física moderna professor andré. relatividade a física quântica a física nuclear

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Page 1: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

FísicaFísica

ModernaModerna

Professor André

Page 2: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

RelatividadeRelatividade

A Física QuânticaA Física Quântica

A Física NuclearA Física Nuclear

Page 3: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

RelatividadeRelatividade

• Relatividade Restrita

• Velocidade relativa• Massa gravitacional

e inercial

• Equivalência massa e energia

• Dilatação do tempo

• Contração do espaço

“O tempo é relativo e não pode ser

medido exatamente do mesmo

modo e por toda parte.” Albert

Einstein

Page 4: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Relatividade Restrita

“ as leis da Física são as mesmas em todos os sistemas de referência inercial ”.

“ a velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor para qualquer referencial inercial ”. c = 3.108 m/s

1905

Page 5: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Velocidade relativa Segundo a Física Clássica...

c = 3.108 m/sv = 1.108 m/s

...a velocidade da luz em relação ao observador é 4.108 m/s

Page 6: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Velocidade relativa Segundo Einstein...

c = 3.108 m/sv = 1.108 m/s

...a velocidade da luz em relação ao observador é 3.108 m/s

Constante!!!Constante!!!

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Massa

É a medida quantitativa da inércia de um corpo

Massa gravitacional

é a massa medida por uma balança

Massa inercial

é a massa expressa na 2ª Lei de Newton

FR = m.a

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MassaNa Física Clássica a massa gravitacional e a massa inercial são iguais. Quer o corpo esteja em repouso, ou movimento.

Na Física Moderna a massa de um corpo não é constante. Ela depende da velocidade do corpo.

Justificativa: para acelerar um corpo a resultante das forças realiza um certo trabalho, que por sua vez fornece energia ao corpo.

A massa pode ser calculada como:

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Equivalência massa e energia

Para Einstein, a massa de um corpo nada mais é que uma quantidade de energia concentrada.Daí, temos a equação mais famosa da Física:

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Dilatação do tempoPara móveis em altíssimas velocidades, na ordem da velocidade da luz no vácuo, o intervalo de tempo transcorre mais lentamente.

O intervalo de tempo transcorrido para um observador que move em alta velocidade é:

Paradoxo dos gêmeos!!!Paradoxo dos gêmeos!!!

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Contração do espaçoPara móveis em altíssimas velocidades, na ordem da velocidade da luz no vácuo, o espaço transcorrido diminui.

O comprimento relativístico é dado por:

Page 12: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

• A natureza da luz

• Dualidade onda-partícula

• Princípio da incerteza

A Física QuânticaA Física Quântica

• O corpo negro• A teoria dos

quanta• O efeito

fotoelétrico• O átomo de Bohr“Qualquer um que não se choque

com a Mecânica Quântica, é porque

não a entendeu.” Niels Bohr

(1865 – 1962)

Page 13: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Final do século XIX!!!Final do século XIX!!!

Um dos problemas que atraía a atenção dos físicos estava relacionado à distribuição de energia na radiação emitida por um corpo aquecido.

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Um corpo em qualquer temperatura emite radiações eletromagnéticas.

O Corpo Negro Corpo Negro é idealizado para o estudo das radiações emitidas. Ele absorve toda radiação incidente tendo reflexidade nula, daí seu nome.

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Em dezembro de 1900, Max Planck (1858-1947) apresentou à Sociedade Alemã de Física um estudo teórico sobre a emissão de radiação de um corpo negro, no qual deduz uma equação plenamente em acordo com os resultados experimentais. Entretanto, “para conseguir uma equação a qualquer custo”, teve que considerar a existência, na superfície do corpo negro, de cargas elétricas oscilantes emitindo energia radiante não de modo contínuo, como sugere a teoria clássica, mas sim em porções descontínuas, “partículas” que transportam, cada qual, uma quantidade E bem definida de energia.

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As “partículas” de energia sugeridas por Planck foram denominadas “fótons”. A energia E de cada fóton é denominada quantum (no plural quanta ).O quantum E de energia radiante de frequência f é dado por:

Nessa fórmula, h é a constante de proporcionalidade denominada constante de Planck, dada por:

h = 6,63 · 10–34 J·s.

E = h E = h ff

Page 17: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

A solução de Planck para a questão do corpo negro,considerando que a energia

é quantizada, permitiu explicar outros conceitos físicos a nível microscópico.

Embora o desenvolvimento efetivo da nova teoria só tenha ocorrido a partir de 1920, dezembro de 1900 é considerado o marco divisório entre a Física Clássica e a Física Quântica – a teoria física dos fenômenos microscópicos.

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Quando uma radiação eletromagnética incide sobre a superfície de um metal, elétrons podem ser arrancados dessa superfície. Os elétrons arrancados são chamados fotoelétrons.

Placa metálica

Luz incidente

© elétron

e ee ee e

ee e e e

e

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Einstein (1879-1955) explicou o Efeito Fotoelétrico levando em consideração a quantização da energia: um fóton da radiação

incidente, ao atingir o metal, é completamente absorvido por um único elétron, cedendo-lhe sua energia hfhf.

Com essa energia adicional o elétron pode escapar do metal. Essa teoria de Einstein sugere, portanto, que a luz ou outra forma de energia radiante é composta de “partículas” de energia, os fótons.

hf = E0 + Eelétron

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• CÉLULA CÉLULA FOTOELÉTRICAFOTOELÉTRICA

• CÉLULA CÉLULA FOTOELÉTRICAFOTOELÉTRICA

É um dispositivo que transforma energia luminosa em energia elétrica.

© © ©

+ + +

i

+ + +

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Em determinados fenômenos, a luz se comporta como se tivesse natureza ondulatória (interferência, difração) e, em outros, natureza de partícula (efeito fotoelétrico).As duas teorias da natureza da luz se completam. Cada teoria por si só é correta para explicar determinado fenômeno. Não há fenômeno luminoso que nenhuma delas possa explicar.

Como conciliar a teoria ondulatória com a

corpuscular ?

Page 22: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

A Hipótese de De BroglieA Hipótese de De Broglie

Louis De Broglie (1892-1987)Louis De Broglie (1892-1987)Se a luz apresenta natureza

dual, uma partícula pode comportar-se

de modo semelhante, apresentando também

propriedades ondulatórias ? A evidência experimental da teoria de Louis de Broglie foi

obtida em 1927 por Clinton Joseph Clinton Joseph Davisson Davisson e Lester HalbertLester Halbert

Germer.Germer.

Page 23: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

O Princípio da complementaridadeO Princípio da complementaridade

Niels Bohr (1885-1962)Niels Bohr (1885-1962)

“Os aspetos ondulatórios e corpuscular

de uma entidade quântica (como a luz)

são ambos necessários para realizar uma

completa descrição dos fenômenos conhecidos”.

Page 24: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Quanto maior a precisão na determinação da posição do elétron, menor a precisão na determinação de sua quantidade de movimento e vice-versa.

∆x= incerteza na medida da posição∆Q= incerteza na medida da quantidade de movimentoh= constante de Planck

4h

Qx

Page 25: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Deus não joga dados com o Deus não joga dados com o Universo” (Einstein) Universo” (Einstein)

““Einstein, pare de dizer a Einstein, pare de dizer a Deus o que ele deve ou não Deus o que ele deve ou não fazer." fazer." (Niels Bohr) (Niels Bohr)

"Deus não só joga dados, "Deus não só joga dados, como os esconde..." como os esconde..." (Stephen Hawking) (Stephen Hawking)

Essa nova condição da Física acabou com o chamado determinismo clássico em que tudo poderia ser explicado com precisão e causalidade. Inaugurou-se o que viria ser chamado de Física Probabilística, onde a incerteza e o acaso ganharam destaque.

Page 26: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

A origem da palavra átomoA origem da palavra átomo A palavra átomo (“que não pode

ser dividido”) foi utilizada pela primeira vez na Grécia antiga por Demócrito,por volta de 400 aC. Modelo Atômico de DaltonModelo Atômico de Dalton

As idéias de Demócrito permaneceram inalteradas por aproximadamente 2200 anos. Em 1808, Dalton retomou estas idéias sob uma nova perspectiva: a experimentação.

Toda matéria é formada por diminutas partículas esféricas, maciças, neutras e indivisíveis chamadas átomos.

Page 27: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Modelo Atômico de Thomson Modelo Atômico de Thomson (1898) (1898)

Com a descoberta dos prótons e elétrons, Thomson propôs um

modelo de átomo no qual os elétrons e os prótons, estariam

uniformemente distribuídos, garantindo o equilíbrio elétrico

entre as cargas positiva dos prótons e negativa dos elétrons.

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Modelo Atômico de Rutherford (1911) Modelo Atômico de Rutherford (1911)

Bombardeou uma fina lâmina de ouro

(0,0001 mm) com partículas "alfa"

emitidas pelo "polônio" (Po), contido

num bloco de chumbo (Pb), provido de

uma abertura estreita.Envolvendo a

lâmina de ouro (Au), foi colocada uma

tela protetora revestida de sulfeto de

zinco (ZnS).

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Observando as cintilações na tela de ZnS, Rutherford verificou  que muitas partículas "alfa" atravessavam a lâmina de ouro, sem sofrerem desvio, e poucas partículas "alfa" sofriam desvio. Como as partículas "alfa" têm carga elétrica positiva, o desvio seria provocado por um choque com outra carga positiva, isto é, com o núcleo do átomo, constituído  por prótons.

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Assim, o átomo seria um imenso vazio, no qual o núcleo ocuparia uma pequena parte, enquanto que os elétrons o circundariam numa região negativa chamada de eletrosfera, modificando assim, o modelo atômico proposto por Thomson.

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Falhas no Modelo Falhas no Modelo de Rutherfordde Rutherford

Os elétrons ao girarem  ao redor do núcleo, com o tempo perderiam energia, e se chocariam com o mesmo.

Essa carga em movimento perde energia, emitindo radiação.

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  Os Postulados  de Niels Bohr Os Postulados  de Niels Bohr (1885-1962(1885-1962)     Como o átomo é uma estrutura estável, Niels Bohr formulou uma teoria (1913) sobre o movimento dos elétrons, fundamentado na Teoria Quântica da Radiação (1900) de Max Planck.

1ºpostulado1ºpostulado: Os elétrons descrevem órbitas circulares estacionárias ao redor do núcleo, sem emitirem nem absorverem energia.

Page 33: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

2º postulado: 2º postulado: Fornecendo

energia a um átomo, um ou

mais elétrons a absorvem e

saltam para níveis mais

afastados do núcleo. Ao

voltarem as suas órbitas

originais, devolvem a

energia recebida em forma

de luz (fenômeno observado,

tomando como  exemplo,

uma barra de ferro aquecida

ao rubro).

Page 34: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

A linha vermelha no espectro atômico é

causada por elétrons saltando

da terceira órbita para a segunda órbita

O comprimento de onda guarda relação com a energia. Os menores

comprimentos de onda de luz significam vibrações mais rápidas e

maior energia.

Um átomo irradia energia quando um elétron salta de uma órbita de maior energia para uma de menor energia.

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A linha verde-azulada no espectro atômico

é causada por elétrons saltando

da quarta para a segunda órbita.

A linha azul no espectro atômico é

causada por elétrons saltando

da quinta para a segunda órbita

A linha violeta mais brilhante no espectro

atômico é causada por elétrons saltando

da sexta para a segunda órbita.

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1 eletron volt = 1 eletron volt = 1,60217646 × 101,60217646 × 10-19-19 joules joules

Linhas do espectro de emissões do hidrogênio na região do visível. Estas são as quatro linhas visíveis da série de Balmer.

nn – nível energético– nível energético

Page 37: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Limites no Modelo Limites no Modelo de Bohrde Bohr

Logo após Bohr enunciar seu modelo, verificou-se que um

elétron, numa mesma camada, apresentava energias

diferentes. Como poderia ser possível se as órbitas fossem

circulares?

Sommerfeld sugeriu que as órbitas fossem elípticas, pois em uma elipse há diferentes excentricidades (distância do

centro), gerando energias diferentes para uma mesma

camada.

Page 38: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

• O surgimento• Radioatividade• Ondas eletromagnéticas• Obtenção da energia nuclear

“A liberação da energia atômica mudou tudo, menos nossa maneira de pensar”. Albert Einstein

A Física NuclearA Física Nuclear

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Em 1945...

...o mundo vê pela primeira vez o poder da energia nuclear

A BOMBA ATÔMICA!!!

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Apesar disso...

...o homem passa a utilizar a energia nuclear em benefício da humanidade.

USINA NUCLEAR!!!

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O problema!!!

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Chernobyl (Ucrânia)1986

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RadioatiRadioatividadevidade

1895 – Wilhelm Conrad RoentgenDescobridor dos raios X

Casal Pierre Curie (1859-1906) e Marie Curie (1867-1934)

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A radioatividade é a propriedade que têm

alguns nuclídeos (prótons e nêutrons) de emitir espontaneamente

partículas ou radiação eletromagnética, e que é

caracterizada por uma instabilidade no núcleo de determinados elementos.

RádioRádio PolônioPolônio

UrânioUrânio TórioTório

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Partícula Alfa (Partícula Alfa (αα))

A partícula alfa é constituída do núcleo do gás hélio. Nesse núcleo, encontra-se dois prótons e dois neutrons.

CARGA POSITIVA!!!

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Partícula beta (Partícula beta (ββ))

A partícula beta é constituída de um elétron veloz que se move fora das camadas eletrônicas dos átomos.

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Ondas Ondas eletromagnételetromagnéticasicasOnda eletromagnética é uma combinação de um campo elétrico e um campo magnético, esses campos se propagam numa mesma direção porém em planos ortogonais.

Numa onda eletromagnética o campo elétrico é gerado pelo campo magnético que por sua vez é gerado pelo campo elétrico, ambos se nutrindo num arranjo perfeito.

Dependendo da frequência que possuem elas recebem nomes específicos.....

Page 49: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Raios infravermelhosRaios infravermelhos

Possuem frequência menor que a da luz visível

Correspondem às ondas de calorCorrespondem às ondas de calor

O que provém do sol é responsável pelo aquecimento global!!!

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Raios ultravioletaRaios ultravioletaPossuem frequência maior que a da luz visível

A exposição em excesso pode causar câncer de pele!!!

Acompanham a luz emitida pelo solAcompanham a luz emitida pelo sol

Page 51: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Raios XRaios X

Possuem frequências muito altas!!!

PERIGO!!PERIGO!!Alto índice de penetração em materiaisAlto índice de penetração em materiais

Utilizados em pesquisas científicas e na medicina

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Raio laserRaio laserPossui características muito especiais:

possui potência altíssima;

é monocromática (possui comprimento de onda muito bem definido);

coerente (todas as ondas dos fótons que compõe o feixe estão em fase);

colimada (propaga-se como um feixe de ondas praticamente paralelas).

Page 53: Física Moderna Professor André.  Relatividade  A Física Quântica  A Física Nuclear

Raios gama ( )Raios gama ( )

Possuem frequências muito altas!!Superiores à dos raios X

PERIGO!!PERIGO!!Alto índice de penetração em materiaisAlto índice de penetração em materiais

os raios X são obtidos fora do núcleo atômico, na desaceleração do elétron; os raios gama são emitidos com base no núcleo atômico.

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Penetração da radiaçãoPenetração da radiação

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Decaimento radioativoDecaimento radioativoO tempo para que um certo elemento sofra decaimento é chamado de meia vida.

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Obtenção da Obtenção da energia nuclearenergia nuclear

Fusão nuclearFusão nuclearOcorre, com altíssimas temperaturas, devido a união de átomos leves para a formação de outro mais pesado, com com liberação de energialiberação de energia.

No sol ocorre a fusão nuclear formando o átomo de HélioHélio, proveniente da união de átomos de hidrogênio, deutério ou trítiohidrogênio, deutério ou trítio..

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Fissão Nuclear Fissão Nuclear Ocorre em virtude do rompimento de um núcleo atômico pesado e instávelinstável para a formação de dois novos, com liberação de energialiberação de energia..

A reação mais comum, utilizada nas Usinas Nucleares, ocorre quando um neutrôn atinge o núcleo do urânio,

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QuestõesQuestões

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1. (Ufsc 2011) Com base nos tópicos de Física Moderna, assinale a(s) proposição(ões) correta(s).

01) Corpo negro ideal é todo corpo capaz de absorver toda a radiação que nele incide. Quando um corpo negro é aquecido, ele é uma fonte ideal de radiação térmica. 02) O efeito fotoelétrico só ocorre se a frequência da luz incidente sobre o metal for superior a um valor mínimo fmin e a emissão de cargas elétricas deste material independe da intensidade da radiação incidente. 04) A Teoria da Relatividade Especial, proposta por Einstein, está baseada em dois postulados, sendo que um deles é enunciado da seguinte forma: “As leis da Física são as mesmas em todos os referenciais inerciais. Ou seja, não existe nenhum sistema de referência inercial preferencial”. 08) A apresentação do trabalho do físico Maxwell sobre a quantização da energia é considerada hoje como o marco oficial da fundação da Física Moderna. 16) A Teoria da Relatividade Restrita tem como consequência a contração espacial e a dilatação temporal. 32) O fenômeno da radiação do corpo negro é explicado pela Física Clássica e pela Moderna como sendo uma distribuição contínua de energia de um sistema. 64) O comportamento dualístico de uma onda-partícula é descrito e aceito pela Física Clássica, sendo mais aprofundado e explicado pela Física Quântica.

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Resposta da questão 1

01) Correta.02) Incorreta: quanto maior a intensidade luminosa, mais partículas são ejetadas.04) Correta.08) Incorreta: o trabalho sobre quantização da energia foi apresentado em 19 de outubro de 1.900 por Max Karl Ernst Ludwig Planck.16) Correta.32) Incorreta: esse fenômeno é explicado apenas pela Física Moderna.64) Incorreta: esse fenômeno é explicado apenas pela Física Quântica.

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2. (Unicamp 2011) Em 1905 Albert Einstein propôs que a luz é formada por partículas denominadas fótons. Cada fóton de luz transporta uma quantidade de energia E = hf e possui momento linear p = h/λ , em que h é a constante de Planck e f e λ são, respectivamente, a frequência e o comprimento de onda da luz.

A aurora boreal é um fenômeno natural que acontece no Polo Norte, no qual efeitos luminosos são produzidos por colisões entre partículas carregadas e os átomos dos gases da alta atmosfera terrestre. De modo geral, o efeito luminoso é dominado pelas colorações verde e vermelha, por causa das colisões das partículas carregadas com átomos de oxigênio e nitrogênio, respectivamente.

Calcule a razão R = Everde / Evermelho em que Everde é a energia transportada por um fóton de luz verde com 500 nm, λverde = 500 nm, e Evermelho é a energia transportada por um fóton de luz vermelha com λvermelho = 650 nm.

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Resposta da questão 2Dados: λverde = 500 nm e λvermelho = 650 nm

( II )

Da equação de Planck:

E = hf

Combinando (I) e (II):

( I )

h cE

Fazendo a razão pedida:

Da equação fundamental da ondulatória:

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3. (Uel 2011) Uma usina nuclear produz energia elétrica a partir da fissão dos átomos de urânio (normalmente urânio-238 e urânio-235) que formam os elementos combustíveis de um reator nuclear.Sobre a energia elétrica produzida numa usina nuclear, considere as afirmativas a seguir. I. Os átomos de urânio que sofrem fissão nuclear geram uma corrente elétrica que é armazenada num capacitor e posteriormente retransmitida aos centros urbanos.II. A energia liberada pela fissão dos átomos de urânio é transformada em energia térmica que aquece o líquido refrigerante do núcleo do reator e que, através de um ciclo térmico, coloca em funcionamento as turbinas geradoras de energia elétrica.III. Uma usina nuclear é também chamada de termonuclear.IV. O urânio-238 e o urânio-235 não são encontrados na natureza.

Assinale a alternativa correta. a) Somente as afirmativas I e II são corretas. b) Somente as afirmativas I e IV são corretas. c) Somente as afirmativas II e III são corretas. d) Somente as afirmativas I, III e IV são corretas. e) Somente as afirmativas II, III e IV são corretas.

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Resposta da questão 3

I. Incorreta.A fissão é usada para produzir calor e aquecer a água no reator, como na afirmativa (II)  II. Correta. III. Correta. IV. Incorreta.Recentemente foi descoberta no sul da Índia a mina Tumalapalli, a maior reserva natural de urânio(urânio-235) do mundo, estimada em 150 mil toneladas.