capítulo 41 tudo sobre átomos. os átomos no início do século xx havia dúvida sobre existência...
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Capítulo 41Tudo sobre átomos
Os átomos
No início do século XX havia dúvida sobre existência deles.
Hoje criamos átomos e substâncias compostas (compósitos) manipulando átomos.
Os átomos
...
DNA Galáxia
Partículas ....
• Molécula 10-9 m
• Atom 10-10 m
• Núcleo 10-14 m
• Proton 10-15 m
• Eletron < 10-15 m
• Quark < 10-18 m
-e
Algumas propriedades dos átomos
• Os átomos são estáveis
• Os átomos se combinam entre si
Ge
MoléculasSólidos
• Átomos podem ser agrupados em famílias
• Átomos podem ser agrupados em famílias
Experimento de Franck-Hertz
1914, James Franck & Gustav Hertz
• Os átomos emitem e absorvem luz
E
E1
E2
E3
E4
absorção
emissão
• Os átomos possuem momento angular e magnetismo
Visão clássica pictórica-
z
momento angular
momento magnético
O experimento de Einstein-de Haas
Wander Johannes de Haas Albert Einstein1915
O momento angular intrínsico de spin tem a mesma natureza do momento angular orbital.
O experimento de Einstein-de Haas
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O spin do elétronO elétron possui momento angular intrínseco, o “spin”, e um momento de dipolo magnético intrínseco.
Teoria quântica do spin: P. A. M. Dirac (1929)
“pseudo-vetor”ou
dual
Spintronics
Estados quânticos do elétron em um átomo
Momento angular e momento magnético
Momento angular orbital:
Momento magnético orbital:
Estes vetores não podem ser medidos diretamente, somente suas componentes.
(ang. semiclássico)
Momento angular de spin:
Momento magnético de spin:
Estes vetores não podem ser medidos diretamente, somente suas componentes
Soma dos momentos angulares orbitais e de spin
Átomo com mais de 1 elétron:
número atômicomomento angular total
Como:z
Verificação
Um elétron se encontra em um estado quântico no qual o módulo do momento angular orbital é . Quantos valores são permitidos para a projeção do momento magnético orbital do elétron no eixo z?
Experimento de Stern-Gerlach (1922)
Otto Stern
Walther Gerlach
A força magnética que age sobre um átomo de prata , Ag: [Kr] 4d10 5s1
pois q=0 (átomo)
Potencial de um dipolo magnético em campo magnético:
A força então é:
Classicamente de – a +
A surpresa
O significado dos resultados
hf
E antiparalelo
paralelo
Espectro de ressonância magnética nuclear do etanol
CH3-CH2-OH
CH3
CH2OH
Exercícios e problemas
19E. Qual é o comprimento de onda de um fóton capaz de produzir uma transição do spin de um elétron em um campo magnético de 0,200 T ? Suponha que l=0.
Princípio de Exclusão de Pauli“dois elétrons confinados num mesmo estado de energia não podem ter o mesmo conjunto de números quânticos.”
Construção da Tabela PeriódicaEstados quânticos do elétron em um átomo
subcamada (estados)
“todos os estados de uma subcamada têm a mesma energia”
Nomenclatura:
-3 -2 -1 ml=0 1 2 3
l=0
l=1
l=2
l=3
Neônio
10 elétrons
GasesNobres
1s2 2s2 2p6
Não possui elétrons desemparelhados
Sódio
11 elétrons
1s2 2s2 2p6 3s1 elétron de valência
MetaisAlcalinos
Cloro
17 elétrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
NaCl, LiF, KBr, …
Ferro
17 elétrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d 6 4s2
Os espectros de raios X dos elementos
O espectro contínuo de raios X
min
Verificação
O comprimento de onda de corte min do espectro contínuo de raios X aumenta, diminui ou permanece constante quando (a) a energia cinética dos elétrons que incidem no alvo aumenta, (b) a espessura do alvo aumenta, (c) o alvo é substituído por um outro com um elemento de maior numero atômico?
Exercícios e problemas36E. Qual a menor diferença de potencial a que um elétron deve ser submetido em um tubo de raios X para produzir raios X com um comprimento de onda de 0,100 nm?
O espectro característico de raios X
Os espectros de raios X dos elementos
O espectro contínuo de raios X
min
Verificação
O comprimento de onda da linha espectral K do espectro de raios X do cobalto (Z=27) e 179 pm, aproximadamente. O comprimento de onda da linha K do níquel (Z=28) e maior ou menor que 179 pm?
Verificação
O comprimento de onda de corte min do espectro contínuo de raios X aumenta, diminui ou permanece constante quando (a) a energia cinética dos elétrons que incidem no alvo aumenta, (b) a espessura do alvo aumenta, (c) o alvo é substituído por um outro com um elemento de maior numero atômico?
Exercícios e problemas
36E. Qual a menor diferença de potencial a que um elétron deve ser submetido em um tubo de raios X para produzir raios X com um comprimento de onda de 0,100 nm?
A Lei de Moseley
Henry G. J. Moseley (1887-1915)
O gráfico de Moseley
Para o hidrogênio:
Para átomos com mais de 1 elétron:
Para K:
Verificação
O comprimento de onda da linha espectral K do espectro de raios X do cobalto (Z=27) e 179 pm, aproximadamente. O comprimento de onda da linha K do níquel (Z=28) e maior ou menor que 179 pm?
O laser e a luz do laser
Theodore H. Maiman
•1958 Previsão de condições para amplificação de luz por emissão estimulada (Laser) por Charles H. Townes e Arthur L. Schawlow (Nobel 1981)
•Julho 1960 Primeira operação bem sucedida de um maser óptico (laser) por Theodore H. Maiman
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Laser pulsado de rubi (1960)
Características da luz laser
• Monocromaticidade
• Coerência
• Direcionalidade
• Focalização
Como funcionam os lasers
Absorção
Emissão espontânea
Emissão estimulada
Condições
Antes:at. em equilíbrio térmico (Boltzmann)
Einstein (1916): prob. absorção = emissão estimulada
Ex
E0
Condições
O fóton emitido está em fase com, tem a polarização de, e se propaga na mesma direção da radiação que o estimulou.
•Inversão de População
•Emissão Estimulada
Nesta situação a emissão estimulada domina sobre a absorção estimulada.
Como funcionam os lasers
O laser de Hélio-Neônio
Fevereiro 1961 Ali Javan, W.R. Bennett Jr. e D. R. Herriott - Laser He-Ne contínuo (cw) 1152.3 nm
Mistura típica 0.8 torr de He e 0.1 torr de Ne
Hoje em dia 632.8 nm
Exercícios e problemas
55E. Um átomo hipotético possui níveis de energia com uma separação uniforme de 1,2 eV. A temperatura de 2000 K, qual é a razão entre o número de átomos no 13o. estado excitado e o número de átomos no 11o. estado excitado?
AplicaçõesPesquisa estudo de interfaces detecção de moléculas as fabricação de óxidos complexos, nanopartículas
Medicina cirurgia ocular dermatologia odontologia
Comercial leitores de código de barras (1974) telecomunicações
Industrial corte solda
Átomos Artificiais
dots
Não
Armadilhas retangulares com mais de um elétron
• Armadilha unidimensional:
• Curral retangular:
• Caixa retangular: x
y
z
LyLx
x
y
z
Ly
Lx
Lz
Não
Determinação da energia total
x
y
z
Ly
Lx
Lz
Onze elétrons são confinados num poço 3D de potencial infinito (caixa retangular) onde Lx=Ly=Lz=L. (a) Qual é a configuração eletrônica do estado fundamental do sistema de 11 elétrons? (b) Qual energia deve ser fornecida ao sistema para que ele passe ao primeiro estado excitado e qual é a energia deste estado?
Não
E
E1,1,1
E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1
E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1
E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1
E2,2,2
Diagrama para um elétron
Possíveis transiçõesNão
Configurações de energia do estado fundamental e do 1o excitado
E
E1,1,1
E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1
E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1
E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1
E2,2,2
fundamental
Não
E
E1,1,1
E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1
E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1
E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1
E2,2,2
E
E1,1,1
E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1
E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1
E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1
E2,2,2
1o. excitado
Não
Aplicações no dia a dia
Impressora a laser
Não
Aplicações no dia a dia
CD-driver / blu-ray
Não
Aplicações no dia a dia
O leitores de códigos de barra
Não
Aplicações no dia a dia
Medicina e odontologia
antes depois
Palomar Q Yag 5
Não
Aplicações industriais
Não
A máquina de corte a laser
Não
A cabeça de corte
Não