiu de 2 para 1 precisou, primeiro, sair de 3 para 2. Assim, efetivamente, o movimento do pósitron de 1→2→3 em t1→t2→t3 corresponde ao movimento de um elétron de 3→2→1 em t3→t2→t1.
Figura 22
Diagrama representando a aniquilação de um par elétron-pósitron em dois fótons. Note como a partícula mediadora é uma excitação do campo eletrônico. Esse caso ilustra como todas as partículas podem ser virtuais, e não apenas as mediadoras das interações.
Figura 23
Criação de um par elétron-pósitron visualizado em uma câmara de bolhas. Fonte: CERN.
Figura 24
Esquema de funcionamento de um aparelho de Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET scan). Fonte: adaptado de [61].
Figura 25
Diagrama de Feynman ilustrando um possível processo ocorrendo durante a propagação de um fóton, temporariamente interrompida pela criação e posterior aniquilação de um par elétron-pósitron. Este é um exemplo de um diagrama com um laço.
Figura 26
Dois processos possíveis de mediação da interação entre as cargas q e Q. (a) Diagrama responsável pela interação descrita no eletromagnetismo clássico. (b) Uma correção quântica oriunda da interação mútua entre o fóton e as excitações do campo eletrônico, que altera a propagação do fóton. Por incluir uma modificação na propagação do fóton, esse diagrama induz uma modificação da lei de Coulomb para a interação entre partículas carregadas. Isso também pode ser interpretado como uma alteração na “carga elétrica efetiva” das partículas interagentes.
Figura 27
Efeito de blindagem da carga do elétron devido aos pares elétron-pósitron virtuais. Fonte: cortesia de © INFN, Laboratori Nazionali di Frascati [62].
Figura 28
Indicadores de alfabetização científica observados nas intervenções realizadas. A legenda está ordenada no sentido anti-horário do gráfico a partir de “seriação de informações” (azul escuro, 20,07%).
Figura 29
Incidência dos indicadores de engajamento comportamental, emocional e cognitivo nas três primeiras aulas da sequência didática proposta para os cinco estudantes mais presentes nas intervenções. Note que o estudante Werner se destacou apresentando altas incidências em todos os indicadores. Optamos por reescalonar essas incidências no gráfico e, portanto, os números totais para esse estudante são obtidos a partir dos números apresentados multiplicados por um fator 3.
Figura 30
Espectro de emissão de radiação pelo Sol. Note o pico exatamente na região do visível, com máximo na faixa da cor verde. Fonte: Domínio público.
Figura 31
Sirius, o novo laboratório de luz síncrotron brasileiro, localizado no Laboratório Nacional de Luz Síncroton (LNLS) em Campinas. Fonte: LNLS/CNPEM.
Figura 32
Se utilizássemos unidades e dimensões distintas para medir altura, largura, e comprimento, sempre que fizéssemos a rotação de um objeto teríamos que recalcular suas dimensões. Como rotações não alteram o tamanho do objeto, esse cálculo envolveria fatores de conversão universais. A escolha mais conveniente é aquela em que esses fatores são todos unitários, ou seja, medimos todos os lados dos objetos usando as mesmas unidades. A universalidade da velocidade da luz nos indica, de igual modo, que espaço e tempo são dimensões distintas de um único ente: o espaço-tempo. E a conversão entre elas é feita pela propagação da luz, que oferece, aqui, o análogo à rotação espacial do objeto no exemplo da presente figura.
Física de Partículas no ensino médio Parte I: Eletrodinâmica Quântica
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