Questão de Física — Física Quântica e Nuclear — IBFC 2023

Informações para a questão

I. Protetores solares são produzidos a partir de uma mistura complexa de componentes dos quais apenas 10% a 30% são ingredientes ativos, que interagem fisicamente com os fótons da porção do espectro da radiação solar que podem causar câncer nas células a diferentes profundidades do tecido epitelial (pela interação em nível molecular com trechos da molécula de DNA) como o UVA e o UVB.

II. O processo de excitação eletrônica de átomos pode ocorrer a partir da absorção/interação dos elétrons dos átomos. A energia dos fótons é dada por E = h.f, onde h é a constante de Planck e f a frequência do fóton (em acordo com a dualidade partícula-onda). A frequência e o comprimento de onda estão relacionados por c = λf.

III. São quantidades físicas e constantes características úteis às estimativas nesse contexto:

UVB: 280 a 315 nm

UVA: 315 a 400 nm

Infravermelho: 0.8 μm to 1000 μm

h = 6,6 x 10^-34 J.s

c = 3,0 x 10⁸ m/s

hc = 1,2 x 10^-6 eV.m

Também são materiais utilizados em filtros solares substâncias ativas inorgânicas, como micro e nanopartículas de ZnO e o TiO₂ - famosos na indústria de dispositivos semicondutores e da opto-eletrônica onde foram primeiramente descobertos, testados e compreendidos no contexto da física moderna de materiais (que explora as propriedades eletrônicas dos materiais utilizando a mecânica quântica). Nos dois casos se tratam de materiais semicondutores (característica normalmente associada à sua forma cristalina macroscópica), com aplicações bastantes intensas, em combinações com outros materiais, em, por exemplo, células solares e dispositivos emissores de luz. Considere as afirmativas a seguir.

I. Por terem mais átomos que as __, e por serem mais regulares na distribuição geométrica dos átomos, as micro/nanopartículas têm seus estados eletrônicos agrupados em conjunto mais denso nas energias dos estados eletrônicos (que ficam espalhados sobre a estrutura molecular) do que no caso de moléculas. Com o aumento de tamanho dessas partículas, mantida a regularidade geométrica, esse adensamento de estados eletrônicos aumenta e leva ao surgimento de __ de valência e condução que estão separadas por uma lacuna vazia de estados, também conhecida como gap.

II. No gráfico a seguir temos a absorbância de nanopartículas de TiO₂ (taxa de absorção de fótons pelo material comparada com a potência irradiada sobre o material, valor medido em um detector óptico). Se considerarmos que as transições ficaram suficientemente intensas em torno de 400 nm, o __ (acessível pelo processo de excitação óptica) do TiO₂ pode ser estimado em cerca de __ eV.

Fonte: Journal os Materials Science: Materials in Eletronics. V. 30, p. 16156 (2019)

Assinale a alternativa que preencha correta e respectivamente as lacunas.

                                                                  I                                            II