Slide 1

Modelos Atômicos – Sequência Histórica
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
O Átomo Nuclear de Rutherford
Modelos Atômicos – Sequência Histórica
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.
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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
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O Átomo Nuclear de Rutherford
Modelos Atômicos – Sequência Histórica
O Átomo Moderno
-Estrutura Planetária
-Dilema do Átomo Estável
-Duas possibilidades do estado de movimento do elétron:
-(1) Estacionário;
-(2) Em movimento
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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
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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
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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:
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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;
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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.
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O Átomo Moderno
Modelos Atômicos – Sequência Histórica
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
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Refração e Dispersão do raio de Luz Branca
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O Átomo Moderno
-Espectroscopia
-Neste momento cabe um parênteses:
-Diferença:
-Espectro contínuo;
-Espectro de absorção;
-Espectro de emissão.
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O Átomo Nuclear de Rutherford
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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
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O Átomo Nuclear de Rutherford
O Átomo Nuclear de Rutherford
Espectro Contínuo
Espectro de Absorção
Espectros de Emissão
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-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.
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-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:
1 
 1
 R 2  2 

2 n 
1
-: 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
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-Espectroscopia
-As diferentes equações para (as diferentes séries), podem ser combinadas em apenas uma
equação:
 1 1
 R 2  2 

 n1 n2 
1
- Séries Lyman: n1 = 1
n2 = 2, 3, 4, 5, ..., 
- Séries Balmer n1 = 2
n2 = 3, 4, 5, 6, ..., 
- Séries Paschen: n1 = 3
- Séries Bracket: n1 = 4
- Séries Pfund: n1 = 5
n2 = 4, 5, 6, 7, ..., 
n2 = 5, 6, 7, 8, ..., 
n2 = 6, 7, 8, 9, ..., 
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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)
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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
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-Radiação do Corpo Negro
-Informações experimentais cruciais:
-1879 (Lei de Stefan Boltzman):
PotênciaEmitida
 cons tan te  T 4
ÁreaSuperficial
-T: temperatura em Kelvin;
-constante = 5,67 x 10-8 W.m-2K-4;
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-Radiação do Corpo Negro
-Informações experimentais cruciais:
-1893 (Lei de Wein):
1
Tmáx  c2
5
-T: temperatura em Kelvin;
-c2 (segunda constante de radiação)
= 1,44 x 10-2 K.m
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-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?
Tmáx
1
c2
1,44 102
 c2  T 

 T  2,74 K
3
5
máx 5 1,05 10
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-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.
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-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
E  hf
- onde h (constante de Planck) = 6,626 x 10-14 J.s
- Se os átomos, ao oscilar, transferem a energia E para a vizinhança:
E
- detecta-se radiação de frequencia: f 
h
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-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):
E  hf
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-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