Física Moderna (Radioatividade, Relatividade e Física Quântica) no ENEM

Questão 1

Em 1905, Albert Einstein publicou a explicação do efeito fotoelétrico, pela qual recebeu o Nobel de Física em 1921. O fenômeno consiste na emissão de elétrons por uma superfície metálica quando iluminada com luz de frequência suficiente. Experimentos mostraram que: (1) a emissão ocorre apenas acima de uma frequência mínima (frequência de corte), independentemente da intensidade da luz; (2) abaixo dessa frequência, aumentar a intensidade da luz não provoca emissão; (3) a energia dos elétrons emitidos depende da frequência, não da intensidade da luz. Einstein explicou esse fenômeno propondo que a luz é quantizada. Como Einstein explicou o efeito fotoelétrico e qual é a implicação desse modelo para a natureza da luz?

Gabarito: A. O efeito fotoelétrico foi um dos primeiros fenômenos que a física clássica não conseguia explicar, contribuindo para o desenvolvimento da Mecânica Quântica. A fórmula de Einstein K_max = hf − φ relaciona a energia cinética máxima dos elétrons emitidos à frequência da luz e à função trabalho (φ) do metal. A dualidade onda-partícula da luz (e da matéria) é um dos pilares da física moderna.

Questão 2

A Comissão Nacional de Energia Nuclear — CNEN — é o órgão federal responsável pela regulação do uso pacífico de materiais radioativos no Brasil, incluindo a gestão de rejeitos nucleares. Em programas de treinamento de técnicos nucleares, a cadeia de decaimento radioativo do urânio é um tema central. O urânio-238 (²³⁸₉₂U) é o isótopo mais abundante do urânio na natureza e o ponto de partida da principal cadeia de decaimento natural. Em sua primeira etapa de decaimento, ele emite espontaneamente uma partícula alfa (₂⁴He). Aplicando as leis de conservação do número de massa (A) e do número atômico (Z), qual é o nuclídeo filho produzido nesse primeiro decaimento?

Gabarito: A. Em qualquer reação nuclear, o número de massa total (A) e o número atômico total (Z) são conservados. A partícula alfa (₂⁴He) tem Z = 2 e A = 4. O tório-234 é o primeiro produto da cadeia de decaimento do urânio-238, que passa por 14 etapas alternando emissões alfa e beta até chegar ao chumbo-206 (²⁰⁶₈₂Pb), isótopo estável. Esse processo ocorre espontaneamente na natureza e é a origem de grande parte da energia geotérmica da Terra.

Questão 3

A Agência Nacional de Vigilância Sanitária — ANVISA — regulamenta o uso de lasers em procedimentos estéticos e médicos no Brasil por meio da RDC nº 56/2009. Lasers de luz verde são amplamente usados em dermatologia para tratamento de lesões vasculares. Um dos equipamentos certificados emite fótons com comprimento de onda λ = 500 nm (luz verde). Um físico médico do Hospital das Clínicas da USP precisa calcular a energia de cada fóton para verificar se o equipamento opera dentro dos parâmetros autorizados pela ANVISA. Dados: constante de Planck h = 6,6 × 10⁻³⁴ J·s; velocidade da luz c = 3 × 10⁸ m/s; 1 nm = 10⁻⁹ m. Qual é a energia de cada fóton?

Gabarito: A. O fóton carrega energia quantizada E = h·f = h·c/λ. Luz visível tem λ entre 380 nm (violeta) e 750 nm (vermelho). Fótons de luz ultravioleta (λ < 380 nm) têm energia maior que 3,96 × 10⁻¹⁹ J — suficiente para ionizar átomos, quebrar ligações químicas do DNA e causar mutações. Por isso protetores solares são essenciais para bloquear a radiação UV solar.