Experimento da Difração de Elétrons

fala pessoal nós estamos de novo aqui no laboratório de física moderna da UTFPR na verdade a gente tá gravando esse vídeo logo que a gente terminou o vídeo do Milan ali então a gente vai fazer uma segunda experiência né Como qual que é essa experiência agora bem essa é a experiência da difração de elétrons né que é uma das experiências mais importantes na física moderna né na mecânica quântica e é uma experiência bem complexa mesmo a gente estava tentando aqui encontrar uma maneira é bacana sim didática né uma maneira mais didática de passar essa experiência

não só o o fenômeno mas também tentar explicar o que que tá acontecendo e eu espero que todo mundo consiga entender pelo menos um pouquinho né do que a gente tá querendo passar e a gente também quer agradecer novamente o professor Lens Estava até agora a pouco aqui com a gente tentando montar uma estratégia bacana e o professor alandi também então acho que a gente pode começar né exatamente Claro beleza vamos [Música] lá bom como a gente comentou esse experimento é muito complexo e antes de você mostrar pra gente como é que ele funciona eu

quero te pedir para você fazer algumas considerações iniciais sobre que a gente precisa saber mesmo algumas coisinhas para entender melhor é o fenômeno tá então Então veja só é primeira coisa que nós temos que entender é que a radiação né eletromagnética apresenta propriedades ondulatórias né Eh Ou seja as ondas eletromagnéticas como a luz né os raios X eh a os infravermelho né o ultravioleta são ondas eletromagnéticas que sofrem dois fenômenos interferência e difração né para você saber se o fenômeno ôo é ou não anulatório você precisa fazer um experimento de interferência e deação ondas como

o som tá que é uma onda mecânica e a luz que é uma onda eletromagnética eles interferem e difratam tá o que que é interferência o que que é difração interferência é quando você superpõe né você junta você superpõe duas ou mais ondas em um determinado ponto do espaço essa interferência pode ser tanto construtiva como destrutiva ou parcialmente né construtiva e destrutiva tudo depende da da fase destas ondas né já a difração é um pouquinho mais complicada né Nós entendermos a difração é a curvatura de uma onda né é quando uma onda encontra um obstáculo

né ou uma abertura e ela ela contorna esse obstáculo ela se espalha tá isso é difração eh por por exemplo o som né como ele tem comprimento de onda da ordem de alguns centímetros alguns metros você pode refratar o som por meio de aberturas né em portas em janelas né que também tem aberturas dessa ordem tá então uma coisa importante que vocês têm que entender é que para acontecer difração é necessário que a largura da abertura seja da Ordem do comprimento de onda da onda tá ok bem E os experim as experiências de interferência né

e da Luz foram feitos pelo físico Thomas Yang no século XIX e comprovaram o caráter ondulatório da luz tá P do fim é uma velha discussão que havia na física né Afinal a luz ela é uma onda ou é uma partícula né e newton por exemplo imaginava né a luz como um conjunto de corpúsculo né de partículas que mais tarde depois foram chamados de fótons né e o caráter ondulatório da Luz acabou prevalecendo depois com os trabalhos de ho né e Young depois posteriormente é importante destacar que ainda nessa época né do Newton do hens

do Young sabia-se que a luz né não se sabia que a luz era uma onda eletromagnética né Nós só viemos saber disso depois com os trabalhos de Marx né com o seu trabalho em teoria eletromagnética em 1873 tá eh bom no entanto no começo do século XX né Eh havia na física algumas experiências como o efeito fotoelétrico e o efeito CPOR né cujos resultados não eram explicados pela teoria eletromagnética clássica de Maxon que tratava a luz como uma onda né Por exemplo o Einstein para explicar os resultados do efeito fotoelétrico teve que considerada a luz

como né um conjunto de partículas de corpúsculos denominados fótons né que foram chamados mais tardes de fótons eh O que que é o efeito fotoelétrico né o efeito fotoelétrico é nada mais é do que quando você incide luz no material Em algumas situações você pode arrancar elétrons né ejetar elétrons tá isso é o efeito fotoelétrico depois havia uma outra experiência que é o que era o efeito compton né o espalhamento compton quando você incide radiação altamente energética em elétrons né raios X por exemplo para você explicar os resultados do experimento conta nós devemos tratar né

a luz como um conjunto de partículas fótons né e e interpretar o efeito cput como uma colisão entre um fóton e um elétron né Ou seja todos ess esses resultados só eram explicados com o modelo corpuscular para a a radiação né Então tá Resumindo a ópera quer dizer que a luz antes era considerada uma onda e a partir do efeito fotoelétrico do espalhamento de de conon isso ela passou passou-se a admitir que ela teria algumas propriedades de partícula é isso mesmo isso mesmo e o que que isso tem a ver com o experimento bem em

1924 o físico francês ali né ele cogitou a possibilidade inversa Ele pensou assim bom se Em algumas situações as ondas se comportam como partículas né Por que que as partículas não podem se comportar como ondas né E aí esse foi o tema da tese de doutoramento dele né e é uma história interessante que quando ele foi apresentar esse tema na na banca né A Banca achou essa ideia meio maluca né e ele foi reprovado né mas daí o Einstein né quando viu o o o tema dele né olha isso aqui é muito importante né nós

temamos que investir nessa ideia daí a banca voltou atrás e acabou passando ele né bom mas daí Em 1927 eh os físicos americanos Davidson e germer né eles realizaram um experimento muito importante para a física quântica né que eh foi o experimento de difração com elétrons né eles que que eles fizeram eles pegaram um um cristal de níquel e incidiram um feixe de elétrons nesse cristal de níquel né e observaram o padrão de difração que aparecia aí né e eles compararam esse padrão de difração com os padrões de difração de raio x né E eles

notaram que padrão de difração de elétrons eram idênticos aos padrões de difração de raio x né então e e depois o Thomson né no ano seguinte o tonson o filho do J J tonson aquele que descobriu a o eletron Né o filho dele eh fez também repetiu esse experimento né de difração com elétrons e obteve os mesmos resultados né E só para a gente se situar na história né E desde 1912 né com os trabalhos de maxiv Lau né já havia de fração com o raio x né O Ju Lau ele sugeriu que nós pudéssemos

estudar a estrutura Cristalina dos materiais usando difração de Raio X por quê Porque como eu já havia dito no começo do vídeo né para ocorrer difração é necessário que o comprimento de onda da onda seja da Ordem da largura né da abertura ou do obstáculo Então como num num material cristalino a distância entre os átomos é da ordem de angstron né um angstrom é 10 Men 10 m tá e o comprimento de onda do r x também tá na ordem de angstron né 10 a men 10 m então o v la eh cogitou né que

é possível seria possível de fratar os raios X né Eh por meio desses arranjos atômicos dos Cristais isso não demorou para ser feito em 1913 os brags né pai e filho realizaram então a difração com o raio x nos cristais né observado e eles geraram aqueles padrões né de difração aques padrões circulares né você tem anéis concêntricos tá aqueles Anéis são anéis de interferência construtiva né das ondas tá E só para vocês se situarem a luz né que nós enxergamos o espectro visível ele tem ela tem comprimento de onda da na Facha entre 4000 e

7000 angstron né e o raio x comprimento de onda muito Menor da ordem de angstron né e e e daí o davon German e depois o Thomson então realizando esses trabalhos com a difração de elétrons né pode notar que o elétron também se difrata né Ou seja comprovando a hipótese do deboli de que o elétron né como qualquer outra partícula depois isso foi feito com outras partículas tá eh percebeu se que essas partículas se comportam como ondas pelo menos exibem os efeitos que as ondas que pres presentam ou seja interferência e deação né então é

isso que a gente vai tentar fazer hoje comprovar que o elétron também se comporta como uma onda mostrando que ele difrata que ele difrata exatamente nós vamos observar aqui a difração né de um feixe de elétrons tá Ah então vamos lá então vamos bem agora eu vou mostrar para vocês as partes do equipamento que nós vamos usar para Para DI fratar os elétrons então Aqui nós temos uma fonte de tensão tá que vai até 10 kv 10.000 V tá é uma fonte de alta tensão esse aqui é um resistor tá de 10 mohm por questões

aqui de limitação da corrente elétrica tá esse aqui é um bulbo tá é um tubo né onde nós vamos fazer a difração dos elétrons tá esse aqui é o nosso anodo tá todo todo tubo vocês sabem tem um anodo e tem um catodo né o catodo Ele está aqui atrás tá não nós não estamos conseguindo visualizar e aqui também vocês não vão conseguir visualizar mas aqui nós temos uma série degrades tá degrades eh que vão que vai que vão aplicar né diferentes tensões para acelerar os elétrons então no catodo é é o catodo que vai

emitir os elétrons através do efeito termoiônico né você aquece o filamento e esse filamento né emite libera os elétrons tá esse anodo aqui ele estabelece uma tensão né que vai acelerar os elétrons em direção ao anoto tá esse anodo aqui também vocês não estão vendo mas nós temos um cristal um pequeno cristal de grafite que é a nossa amostra tá é sobre ele que nós vamos inir o feixe de elétrons é o grafite aqui que vai difratados tá ok essa outra fonte aqui né ela está regulando as tensões entre as grades tá nesse botão aqui

esses dois botões aqui eu estou regulando as tensões que vai aumentar ou diminuir a quantidade de elétrons aumentando ou diminuindo a luminosidade dos Anéis de difração que vão aparecer aqui nesta tela fluorescente bem Então como não deu para vocês verem né em detalhes Aqui nós temos o cátodo tá que é o terminal aqui positivo de onde vai ser emitidos os elétrons né ele se aquecce E aí esses elétrons vão ser acelerados em direção ao anodo né que é esse terminal aqui tá aqui dentro existe uma série de grades né que nós estamos controlando a tensão

a partir deste desses dois botões aqui tá Então os elétrons são acelerados pelo anodo né e e são acelerados também por essas por esses botões aqui né por essas diferenças de potencial que nós estamos aplicando nessas grades e esse feixe da incide no cristalzinho li grafite que está nessa direção aqui nesse ponto que é onde vai ocorrer a difração dos elétrons bem agora nós estamos vendo já o equipamento aqui em funcionamento tá eu coloquei aqui uma tensão de 4,5 kv essa tensão está sendo aplicada neste anodo que está acelerando Então os elétrons em direção a

ao nosso alvo né a nossa amostra que é o grafite tá que é o material que vai fazer a difração dos elétros então nós estamos observando aqui os anéis de difração tá E esse padrão de difração são anéis e circulares concêntricos e é um padrão idêntico ao de raio x Tá ok bom e esses anéis mais claros Aqui é onde está acontecendo a interferência construtiva tá nós estamos observando apenas dois Anéis né porque os outros tem um raio muito grande né que já sai fora deste buogo Então nós não estamos observando eles e também porque

eles perdem intensidade né bom então aqui e nós estamos evidenciando o comportamento ondulatório né dos elétrons tá então os elétrons as partículas estão aqui exibindo um comportamento ondulatório por causa da difração né eles estão se difat bem e existe uma relação entre o comprimento de onda do elétron né que é o comprimento de onda de deoli e a tensão aplicada né na fórmula que vocês estão vendo abaixo nós temos uma expressão que relaciona isso né o comprimento de onda de debr do elétron é igual a constante de plan h tá dividido pela raiz quadrada de

do vezes a massa do elétron vezes a carga do elétron vezes ão que nós estamos aplicando né no caso aqui 4,5 kv tá então esta fórmula está demonstrando pra gente que quanto maior a tensão né menor é o comprimento de onda são grandezas inversamente proporcionais se eu aumento um eu diminuo o outro do lado vocês estão observando a outra fórmula que relaciona o raio dos Anéis que nós estamos vendo aqui na tela né com o comprimento de onda do elétron né o raio é igual a dois vezes esse r maiúsculo é o raio do bulbo

que é um dado que nós temos do equipamento dividido pela distância D essa distância D é a distância entre os planos interatômicos do grafite né do material esse n que tá aparecendo é a ordem né no caso aqui nós estamos observando apenas anéis de ordem um tá então esse n pra gente é igual a um e o lambda é o comprimento de onda de deoli então vocês estão notando que quanto maior o comprimento de onda do elétron maior é o raio do anel né ou seja são grandezas diretamente proporcionais Então vamos fazer uma experiência demonstrativa

aqui aumentando-se a tensão né que que nós estamos fazendo aumentando a tensão nós estamos diminuindo o comprimento de onda de deoli do elétron né E se eu diminuo o comprimento de onda de debolo elétron Eu também diminuo o raio dos Anéis né que nós estamos observando aqui então diminuindo o comprimento de onda deol diminui também o raio destes Anéis tá porque são grandezas eh diretamente proporcionais e nós temos uma situação inversa né se eu diminuo a tensão a aplicada eu diminuo o comprimento de onda de deboli portanto eu aumento né o o diâmetro desses Anéis

ou aumento o raio desses Anéis tá bom os detalhes aqui sobre difração no grafite nós não estamos entrando em detalhe né é um Pouquinho complicado mas tem aí várias Fontes que vocês podem estudar né a difração eh em cristais nesse experimento aí a a gente fez a difração de elétrons S existem experimentos semelhantes a esse só que com outras partículas sim você pode fazer difração por exemplo com prótons e com nêutrons né Eh no entanto e e os efeitos vão ser os mesmos né assim como o elétron no entanto o próton e o nêutron são

muito mais massivos né que o elétron tá Quer dizer então que o comprimento de onda de de Broli deles é muito menor Porque como vocês viram vocês lembram daquela expressão né quanto maior a massa menor é o comprimento de onda que de Broli Então como próton e o nêutron são cerca de 2000 vezes mais massivos que o elétron né o comprimento de onda de deboli deles é cerca de duas vezes 2000 vezes menor né para compensar isso você pode por exemplo reduzir a tensão né Você pode reduzir a tensão em 2000 vezes para ter o

mesmo efeito né só que na prática né É muito mais fácil fazer difração com elétron quais foram as consequências e de se descobrir que o elétron também tem comportamento de onda além de ser uma partícula é primeiro que a hipótese de deoli ela foi comprovada né ela foi comprovada através dos resultados dos experimentos de davon e germer N7 e depois experimentos Thomson também aí depois o schener né um físico austríaco ele quis encontrar uma equação matemática para essas ondas de matéria né e ele conseguiu ficou com uma equação scheder né que é a equação básica

lá da mecânica quântica e depois esses experimentos né que mostraram que eh partículas se comportam como ondas abriu uma imensa uma imensa possibilidade estudos né na compreensão do mundo quântico né então eh não é à toa que esse experimento é um dos mais importantes da mecânica quântica além dessa importância científica que você falou Existe algum tipo de tecnologia que só pode ser Concebida a partir do momento que se descobriu que o elétron também tinha comportamento de onda tá a difração de elétrons né assim como a difração de raio x ela tem uma grande importância na

cristalografia na identificação das estruturas cristalinas né dos materiais tá determinação de parâmetros de rede né determinação de distâncias entre os átomos entre os planos atômicos e também na identificação de substâncias desconhecidas né Ou seja você pode fazer difração com elétrons para determinar a composição química por exemplo de uma substância né Então a partir da difração de elétrons e de Rai x né a cristalografia ela pode se desenvolver bastante Então pessoal era isso que a gente tinha para mostrar para vocês e hoje esses dois experimentos né primeiro foi do que tá no vídeo passado para quem

não assistiu então quiser conferir e esse da difração de elétrons né então acho que é isso tem mais alguma coisa eu gostaria de agradecer mais né novamente mais essa oportunidade de estar aqui explicando para vocês mais um experiência rica né da da física uma experiência clássica né clássica né então é isso se vocês gostaram do vídeo eu peço que vocês cliqu em gostei ou favoritem o vídeo pra gente saber se vocês estão gostando mesmo de de do se trazendo experimentos mais elaborados né saindo um pouco daquela questão do dos experimentos de casa e eu encontro

vocês no próximo vídeo até lá