Modelos Atômicos – Sequência Histórica

1. O Átomo Moderno • Modelo atual: fundamentado no de Rutherford • Núcleo minúsculo contendo a carga positiva e toda a massa do átomo; • Região extra nuclear: • Espaço vazio, onde estão distribuídos os elétrons Modelos Atômicos – Sequência Histórica

2. O Átomo Nuclear de Rutherford Modelos Atômicos – Sequência Histórica

3. O Átomo Moderno • Rutherford: Do que o núcleo é composto? • Carga positiva do núcleo deve-se à presença de partículas: • Que possuem um número de massa muito maior que o elétron; • Que ele mesmo em 1920 denominou de “prótons” • Prótons: incapazes de conter toda a massa do núcleo: • Problema da massa extra resolvido em 1932: • Chadwick descobriu o nêutron; • Núcleons: prótons + nêutrons. Modelos Atômicos – Sequência Histórica

4. O Átomo Moderno • Comunidade científica: O que fazem os elétrons? • Rutherford sugeriu primeiramente: • Estrutura Planetária • Fundamento: • Atração da força gravitacional do Sol mantém a Terra em sua órbita; • Fácil imaginar: • Núcleo carregado positivamente mantém em sua órbita um elétron carregado negativamente Modelos Atômicos – Sequência Histórica

5. O Átomo Nuclear de Rutherford Modelos Atômicos – Sequência Histórica

6. O Átomo Moderno • Estrutura Planetária • Dilema do Átomo Estável • Duas possibilidades do estado de movimento do elétron: • (1) Estacionário; • (2) Em movimento Modelos Atômicos – Sequência Histórica

7. O Átomo Moderno • (1) Estacionário (elétron parado): • Fisica Clássica: • Atração entre o núcleo carregado positivamente e o elétron carregado negativamente; • Movimentação do elétron em direção ao núcleo; • Isso aconteceria em fração de segundos; • Os elétrons deixariam a região extra nuclear e “cairia” no núcleo; • Átomos tenderiam a um colapso imediatamente Modelos Atômicos – Sequência Histórica

8. O Átomo Moderno • (2) Em movimento: • Desde que o elétron é parte do átomo: • Necessário que ele desenvolva alguma trajetória em torno do núcleo; • Proposição: orbita planetária • Mas, de acordo com a Física Clássica: • Quando uma partícula carregada experimenta uma mudança na direção de seu movimento: • Ela emite energia radiante • Ou seja, de um elétron orbitando, espera-se: • Que ele emita energia continuamente; • Isto não ocorre; • Ou pior, se o elétron perdesse energia por radiação: • O elétron cairia lentamente, alteraria o raio de sua órbita, distância ao núcleo diminuiria; • Elétron espiralaria para o núcleo, em uma pequena fração de segundo Modelos Atômicos – Sequência Histórica

9. O Átomo Moderno • Conclusão: modelo planetário incorreto • Dilema para os cientistas do início do século XX; • Hoje, sabe-se: • Algo errado com a Física Clássica: Modelos Atômicos – Sequência Histórica

10. O Átomo Moderno • Primeira tentativa para desenvolver um novo modelo atômico não-clássico: • Niels Bohr; • Modelo não foi um sucesso completo, tendo sido descartado por 20 anos; • Mas, introduziu alguns conceitos revolucionários: • Percebeu que a elucidação da estrutura atômica seria encontrada: • Na natureza da luz emitida pelas substâncias: • - a temperaturas altas; • - sob influência de uma descarga elétrica; • Mais precisamente: • Acreditava que esta luz era produzida: • - quando os elétrons nos átomos sofriam alterações de energia • Mas, antes de prosseguir, é necessário apresentarmos alguns conceitos sobre a energia radiante: • Em particular, devemos falar a respeito: • dos espectros de emissão do hidrogênio; Modelos Atômicos – Sequência Histórica

11. O Átomo Moderno • Energia Radiante • Também conhecida como energia eletromagnética: • Velocidade no vácuo: c = 3 x 108 m/s; • Apresenta movimento ondulatório: • Vale a relação: v   f, onde: • v é a velocidade; •  é o comprimento de onda; • f é a frequência • No vácuo: c   f, onde c é a velocidade no vácuo • Inclui: • Luz visível, radiação infravermelho e ultravioleta; • ondas de rádio, microondas, raios-X; • e outras formas que deslocam-se como ondas eletromagnéticas. Modelos Atômicos – Sequência Histórica

12. O Átomo Moderno Modelos Atômicos – Sequência Histórica

13. O Átomo Moderno • Espectroscopia • Luz branca: • Composta de uma mistura de ondas eletromagnéticas: • De todas as frequencias no espectro visível : • Desde o violeta profundo ( 400 nm); • Até o vermelho profundo ( 700 nm) • Esta mistura de ondas pode ser separada usando-se um prisma ótico que: • Não só desvia o raio de luz (refração); • Como também, desvios de magnitudes diferentes para os diferentes comprimentos da luz (dispersão). • Espectro contínuo: • Refração e dispersão de um raio de luz branca por um prisma ótico Modelos Atômicos – Sequência Histórica

14. Refração e Dispersão do raio de Luz Branca Modelos Atômicos – Sequência Histórica

15. O Átomo Moderno • Espectroscopia • Neste momento cabe um parênteses: • Diferença: • Espectro contínuo; • Espectro de absorção; • Espectro de emissão. Modelos Atômicos – Sequência Histórica

16. O Átomo Nuclear de Rutherford Modelos Atômicos – Sequência Histórica

17. O Átomo Moderno • Espectroscopia • Voltando ao raciocínio que estava sendo desenvolvido, por Bohr, qual seja: • a elucidação da estrutura atômica seria encontrada: • Na natureza da luz emitida pelas substâncias: • - a temperaturas altas; • - sob influência de uma descarga elétrica; • Por outro lado, observa-se experimentalmente que: • Quando: • Eletricidade passa através do gás hidrogênio (em um arco elétrico ou uma faísca); • Gás hidrogênio é aquecido a uma alta temperatura; • Linha espectral é produzida: • Ou seja, conjunto de linhas distintas; • Cada uma produzida pela luz de um comprimento de onda discreta Modelos Atômicos – Sequência Histórica

18. O Átomo Nuclear de Rutherford Modelos Atômicos – Sequência Histórica

19. O Átomo Nuclear de Rutherford Espectro Contínuo Espectro de Absorção Espectros de Emissão

20. O Átomo Moderno • Espectroscopia • Séries de linhas, para o gás hidrogênio, mostradas no slide anterior: • Encontradas na região visível do espectro; • Chamadas de Séries de Balmer: • Assim nomeadas por causa do físico suíço J.J. Balmer, que as estudou em 1885 • Outras séries de linhas espectrais do hidrogênio: • Podem ser encontradas nas regiões ultravioleta e infravermelho do espectro eletromagnético: • Séries de Lyman no U.V.; • Séries de Paschen no Infravermelho; • Séries de Bracket no Infravermelho; • Séries de Pfund no Infravermelho. Modelos Atômicos – Sequência Histórica

21. O Átomo Moderno • Espectroscopia • No fim do século XIX, descobriu-se que os comprimentos de ondas da luz responsáveis pelas linhas nas séries de Balmer do hidrogênio estão relacionados pela equação: • : comprimento de onda; • n: número inteiro maior ou igual a 3; • R: constante de Rydberg (1,0974 x 10-2 nm-1) • Pela substituição de diferentes valores de n (3, 4, 5, 6,..., ) na equação: • Pode-se obter comprimentos de onda de todas as linhas espectrais na série Balmer Modelos Atômicos – Sequência Histórica

22. O Átomo Moderno • Espectroscopia • As diferentes equações para (as diferentes séries), podem ser combinadas em apenas uma equação: • Séries Lyman: n1 = 1 n2 = 2, 3, 4, 5, ..., • Séries Balmer n1 = 2 n2 = 3, 4, 5, 6, ..., • Séries Paschen: n1 = 3 n2 = 4, 5, 6, 7, ..., • Séries Bracket: n1 = 4 n2 = 5, 6, 7, 8, ..., • Séries Pfund: n1 = 5 n2 = 6, 7, 8, 9, ..., Modelos Atômicos – Sequência Histórica

23. O Átomo Moderno • O Átomo de Bohr • Explicação de Bohr para os discretos comprimentos de onda emitidos: • Em um átomo: • Um elétron não está livre para ter qualquer quantidade de energia; • Um elétron pode ter somente certas quantidades específicas de energia; • Ou seja, a energia de um elétron em um átomo é quantizada • Neste contexto, é conveniente falar a respeito: • da nova idéia de Planck (energia quantizada) Modelos Atômicos – Sequência Histórica

24. O Átomo Moderno • A nova idéia de Planck nada mais é do que a explicação para a Radiação do Corpo Negro • Radiação do Corpo Negro: • Objeto aquecido: • Observações qualitativas: • Ele brilha com intensidade: fenômeno da incandescência; • A cor da luz emitida passa do vermelho ao laranja e ao amarelo, até chegar ao branco. • -Observações Quantitativas: • - Cientistas: • - tiveram de medir a intensidade da radiação em cada comprimento de onda; • - e repetiram as medidas em várias temperaturas diferentes • - objeto aquecido: • - conhecido como corpo negro; • - embora emita a cor branca por estar muito quente; • - não tem preferência em emitir ou absorver algum comprimento de onda em especial • - figura a seguir mostra alguns resultados experimentais Modelos Atômicos – Sequência Histórica

26. O Átomo Moderno • Radiação do Corpo Negro • Informações experimentais cruciais: • 1879 (Lei de Stefan Boltzman): • -T: temperatura em Kelvin; • -constante = 5,67 x 10-8 W.m-2K-4; Modelos Atômicos – Sequência Histórica

27. O Átomo Moderno • Radiação do Corpo Negro • Informações experimentais cruciais: • 1893 (Lei de Wein): • -T: temperatura em Kelvin; • -c2 (segunda constante de radiação) • = 1,44 x 10-2 K.m Modelos Atômicos – Sequência Histórica

28. O Átomo Moderno • Radiação do Corpo Negro • Exercício) Descobriu-se, em 1965, que o universo é atravessado por radiação eletromagnética com o comprimento de onda máximo em 1,05mm (na região das micro-ondas). Qual é a temperatura do vácuo? Modelos Atômicos – Sequência Histórica

29. O Átomo Moderno • Radiação do Corpo Negro • Cientistas Século XIX: • Tentaram explicar as leis da radiação do corpo negro: • Com o modelo óbvio da radiação eletromagnética em termos de ondas; • Usando a física clássica; • Descobriram: • Características deduzidas não estavam de acordo com as observações experimentais • Pior de Tudo (Catástrofe do ultravioleta) • - Física clássica previa que: • - qualquer corpo negro que estivesse em uma temperatura diferente de zero: • - deveria emitir radiação UV intensa, além de raios X e ; • - qualquer objeto muito quente devastaria a região em torno dele: • - devido à emissão de radiações de alta frequerncia • - até mesmo, o corpo humano, em 37oC, deveria brilhar no escuro; • - em outras palavras, não existiria a escuridão. Modelos Atômicos – Sequência Histórica

30. O Átomo Moderno • Radiação do Corpo Negro • Solução para o problema da catástrofe do ultravioleta • 1900 (Max Planck): • Troca de energia entre a matéria e a radiação ocorre em quanta (pacotes de energia); • Focalizou a atenção nos átomos quentes do corpo negro que oscilavam rapidamente; • Idéia central: • Ao oscilar na frequencia f, os átomos: • - só podem trocar energia com suas vizinhanças em pacotes de magnitude igual a • - onde h (constante de Planck) = 6,626 x 10-14 J.s • - Se os átomos, ao oscilar, transferem a energia E para a vizinhança: • - detecta-se radiação de frequencia: Modelos Atômicos – Sequência Histórica

31. O Átomo Moderno • Radiação do Corpo Negro • Solução para o problema da catástrofe do ultravioleta • 1900 (Max Planck): • Hipótese de Planck: • Radiação de frequencia f só pode ser gerada: • -Se um oscilador com essa frequencia: • - tem a energia mínima para começar a oscilar • Em temperaturas baixas: • - não existe energia suficiente para estimular a oscilação em frequencias muito altas • - Dessa maneira, não ocorreria a catástrofe do ultravioleta: • - pois a temperaturas baixas, não haveria energia suficiente parra oscilar nesta frequencia; • Lembrando (energia proporcional à frequencia): Modelos Atômicos – Sequência Histórica

32. O Átomo Moderno • Radiação do Corpo Negro • Solução para o problema da catástrofe do ultravioleta • 1900 (Max Planck): • Hipótese de Planck: • Também bem sucedida quantitativamente; • Foi usada para deduzir as Leis de Stefan-Boltzman e de Wein • Ao restringir a quantidade de energia que pode ser transferida de um objeto para outro: • - Descartava a Física Clássica: • Descrevia a transferência de energia em termos de pacotes discretos Modelos Atômicos – Sequência Histórica