O espectro eletromagnético. foton
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- Lídia Medina Lancastre
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1 Estrutura Atômica I O espectro eletromagnético Modelos atômicos O experimento de Faraday e a natureza elétrica da matéria Os experimentos de Thomson e a descoberta do elétron O experimento de Millikan Modelo de Thomson Modelo de Rutherford Radiação de corpo negro e a hipótese de Planck O efeito fotoelétrico Espectros atômicos O modelo de Bohr
2 O espectro eletromagnético E h foton ν h c λ
3 O espectro eletromagnético Modelo ondulatório Equações de Maxwell Onda senoidal, campos E e M Modelo corpuscular (fótons) Fóton de energia E hν O espectro eletromagnético
4 O espectro eletromagnético
5 Espectroscopia Estudo da interação entre radiação (luz ou partículas) e a matéria. Historicamente, o termo se referia ao uso da luz visível para o estudo da estrutura da matéria e para análises qualitativa e quantitativa. O termo é atualmente utilizado de forma muito mais ampla para incluir outras formas de radiação.
6 A Natureza Elétrica da Matéria Faraday (833) A massa de uma dada substância depositada sobre um eletrodo por uma quantidade fixa de eletricidade é sempre a mesma. A massa de diferentes materiais depositados, liberados ou dissolvidos sobre um eletrodo por uma quantidade fixa de carga é sempre proporcional à massa equivalente das substâncias. Exemplos: Ag C Ag 0 Cu C Cu 0 Ex.: Calcule a carga elementar
7 A Natureza Elétrica da Matéria Faraday (833) Estou convencido de que a força que rege a decomposição eletrolítica é a mesma das atrações químicas comuns. O termo elétron : GJ Stoney (~894, a partir de trabalhos desde 874) Partícula elétrica fundamental Of the electron or atom of electricity, G Johnstone Stoney, Phil. Mag. Ser. 5, 38 (October 894), p Para cada ligação química que é quebrada dentro de um eletrólito uma certa quantidade de eletricidade atravessa o eletrólito, a qual é a mesma em todos os casos. Antes (Dalton, Newton, etc): átomos seriam partículas indivisíveis, neutras...
8 A Condutividade elétrica de gases Gases: normalmente isolantes Baixas pressões, altas voltagens: passagem de corrente elétrica Ampolas de Crookes Tubos de raios catódicos
9 Os experimentos de Thomson Raios catódicos: ondas viajando através do éter ou partículas materiais? Jean Perrin: cargas negativas Emil Wiechert: m/z muito pequena J.J. Thomson (~897) Refino de experimentos prévios (melhor vácuo, etc) Planejamento de novos experimentos Coleta e análise cuidadosas de dados experimentais Raios catódicos são não apenas partículas materiais, mas de fato os constituintes fundamentais do átomo. - Como Thomson determinou isso?
10 Os experimentos de Thomson Produção e deflexão de raios catódicos Variação do experimento de Perrin Deflexão dos raios catódicos com um magneto Possível separar a carga dos raios catódicos? Precursor do espectrômetro de massas
11 Os experimentos de Thomson Tentativas prévias de defletir os raios catódicos com campo elétrico haviam falhado Hipótese: traços do gás no tubo estariam se tornando condutores pelos próprios raios Exclusão extrema de todo o gás dentro do tubo DEFLEXÃO POR CAMPO ELÉTRICO!!! VÍDEO: EXPERIMENTO DE THOMSON
12 A descoberta do elétron Não posso fugir da conclusão de que raios catódicos são constituídos de cargas de eletricidade negativa, carregadas por partículas materiais. Mas... o que são essas partículas? Seriam átomos, moléculas, ou matéria em um estado de subdivisão ainda mais fino?
13 A descoberta do elétron Utilizando uma variedade de tubos e gases, e campos elétricos e magnéticos, Thomson procurou determinar quanto os raios eram defletidos pelos campos, e quanta energia carregavam. A partir destes resultados, pôde-se determinar a razão entre a massa da partícula e sua carga (m/z). (Wiechert) m/z para para raios catódicos muito menor que para um próton (fator > 000). Confirmações posteriores da carga dos raios catódicos. Experimento de Millikan (a seguir)
14 A descoberta do elétron Determinação da razão carga-massa Eletrodo bombardeado com raios catódicos. Mediu-se a corrente e o aumento da temperatura (capacidade calorífica do alvo conhecida) W Q mv N Ne W: energia descarregada pelos raios catódicos N: número total de partículas Q: carga total v: velocidade das partículas, obtida medindo-se seu desvio ao passar por um campo magnético de força conhecida (experimental) Q W v e m
15 A descoberta do elétron Thomson: Já que os raios catódicos... são desviados por uma força eletrostática, como se fossem negativamente eletrizados, e são influenciados por uma força magnética da mesma forma como seria um corpo eletrizado negativamente, movendo-se ao longo do caminho dos raios, não vejo outra alternativa senão concluir que os raios catódicos são constituídos de cargas de eletricidade negativa, transportadas por partículas materiais.
16 A descoberta do elétron Temos nos raios catódicos matéria em um novo estado, em que a subdivisão da matéria é realizada muito mais intensamente que no estado gasoso comum; um estado em que toda a matéria... é de um mesmo tipo; esta matéria sendo a substância da qual todos os elementos químicos são formados. Hipóteses: Raios catódicos são partículas carregadas (corpúsculos) Estes corpúsculos constituem o átomo Estes corpúsculos são os únicos constituintes dos átomos Inicialmente, controvérsia e ceticismo Aceitação gradual, novos experimentos
17 A descoberta do elétron Poderia alguma coisa parecer mais inútil, à primeira vista, que um corpo tão pequeno cuja massa é uma fração insignificante da de um átomo de hidrogênio? J.J. Thomson
18 O experimento de Millikan Minúsculas gotas de óleo são dispersas em uma câmara (vaporizador) Gotas tornam-se carregadas (colisões, atrito, radiação) O movimento de uma das gotas é monitorado Resposta ao campo elétrico (a) E 0 (queda livre) (b) E 0 força q.e (contrária a g)» Pode-se determinar q Sempre um múltiplo inteiro de,6 0-9 C VÍDEO: EXPERIMENTO DE MILLIKAN
19 Modelo atômico de Thomson (904) Modelo: Corpúsculos negativamente carregados. Massa ( nuvem densa ) de carga positiva. Diferentes arranjos possíveis. Modelo refutado por Rutherford anos mais tarde... On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure by J.J. Thomson, FRS Philosophical Magazine Series 6, Volume 7, p (March 904)
20 O modelo de Rutherford (9) VÍDEO: EXPERIMENTO DE GEIGER-MARSDEN Experimento: Dispersão de partículas alfa por folhas metálicas delgadas (por Marsden-Geiger, 909) - Partículas α: núcleos de He (He + ) Enquanto a maior parte das partículas passa pela folha sem se desviar ou com pequenos desvios, algumas são espalhadas com ângulos maiores Energia cinética das partículas é grande e conhecida Os átomos deveriam apresentar forças elétricas enormes e positivas Massas consideráveis (massas pequenas seriam varridas pelas partículas) Essas Cargas massas positivas e cargas se concentrariam deveriam se concentrar em um núcleo em volumes bem limitados do espaço Contraste com o modelo de Thomson Elétrons poderiam ocupar o volume do átomo (d ~0-0 m) menor e mais pesado (~0.000 vezes menor que o átomo)
21 Problemas com o átomo de Rutherford (De acordo com a Física Clássica...) O átomo deveria ser instável! (A) Elétron estacionário - Atração eletrostática e colapso da estrutura (B) Elétron descreve uma órbita circular - Cargas aceleradas irradiam (perda de energia) - Movimento espiralado em direção ao núcleo Toda a matéria deveria entrar em colapso em uma fração de segundo... Seria a Física Clássica adequada para descrever sistemas atômicos? Niels Bohr Postulados arbitrários (~93)
22 Radiação do corpo negro Teoria clássica da radiação: Ondas EM (E, H oscilantes) Energia ~ E +H ~ Intensidade Experimento: Corpo aquecido Emissão de luz Distribuição não poderia ser explicada pelas teorias vigentes
23 Radiação do corpo negro (Clássica) Lei de Wien T λ 0,88 max K. cm Lei de Stefan- Boltzmann E 4 T V Lei de Rayleigh-Jeans ρ 8πkT 4 λ
24 Radiação do corpo negro (Quântica) Quantização da energia (Planck, 900) hc E hν hω λ Distribuição de Planck ρ 8πhc 5 λ exp ( hc ) λkt» Rejeição de leis da física aceitas na época» Hipótese: sólido é composto por um grupo de átomos oscilando com uma mesma freqüência» Energias são quantizadas (E nhν)
25 O efeito fotoelétrico h ν E l + m v Einstein, 905: Conceito de fóton
26 O efeito fotoelétrico Não há emissão de elétrons se a frequência da radiação for menor que um valor mínimo A partir deste valor elétrons são emitidos com energia cinética crescente Maior intensidade de luz libera mais elétrons Problemas com a teoria clássica...
27 Espectros atômicos
28 Linhas espectrais Série de Balmer 09737,3,4,... cm R n n R λ Note on the Spectral Lines of Hydrogen Johann Jacob Balmer Annalen der Physik und Chemie 5, p. 80 (885) n f n i R λ Expressão Geral: J. Rydberg Séries de Lyman, Balmer, Paschen, Brackett, Pfund 40, 434, 486, 656 nm
29 Linhas espectrais Séries de Lyman, Balmer, Paschen, et al. λ R n f n i Fórmula de Rydberg
30 O modelo de Bohr Postulados Raio e energia Estrutura do átomo de hidrogênio Diagrama de energias e explicação dos espectros atômicos
31 O modelo de Bohr - Postulados Somente é permitido ao elétron certos estados estacionários, cada um dos quais possuindo uma energia definida Nesses estados, o átomo não pode emitir radiação; emissão ou absorção pode ocorrer se o átomo passar de um estado para outro O elétron se movimenta descrevendo uma órbita circular em torno do núcleo Os estados eletrônicos permitidos são aqueles em que o momento angular do elétron é quantizado em múltiplos de h/π Os dois primeiros postulados estão corretos e são mantidos pela teoria quântica atual. O quarto postulado está parcialmente correto. O terceiro postulado é errado e não faz parte da teoria quântica moderna.
32 O modelo de Bohr + e r Ze Se o elétron é uma partícula de massa m e carga e - e o núcleo tem uma carga Ze (em que Z é o número de prótons), as duas partículas se atraem com uma força dada pela Lei de Coulomb: F 4πε o ( Ze) r e Sendo esta a única força atuando sobre o elétron, é a força resultante e, pela segunda Lei de Newton: F ma m v (Movimento circular (orbital)) r
33 O modelo de Bohr Energia 4πε o Ze r m v r 4πε o Ze r mv Energia Cinética: K mv 4πε o Ze r Energia Potencial: V 4πε o Ze r E K + V Energia Total: 4πε o Ze r 4πε o Ze r 4πε o Ze r
34 O modelo de Bohr Raio m vr n h π v h n π mr 4πε o Ze r m nh πmr n h 4π mr r só pode assumir os valores: r h π mze 4πε o n Substituindo a expressão para o raio quantizado na expressão da energia...
35 O modelo de Bohr : Energia (em função do raio) n h e Z m r Ze E o o π πε πε Transição entre estados de energia quantizada: λ ν hc n n C h ' E E
36 O modelo de Bohr : Energia (em função do raio) On the Constitution of Atoms and Molecules Niels Bohr Philosophical Magazine Serie 6 Vol. 6, -5 (93)
37 O modelo de Bohr Números J n n n n x n n h e mk E ) (,7.0 ) ( ) (6,6.0 ) 0.(,6 ) (9.0.9,.0.(3,4 ) ) ( Δ π 0 4 πε k Energias das transições eletrônicas
38 O modelo de Bohr Números Número de onda e raio atômico ΔE hc λ λ,09.0 8, ,6.0., ( n n ) m 8 ( n n ) h n r a0n (5,9.0 n ) m 4π mke (0,59n )Å
39 O modelo de Bohr Números Número de onda e raio atômico + e r Ze n a Z r 0 3,6 Z E T n a 0 0,53Å ( ev ) 8,7 0 Z E T n ( J ) Qual o raio do átomo de hidrogênio no estado fundamental? n,, 3,...
40 O modelo de Bohr
41 Lei de Moseley
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