Exercícios sobre física quântica (com explicações)
A física quântica é a base da tecnologia moderna e a chave para entendermos a natureza da realidade. Teste seus conhecimentos e aprofunde seus estudos com estes exercícios resolvidos e explicados.
Questão 1
Leia atentamente cada afirmação e marque (V) para as verdadeiras e (F) para as falsas.
I - Na física clássica, a energia é quantizada, ou seja, ocorre em pacotes discretos.
II - A física quântica descreve o comportamento de partículas em escala atômica e subatômica, enquanto a física clássica se aplica a objetos macroscópicos.
III - O princípio da incerteza de Heisenberg é um conceito fundamental da física clássica, que estabelece um limite para a precisão com que podemos medir simultaneamente a posição e a velocidade de um objeto.
IV - Na física quântica, uma partícula pode estar em vários estados ao mesmo tempo, até que seja realizada uma medida. Esse fenômeno é conhecido como superposição.
V - A física clássica descreve o movimento de partículas de forma determinística, enquanto a física quântica introduz um caráter probabilístico.
a) V, V, F, V, V
b) F, V, F, V, F
c) F, V, F, V, V
d) F, F, F, V, V
e) F, V, F, F, V
Gabarito: c) F, V, F, V, V
F - A quantização da energia é um conceito fundamental da física quântica, não da clássica.
V - A física quântica se dedica ao estudo do mundo microscópico, enquanto a física clássica descreve o mundo macroscópico.
F - O princípio da incerteza de Heisenberg é um conceito exclusivo da física quântica.
V - A superposição é um fenômeno quântico que desafia a intuição clássica.
V - A física clássica busca prever com precisão o estado futuro de um sistema, enquanto a física quântica descreve a probabilidade de um sistema estar em determinado estado.
Este exercício aborda as seguintes diferenças entre a física quântica e a clássica:
Quantização da energia: A energia é contínua na física clássica e quantizada na quântica.
Escala de aplicação: A física clássica se aplica a objetos grandes, enquanto a quântica se aplica a partículas subatômicas.
Princípio da incerteza: Exclusivo da física quântica, limita a precisão de medidas simultâneas.
Superposição: Fenômeno quântico onde uma partícula pode estar em vários estados ao mesmo tempo.
Determinismo vs. Probabilidade: A física clássica é determinística, enquanto a quântica é probabilística.
Questão 2
O princípio da incerteza de Heisenberg estabelece um limite para a precisão com que podemos conhecer simultaneamente determinadas propriedades de uma partícula, como posição e momento. Considerando esse princípio, qual das alternativas a seguir melhor explica por que não utilizamos a mecânica quântica para descrever o movimento de uma bola de bilhar em uma mesa de sinuca?
a) A mecânica quântica só se aplica a partículas subatômicas, sendo irrelevante para objetos macroscópicos como uma bola de bilhar.
b) A constante de Planck, que quantifica a incerteza nas medidas quânticas, é tão pequena em relação às escalas macroscópicas que seus efeitos são desprezíveis.
c) A mecânica clássica é mais intuitiva e simples de aplicar em sistemas macroscópicos, tornando-a mais adequada para descrever o movimento de uma bola de bilhar.
d) A mecânica quântica não é capaz de descrever fenômenos complexos como o movimento de uma bola de bilhar.
e) O princípio da incerteza de Heisenberg só se aplica a sistemas isolados, e uma bola de bilhar interagindo com a mesa não pode ser considerada um sistema isolado.
O exemplo da bola de bilhar é válido para ilustrar a ideia de que, em escalas macroscópicas, os efeitos quânticos são tão pequenos que podem ser desprezados.
A incerteza na posição e no momento da bola de bilhar, segundo o princípio de Heisenberg, seria tão pequena que não afetaria significativamente nossa capacidade de prever seu movimento.
Esse princípio depende da constante de Planck, pela fórmula:
Onde, 
é a contante de Planck que possui o valor: 
.
A resposta correta é a b) A constante de Planck, que quantifica a incerteza nas medidas quânticas, é tão pequena em relação às escalas macroscópicas que seus efeitos são desprezíveis.
Questão 3
A dualidade onda-partícula é um dos conceitos fundamentais da física quântica. Ela descreve a natureza dual da matéria e da radiação, que podem se manifestar tanto como ondas quanto como partículas, dependendo do experimento realizado.
Qual das alternativas abaixo melhor representa um experimento que demonstra a natureza ondulatória da luz?
a) Efeito fotoelétrico: a emissão de elétrons de uma superfície metálica quando incidida por luz de frequência suficiente.
b) Difração de elétrons: a dispersão de um feixe de elétrons ao passar por uma fenda estreita, formando um padrão de interferência.
c) Efeito Compton: o espalhamento inelástico de fótons por elétrons livres.
d) Efeito túnel: o fenômeno quântico em que uma partícula atravessa uma barreira de potencial, mesmo que não tenha energia suficiente para superá-la classicamente.
e) Efeito Zeeman: o desdobramento das linhas espectrais de um átomo quando submetido a um campo magnético.
O experimento da difração de elétrons é uma demonstração clássica da dualidade onda-partícula. Ele mostra que, apesar de serem consideradas partículas, os elétrons podem exibir propriedades ondulatórias, como a interferência, quando submetidos às condições adequadas.
Esse experimento foi fundamental para a consolidação da mecânica quântica e para a compreensão da natureza dual da matéria.
A alternativa correta é a b) Difração de elétrons.
Questão 4
(FMO 2019) "Com o advento da Física Moderna, novas ideias, postulados, teorias e princípios foram descobertos e desenvolvidos, modificando completamente a forma como os cientistas enxergam o universo. Dentre estas novidades, existe um princípio que afirma ser impossível determinar simultaneamente, com precisão absoluta, os valores de determinados pares de grandezas físicas ditas conjugadas. Desse modo, em um sistema quântico, existe uma limitação em relação à precisão da medida dos valores da posição e da quantidade de movimento de uma partícula.” Trata-se do seguinte Princípio da Física Moderna:
a) Da Incerteza.
b) Da Simultaneidade.
c) Da Correspondência.
d) Da Complementaridade.
O Princípio da Incerteza de Heisenberg nos mostra que o mundo quântico é fundamentalmente diferente do mundo macroscópico que experimentamos no dia a dia.
A impossibilidade de determinar com precisão absoluta a posição e a quantidade de movimento de uma partícula é uma característica intrínseca da natureza em escala atômica e subatômica.
Questão 5
(URCA 2017) O conceito clássico de trajetória de uma partícula não é adequado para descrever sistemas subatômicos, onde devemos considerar a Mecânica Quântica. A própria ideia de localização de uma partícula é um tanto inapropriado. Ao invés da localização de uma partícula temos geralmente regiões onde há maior ou menor probabilidade de detectá-la ao fazermos uma medida. Sobre isto há um princípio segundo o qual não podemos, em um mesmo instante, determinar a localização e a velocidade da partícula com precisão arbitrária. Este princípio é o:
a) Princípio de incerteza de Heisenberg.
b) Princípio de complementaridade de Bohr.
c) Princípio de correspondência de Bohr.
d) Princípio de Pascal.
e) Princípio de Arquimedes.
O Princípio da Incerteza de Heisenberg reflete a natureza probabilística da mecânica quântica e a impossibilidade de determinar com precisão absoluta a posição e a velocidade de uma partícula em um mesmo instante.
Essa característica fundamental da mecânica quântica tem implicações profundas para nossa compreensão do mundo microscópico e diferencia-se significativamente da física clássica, onde a trajetória de uma partícula é determinada de forma precisa.
Questão 6
Aprenda mais sobre Física quântica.
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Referências Bibliográficas
Resnick, Robert, e Halliday, David. Física Moderna. Rio de Janeiro: LTC, 2011.
Tipler, Paul A., e Llewellyn, Ralph A. Física Moderna. Rio de Janeiro: LTC, 2009.
ASTH, Rafael. Exercícios sobre física quântica (com explicações). Toda Matéria, [s.d.]. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/exercicios-sobre-fisica-quantica/. Acesso em:
