MODELOS ATÔMICOS BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA. Professor Hugo Barbosa Suffredini Site:

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1 BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA Crédito: Sprace MODELOS ATÔMICOS Professor Hugo Barbosa Suffredini Site:

2 Ondas (uma breve revisão...) Uma onda é uma perturbação que se transmite de um ponto a outro em um meio ou no vácuo. Em geral, há transporte de energia. A transmissão de sinal entre dois pontos distantes pode ocorrer sem que haja necessariamente transporte direto de matéria entre esses pontos. 2

3 Exemplos de Ondas Som Ondas oceânicas de superfície Luz 3

4 Tipos de Ondas Ondas mecânicas (ex.: som, ondas do mar, ondas sísmicas): propagam-se em um meio material comportamento governado pela mecânica newtoniana Ondas eletromagnéticas (ex.: luz, raios-x, radar): não necessitam de um meio material para se propagar, ou seja, podem se propagar no vácuo também (velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo = m/s). comportamento governado pelas leis de Maxwell Ondas de matéria ondas associadas a partículas como elétrons, prótons, etc. comportamento governado pela mecânica quântica 4

5 Amplitude, Comprimento de Onda e Frequência 1 f = frequência T = período v = velocidade = comprimento de onda A = amplitude v = T v = f f = T 5

6 Ondas eletromagnéticas As oscilações dos campos magnéticos e elétricos são perpendiculares entre si e podem ser entendidas como a propagação de uma onda transversal. c= 2, m/s A velocidade dessa onda é a da luz. Portanto a luz é uma onda eletromagnética. Ondas eletromagnéticas são produzidas pela aceleração de cargas. 6

7 Espectro da Luz Visível Os diferentes tipos e cores são devidos às diferentes frequências ou comprimentos de onda eletromagnética. 7

8 Ondas eletromagnéticas 8

9 Reflexão 9

10 Reflexão Inversão do sentido de propagação da onda na interface entre dois meios diferentes. Se a corda estiver fixa a um ponto da parede, a amplitude da onda também é invertida. 10

11 Refração Mudança na direção de propagação da onda devido à mudança de sua velocidade. A velocidade de uma onda depende do meio em que ela se propaga. onda incidente onda refletida AR ÁGUA onda refratada 11

12 Refração 12

13 Refração 13

14 Interferência 14

15 Difração - Fenda Simples 15

16 Difração - Fenda Dupla 16

17 Difração da Luz 17

18 Experimento de Difração 18

19 Pensando no experimento

20 Evolução dos Modelos Atômicos 20

21 Fatos que a Física Clássica não podia explicar A estrutura do átomo (por que o elétron não cai no núcleo?) Observação de linhas nos espectros atômicos Espectro do corpo negro Efeito fotoelétrico 21

22 Falha no Modelo Atômico de Rutherford Os elétrons não podem ser corpos estacionários, caso contrário cairiam no núcleo devido à atração coulombiana. Se os elétrons se movem em órbita, então possuem aceleração centrípeta. De acordo com a teoria eletromagnética clássica, todos os corpos carregados e acelerados irradiam energia na forma de radiação eletromagnética. Portanto, o elétron deveria também nesta situação cair no núcleo.

23 Fatos que a Física Clássica não podia explicar A estrutura do átomo (por que o elétron não cai no núcleo?) Observação de linhas nos espectros atômicos Espectro do corpo negro Efeito fotoelétrico 23

24 Espectro da Luz Branca Em 1665, Isaac Newton demonstrou que, ao passar por um prisma, a luz branca (p. ex. luz do Sol) se decompõe em diferentes cores, formando um espectro como o arco-íris. 24

25 Radiação do Corpo Negro (corpo que absorve toda radiação eletromagnética) Corpo Negro 25

26 Efeito Fotoelétrico (ejeção de elétrons por radiação eletromagnética) E = h (fóton) 26

27 Espectro Atômico A luz que é emitida por átomos que compõe uma substância tem um padrão de linhas de frequências bem específico e característico de cada átomo, conhecido como espectro atômico. 27

28 Espectros de emissão e absorção espectro contínuo (luz branca) emissão (espectro descontínuo) absorção (espectro descontínuo) 28 28

29 Radiação emitida pela matéria em fase gasosa: 29

30 Espectro Atômico do Hidrogênio Série de Balmer Espectro de emissão do H na região da radiação visível. 30

31 Séries de Lyman (1906) e Paschen (1908) - Entretanto, existem outras linhas no espectro do átomo de hidrogênio em outras regiões (Ultravioleta e Infravermelho) - Outras séries descobertas: Séries de Bracket (1922), Pfund (1924) e Humphreys (>1924). 31

32 Modelo Atômico de Bohr Átomos possuíam regiões (órbitas) específicas disponíveis para acomodar os seus elétrons - as chamadas camadas eletrônicas. 32

33 Postulados de Bohr Elétrons se movem em órbitas circulares em torno do núcleo. Apenas algumas órbitas eletrônicas são permitidas para o elétron, e ele não emite energia ao percorrê-las. A energia total de um elétron não pode apresentar qualquer valor, mas sim apenas valores quantizados. Ao saltar de uma órbita para outra o elétron emite ou absorve uma quantidade definida de energia, definida como quantum de energia (E=h ) 33

34 34

35 Johannes Rydberg (1888) = = R H 2 n 2 1 n2 Nome n 1 n 2 Região do espectro eletromagnético Lyman 1 n = 2,3,4, Ultravioleta Balmer 2 n = 3,4,5, Visível Paschen 3 n = 4,5,6, Infravermelho Bracket 4 n = 5,6,7, Infravermelho Pfund 5 n = 6,7,8, Infravermelho Humphreys 6 n = 7,8,9, Infravermelho 35

36 Transições Eletrônicas no Átomo de Hidrogênio A partir a equação para os níveis de energia, constrói-se um diagrama de energias para o átomo de hidrogênio. 36

37 Surgimento da Física Quântica A energia de um sistema não é uma variável contínua. A energia somente pode assumir alguns valores específicos, ou seja, ela é quantizada. CONTÍNUO DISCRETO 37

38 Dualidade Partícula-Onda O elétron pode se comportar tanto como partícula quanto como onda. Louis de Broglie 38

39 A Equação de de Broglie e o Modelo Atômico de Bohr Se o elétron se comporta como uma onda, o comprimento de onda deve se ajustar exatamente à circunferência da órbita. Caso contrário, a própria onda se cancelaria parcialmente em cada órbita sucessiva (no final, a amplitude da onda seria reduzida a zero e a onda deixaria de existir). 2.. r = n. n, número inteiro (1,2,3, ) 39

40 Sucessos do Modelo Atômico de Bohr Sucesso na descrição das linhas espectroscópicas do átomo de hidrogênio. Raio da órbita do hidrogênio 0,53 Ǻ, concorda com o valor previsto para o diâmetro da molécula de hidrogênio 2,2 Ǻ. 40

41 Falhas do Modelo Atômico de Bohr Não conseguia explicar as intensidades relativas das linhas espectrais. Não conseguia explicar as linhas espectrais de átomos mais complexos. Dificuldades começaram a ser superadas na década de 20 do século passado com de Broglie, Schroedinger, Heisenberg, Pauli, Dirac e vários outros cientistas. 41

42 Equação de Espectros de Bohr Exercício na Lousa (para fazer em casa...) 42