dualidade onda-partÍculaprofessor.ufabc.edu.br/~hueder.paulo/estrutura da matéria/aulas 7, … ·...

Hueder Paulo Moisés de Oliveira

[email protected]

BC0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA

DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA

1

Calendário

2

Semana Aulas expositivas

1

07/06

• Introdução ao curso (Informações sobre

provas, conceitos);

• Macro ao micro;

• Teoria atômica.

2

11/06

14/06

• Teoria atômica (continuação).

• Hipótese atômica;

• Equações químicas;

• Substâncias químicas.

3

21/06

• Comportamento dos gases;

Calendário

3


4

25/06

28/06

• Evidências do elétron.

• Revisão de ondas;

• Radioatividade;

• Modelos atômicos.

5

05/07

• Dualidade onda-partícula;

• Função de onda;

Calendário

4


6

09/07

12/07

• Orbitais atômicos;

• Spin do elétron, princípio da exclusão de Pauli

e regras de seleção;

• Prova 1

7

19/07

• Átomos multi-eletrônicos;

• Distribuição eletrônica;

• Tabela periódica.

8

23/07

26/08

• Ligações químicas (Parte I).

• Interações Moleculares;

Calendário

5


9

02/08 • Ligações Químicas (Parte II): TLV e TOM.

10

06/08

09/08

• Prova 2

• Prova Substitutiva

11

16/08 • REC

6

Revisão Espectro do Corpo Negro

Um corpo negro absorve toda a radiação incidente, então não

pode ser visualizado (daí o nome). Eles emitem radiação

permitindo determinar sua temperatura.

Gustav Robert

Kirchhoff

(1824-1887)

1861: Lei da emissão de radiação térmica

1. Um objeto sólido aquecido produz luz com espectro

contínuo;

2. Um gás ténue produz luz com linhas espectrais em

comprimentos de onda discretos que dependem da

composição química do gás;

3. Um objeto sólido a alta temperatura rodeado de um gás

ténue a temperaturas inferiores produz luz num

espectro contínuo com vazios em comprimentos de

onda discretos cujas posições dependem da

composição química do gás.

7

Revisão Espectro do Corpo Negro 1899: Corpo negro e distribuição espectral

Todos os corpos negros emitem, a uma mesma temperatura, o

mesmo espectro de radiação.

i. Como aumento da

temperatura há um

deslocamento para

menores comprimentos

de onda ou maiores

frequências de radiação.

c ii. A distribuição da radiação

fica cada vez mais

concentrada em radiação

de alta potência, para

cada vez menores

8

Revisão Espectro do Corpo Negro 1900-1905: Lei de Rayleigh‐Jeans

A lei falha em descrever

comprimentos de ondas

“menores” e para

temperaturas altas,

frequentemente da região do

UV.

Quanto mais experimentos são realizados, mas desvios são

encontrados entre os dados observados e os previstos pelas Leis

Clássicas!!!

9

Revisão Espectro do Corpo Negro 1900: Teoria Quântica

Max Karl Ernst

Ludwig Planck

(1858-1947)

Nobel (Física): 1918

A teoria clássica prevê que a energia média é

independente da frequência da radiação.

Analisando os resultados experimentais relacionados à

radiação do corpo negro, Planck chegou à conclusão que

a energia média das ondas emitidas pela radiação era uma

função da frequência desta radiação, ou do seu respectivo

comprimento de onda

“Como e de emissão são dependentes

de temperaturas específicas, a variação da energia

(ΔE) deve ter comportamento discreto e não

contínuo.”

máximo máximo

34

0,1,2,3,...

6,626 10

E

E nh

n

h J s

Mas e a natureza da

matéria e das

partículas?

Fatos que a Física Clássica não podia explicar

A. A estrutura do átomo (por que o elétron não “cai” no

núcleo?);

B. Observação de linhas nos espectros atômicos;

C. Espectro do corpo negro;

D. Efeito fotoelétrico.

10

1887: Efeito Fotoelétrico

Efeito Fotoelétrico

11

Heinrich Rudolf

Hertz

(1857-1894)

Superfície metálica emite elétrons devido à incidência de

radiação eletromagnética.

http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Photoelectric_Effect

12

Efeito Fotoelétrico Resultados:

Nenhum elétron é ejetado até que a radiação tenha uma

frequência acima de radiação tenha uma frequência acima de um

valor característico do metal;

Elétrons são ejetados imediatamente, por mais baixa que seja a

intensidade de radiação;

A energia cinética dos elétrons ejetados varia linearmente com a

frequência de radiação incidente.

13

Há três aspectos principais do efeito

fotoelétrico que NÃO podem ser

explicados em termos da teoria

ondulatória clássica da luz...


...Primeiro Aspecto:

Previsão da teoria clássica: A energia cinética dos elétrons

emitidos deveria aumentar com a intensidade da luz (ou seja, em

função da amplitude do campo elétrico oscilante).

amplitude

Observação experimental: A energia cinética máxima dos

elétrons emitidos não depende da intensidade da luz.


14

...Segundo Aspecto:


15

Previsão da teoria clássica: O efeito fotoelétrico deveria ocorrer

para qualquer frequência da luz, desde que ela fosse intensa o

suficiente para fornecer a energia necessária para ejetar elétrons.

Observação experimental: Para cada material, existe uma

frequência mínima 0 abaixo da qual o efeito fotoelétrico não

acontece, independente da intensidade da luz.

energ

ia c

inética m

áxim

a

dos e

létr

ons e

jeta

dos

...Terceiro Aspecto:


16

Previsão da teoria clássica: Se a intensidade da luz incidente é

baixa, deve haver um intervalo de tempo mensurável durante o

qual o elétron “acumula” a energia recebida até atingir o valor da

energia necessária para ser ejetado.

Observação experimental: Nenhum retardamento detectável

jamais foi medido, a emissão do elétron é praticamente

instantânea mediante incidência de radiação luminosa.

1905: Interpretação de Einstein: Primórdios da

Física Quântica

A luz é formada por um conjunto de pequenas partículas

chamadas “fótons”;

Cada fóton carrega uma quantidade definida de energia

que é diretamente proporcional à frequência da luz. A

energia é transportada em “pacotes”, ou seja, em

quantidades discretas.

E = h (h é a constante de Planck)

A energia transportada por um fóton individualmente não

depende da intensidade e sim da frequência. A

intensidade está relacionada apenas ao número total de

fótons.

17


Albert Einstein

(1879-1955)


h = 6,626 ×10−34 J·s = 4,14 ×10−15 eV·s

1 eV = 1,60 × 10-19

J

Interpretação de Einstein

I. A energia absorvida por um elétron individual no metal

provém da colisão com um fóton;

II. O elétron será ejetado apenas se o pacote de energia

transportado pelo fóton (h) for superior à energia

necessária para ejetar o elétron, a chamada função

trabalho (ϕ0);

III. A diferença entre os dois valores é convertida em

energia cinética dos elétrons ejetados (Kmax).

Kmax = h - ϕ0

h0 = ϕ0 18


Kmax = h - ϕ0

=0 = ϕ0/h

Kmax

h0 = ϕ0

0

coeficiente angular

da reta: h

19


Interpretação de Einstein

Função trabalho de alguns metais

Metal Função trabalho

(eV)

Sódio 2,36

Alumínio 4,06 - 4,26

Chumbo 4,25

Zinco 3,63 - 4,90

Ferro 4,67 - 4,81

Cobre 4,53 - 5,10

Prata 4,52 - 4,74

Níquel 5,04 - 5,35

Ouro 5,10 – 5,47

20


1 eV = 1,60 × 10-19

J

Dobrando a intensidade (I), o número de elétrons ejetados dobra, mas

sua energia cinética não muda.

Kmax = h - ϕ0

Kmax

0

corr

ente

elé

tric

a

0

I1 > I2 > I3

I1 I2 I3

I1

I2

I3

Efeito Fotoelétrico Interpretação de Einstein

21

Considerações de Einstein (Nobel 1921)

h

metal

elétrons

Analogia: bola em um buraco.

Energia Cinética da Bola = Energia do chute – mgh.

Quanto mais forte o chute, maior a probabilidade da bola sair.

O chute deve ter uma energia mínima para que a bola saia!

Chutes sem

“energia suficiente”

chute “bem-sucedido”


22

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/E/Einstein_and_photoelectric_effect.html

Equação de Einstein

Φ = função trabalho

(energia necessária para

“arrancar” o elétron)

característica do material

heVmv 0

max

2

2

1

Energia cinética

do elétron

Potencial de frenamento

“chute”


Considerações de Einstein (Nobel 1921)

23 http://cnx.org/contents/0b2bbd16-a727-4797-894f-43a9484c7f03@2

No metal temos:

Dentro do

metal

Ene

rgia

Pote

ntial

do e

létr

on

Função trabalho ()

Elétrons - precisam do “empurrão” mínimo

Elétrons fortemente ligados,

precisam de muita energia

fora do metal

24


25


Células Fotovoltaicas

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/de/Nellis_AFB_Solar_panels.jpg

26

Clinton Joseph

Davisson

(1881-1958)


Lester Halbert

Germer

(1896-1971)

Difração de Elétrons

1927: Experimentos de Davisson e Germer

As partículas P1 e P2 mostram interferência:

A radiação eletromagnética consiste de fótons que se

comportam como partículas.

Ex.: efeito fotoelétrico;

A radiação eletromeganética é composta de ondas.

Ex.: difração da luz.

27

Comportamento Ondulatório ou Corpuscular ???

Como conciliar as duas visões?

Afinal, a luz é uma partícula ou uma

onda?

Dualidade Onda-Partícula

A propagação da luz entre dois pontos pode

ser descrita tratando-a como uma onda.

A interação da luz com a matéria pode ser

descrita tratando-a como partícula.

28

Comportamento Ondulatório ou Corpuscular ???

29

Louis V. P. R. de

Broglie

(1892-1987)


Dualidade Onda-Partícula para o Elétron

“O elétron apresenta característica DUAL, ou seja,

comporta-se como matéria e energia sendo uma

partícula-onda.”

https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Broglie_Big.jpg

“Devido ao fato de o comportamento atômico ser tão

diferente da experiência comum, é muito difícil se

acostumar a ele, e ele parece peculiar e misterioso para

todos - tanto para o novato como para o físico experiente.”

“Até mesmo os especialistas não o compreendem da forma

como gostariam, e é perfeitamente razoável que não

devam, porque toda a experiência direta e intuição

humanas se aplicam a objetos grandes.”

“Sabemos como objetos grandes atuarão, mas as coisas

em pequena escala simplesmente não agem desta forma.

Então temos que aprender sobre elas de um modo

abstrato ou imaginativo, e não pela conexão com a nossa

experiência direta.”

Richard Feynman

Dualidade Onda-Partícula para o Elétron

Richard Philips

Feynman

(1918-1988)


Experimento da dupla fenda com projéteis

Um experimento imaginário…

Feynman, R. P. The Feynman Lectures on Physics: Quantum Mechanics, cap. 1 31

Dualidade Onda-Partícula para a Matéria

I. Os projéteis chegam ao detector em unidades (“pacotes”) iguais;

II. As balas que atravessam as fendas 1 e 2 podem atingir o

anteparo em diferentes posições x. A probabilidade de que uma

bala atravesse as fendas 1 ou 2 e se aloje numa posição x do

anteparo é dada por P1 ou P2, respectivamente;

III. O resultado do experimento feito com ambas as fendas abertas

(P12) é igual à soma dos resultados experimentais obtidos

quando cada uma das fendas isoladamente está aberta:

P12 = P1 + P2

NÃO É UM FENÔMENO DE INTERFERÊNCIA

32


Experimento da dupla fenda com projéteis

Experimento da dupla fenda com ondas

FONTE

DA ONDA

DETECTOR

BARREIRA ANTEPARO

Feynman, R. P. The Feynman Lectures on Physics: Quantum Mechanics, cap. 1


33


I. A intensidade das ondas pode ter qualquer valor, ou seja, elas

não chegam ao detector como “pacotes”;

II. Ondas sofrem difração nas fendas, produzindo no anteparo um

padrão de franjas conhecido como padrão de difração;

III. A distribuição de intensidades com ambas as fendas abertas não

coincide com a soma dos resultados obtidos com apenas uma

fenda aberta devido à existência de regiões com interferência

construtiva e outras com interferência destrutiva:

I12 ≠ I1 + I2

É UM FENÔMENO DE INTERFERÊNCIA

34


Experimento da dupla fenda com ondas

Experimento da dupla fenda com elétrons

FONTE DE

ELÉTRONS

DETECTOR

BARREIRA ANTEPARO

Feynman, R. P. The Feynman Lectures on Physics: Quantum Mechanics, cap. 1 35



Exemplo

Calcule o comprimento de onda da “partícula” nos seguintes casos:

(a) O serviço mais rápido no jogo de tênis é cerca de 68 m/s. Calcule o

comprimento de onda associado a uma bola de tênis que pesa 6,0

x 10-2 kg movendo-se a essa velocidade.

(b) Calcule o comprimento de onda de um elétron (9,1094 x 10-31 kg)

que se move à velocidade de 68 m/s.

mv

h

h = constante de Planck = 6,626 x 10-34 J.s (=m2 kg/s)

36


m106,1

ms68)kg100,6(

Js1063,6

34

12

34

x

mv

h

(a)

Tamanho do átomo

(1 x 10-10 m)

37


Resolução:

m101,1

ms68)kg101094,9(

Js1063,6

5

131

34

mv

h

(b)

Infra-vermelho

(mensurável)

38


Resolução:

Tamanho do átomo

(1 x 10-10 m)

O padrão de interferência gerado por um corpo grande como uma bola

ou um projétil teria franjas tão finas e próximas umas das outras, que não

mais poderiam ser distinguidas pelo detector. O detector registraria uma

curva „suave“ resultante da média entre diversas franjas.

39


Mas... a descoberta das propriedades ondulatórias da matéria

levantou algumas questões novas e interessantes sobre a física

clássica...

Caráter Determinístico da Física Clássica

Exemplo: bola descendo uma rampa:

Sabendo a posição e o momento iniciais, bem como as forças que

atuam no sistema, podemos calcular (prever) com grande exatidão por

meio das leis de Newton a posição e o momento em qualquer instante

t.

v (0)

v (t)

g

40

Não se pode definir a localização precisa de uma onda porque ela se

estende no espaço.

Caráter Probabilístico da Física Quântica

Uma forma de “restringir” a onda a uma região do espaço e assim

conhecer a sua posição com mais precisão é somar ondas de

comprimentos de onda () diferentes. Se o número de ondas somadas

for suficientemente grande, teremos um pacote de ondas.

41

Superposição de Ondas

comprimentos de onda

ligeiramente

diferentes

42


Como está relacionado ao momento (p = mv) e como somamos

diversos valores de diferentes, o valor do momento torna-se menos

preciso.

43


1927: Princípio da Incerteza

Werner Karl

Heisenberg

(1901-1976)

Nobel

(Física): 1932

Não podemos determinar exatamente a posição e a

quantidade de movimento simultaneamente. Ou seja, se

quisermos estudar uma partícula desta natureza em

movimento, teremos sempre uma incerteza associada à

medida:

44

4x

hx p

: incerteza na posição da partícula

: incerteza na quantidade de movimento (velocidade) da partícula

: constante de Planck

x

x

p

h

xx p h


https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Bundesarchiv_Bild183-R57262,_Werner_Heisenberg.jpg

1928: Princípio da Complementariedade

45

“Se um experimento prova o caráter corpuscular da

radiação ou matéria, não será possível, com as

mesmas condições provar o caráter ondulatório da

mesma.”

Niels Henrick David

Bohr

(1885-1962)


“There is no quantum world. There is only an abstract physical description. It is wrong to think that the task of physics is to find out how nature is. Physics concerns what we can say about nature...”

Niels Bohr

“Everything we call real is made of things that cannot be regarded as real. “

Niels Bohr


http://books.scielo.org/id/xwhf5/pdf/freire-9788578791261-15.pdf






Conclusão, não é apropriado imaginar o elétron

movendo-se ao redor do núcleo em órbita bem definida.

349

31 4

.4

(6,626 10 J s)1 10 m

4 4 (9,11 10 kg)(5 10 m/s)

hx mv

hx

m v

Diâmetro médio de um átomo de hidrogênio (2 x 10-10 m)

Cálculo da incerteza na posição de um elétron do átomo de

hidrogênio (m = 9,11 x 10-31 kg) movendo-se a 5 x 106 m/s

supondo , incerteza de 1% (Δv = 5 x 104 m/s)

46


Exemplo:

Orbital - zona em torno do núcleo onde é elevada a

probabilidade de se encontrar um elétron de uma

dada energia.

47

Erwin Rudolf Josef

Alexander Schrödinger

(1887-1961)



Estudo do comportamento e das leis do movimento para

partículas microscópicas.

ANTECEDENTES:

Teoria da quantização da energia (Max Planck) e efeito

fotoelétrico (Einstein): E = h

Dualidade onda-partícula (L.de Broglie): = h/p

Principio de incerteza (Heisenberg): x

hΔxΔp

4

Mecânica Quântica

48

Modelo Mecânico-Quântico do Átomo Bohr contribuiu significativamente para nossa

compreensão dos átomos, e sua proposta de que

energia de um elétron em um átomo é quantizada

permanece válida. Entretanto, não fornece uma

descrição completa do comportamento eletrônico nos

átomos;

Devido ao Princípio da Incerteza, não é apropriado

imaginar o elétron movendo-se ao redor do núcleo numa

órbita bem definida, do modo como propunha o modelo

de Bohr;

O trabalho de Schrödinger forneceu uma descrição mais

apropriada do átomo em termos da mecânica quântica.

É o modelo atômico atualmente aceito e que veremos a

seguir!

49

Equação de Schrödinger

Schrödinger propõe uma equação que incorpora tanto o

comportamento ondulatório como o corpuscular para o

elétron. A equação de Schrödinger é a base da Mecânica

Quântica assim como as equações de Newton são a base da

Mecânica Clássica.

EH ˆ

ψ(x,y,z): função de onda: representa a onda associada ao

elétron e descreve o estado do elétron.

E: energia total do elétron.

Ĥ: operador Hamiltoniano.

50

Operador hamiltoniano

Leva em consideração a energia cinética (T) e a

energia potencial (V) do elétron:


51

µ : massa reduzida;

e : massa do elétron;

ε0 : constante dielétrico do meio;

r : distância entre os elétrons.

1 212

1 2

m m

m m

Operador

Laplaciano

Pierre-Simon

Laplace

(1749-1827)

2 2 2

2

2 2 2

u u uu u u

x y z

2

h

Operador hamiltoniano

A equação de Schrödinger é uma equação de conservação de energia.

Ela leva em consideração o comportamento corpuscular, em termos de

massa (m) e o comportamento ondulatório, em termo da função de

onda (ψ).

EH ˆ


52

número imaginário

Variável espacial Variável temporal

Significado físico da função de onda

ψ não tem significado físico

ψ2 densidade de probabilidade de encontrar um

elétron em função da posição x


53


54

A seguir, mostraremos

qualitativamente algumas

previsões da Mecânica Quântica

para alguns casos simples

envolvendo partículas como o

elétron. As mesmas idéias serão

ampliadas para o átomo de

hidrogênio.

55

Uma onda estacionária é aquela em que a crista, ou a

posição de maior amplitude não se move. Da mesma

forma, pontos em que a amplitude é nula, conhecidos

como nós, não se movem;

Um exemplo de onde isso ocorre é numa corda de

violão. A corda está presa nas extremidades e, ao ser

tocada, vibra de acordo com um modo de vibração. Se

não houvesse atrito com o ar, ela vibraria

indefinidamente. Como há esse contato com o ar,

ouvimos um som de freqüência igual à da vibração.

Ondas estacionárias

Modos de Vibração numa Onda Unidimensional

2

nL para n = 1, 2, 3 …,

2

L

22L

23L

24L

primeiro harmônico

segundo harmônico

terceiro harmônico

quarto harmônico

56

O comprimento de onda de uma onda estacionária numa

corda depende do comprimento da corda e e do número

de ventres. A onda estacionária pode ter apenas alguns

valores específicos de , que são dados por:

Modos de Vibração numa Onda Unidimensional

57

• Vamos supor que um elétron esteja confinado em uma

caixa;

• De acordo com a mecânica clássica, o elétron poderia

ter qualquer valor de energia (no caso, energia cinética);

• Tratando o elétron como uma partícula-onda, veremos

que surge um resultado bem diferente...

Problema da Partícula na Caixa

58

Por que Estudar o Problema do “Elétron numa Caixa”???

A caixa significa que o movimento do elétron está restrito a uma

porção do espaço que chamamos de poço de potencial. No

átomo de hidrogênio, o potencial que “restringe” o movimento do

elétron e impede-o de escapar é o potencial coulombico. O

problema do hidrogênio é bem mais complexo que o do elétron

na caixa, mas os dois problemas têm algumas similaridades.

0

-∞

EPOT

poço de potencial potencial de Coulomb

59

Tratando o elétron como

onda, temos o mesmo

problema da corda de violão.

Devido à impossibilidade da

partícula estar fora do poço,

afirmamos que a função de

onda é nula no exterior. No

interior do poço, formam-se

ondas estacionárias.

Elétron Confinado numa Caixa (Poço de Potencial)

60


61

2 2 2 2 2

2 2 2

2Como

2

Como 2 8 8

h hv

mv m

L hnv

n m L

mv mh n h nE E

m L mL

No confinamento unidimensional (onda numa corda), a energia possível do estado estacionário depende do número quântico n!

http://quells.github.io/QuantumWells/infinite_well.html

E = Enf -Eni = h

Energia do fóton emitido por

uma transição eletrônica:


62

Orbital: densidade de probabilidade de se encontrar o elétron

O modelo da mecânica quântica

não se refere a órbitas porque o

movimento do elétron em um

átomo não pode ser medido ou

localizado com precisão

(princípio da incerteza de

Heisenberg).

Órbita ou camada

(modelo de Bohr)

Orbital (modelo da mecânica

quântica) = 63

Orbitais Atômicos

a. Vamos supor um

sistema com um próton

e um elétron;

b. O próton cria uma

armadilha para o

elétron, mantendo-o

confinado;

c. Qualquer tipo de

confinamento faz surgir

estados estacionários.

64

Orbitais Atômicos

Orbitais Atômicos

65

Representam os estados estacionários dos elétrons

ligados ao átomo e definem a região no espaço (3D), na

qual é distribuida a probabilidade de se encontrar estes

elétrons após ser realizada uma medida.

Jalaladim Maomé

Rumi

(1207-1273)

Look at me as many times as you

wish, but you won’t get to know me!

Since you have last seen me,

I’ve changed a hundred times!

Rumi

n está associado a energia do elétron e define a sua

“proximidade” do núcleo

l está associado ao momento angular do elétron e

define o “tipo” de forma do orbital

ml está associado à projeção do momento angular

(número quântico magnético) do elétron e define a

“orientação” do orbital no espaço.

66

Orbitais Atômicos

Números quânticos

Está relacionado à distância

média entre o elétron e o

núcleo, ou seja, ao

“tamanho” do orbital;

Quanto maior for n, maior a

distância média entre o

elétron e o núcleo, portanto

menor será a força que

“prende” o elétron ao átomo;

Portanto, n indica o NÍVEL

ELETRÔNICO.

,...3,2,1n67

Número quântico principal (n)

Orbitais Atômicos

No caso do átomo de hidrogênio, n está diretamente relacionado aos

níveis de energia do elétron:

,...3,2,12

H nn

hcREn

estados

excitados

estado

fundamental

ionização

Número quântico principal (n)

68

Orbitais Atômicos

Está relacionado ao formato do orbital;

l indica o SUBNÍVEL ELETRÔNICO;

O número de subníveis em cada nível é dado por:

1,...,2,1,0 nl0

1

2

3

s

p

d

f

l nome do

subnível

69

Número quântico angular (l)

Orbitais Atômicos

Orbitais s

70

Orbitais Atômicos

Orbitais p

71

Orbitais Atômicos

Orbitais d

72

Orbitais Atômicos

Orbitais f

73

http://falstad.com/qmatom/

Orbitais Atômicos

Está relacionado à orientação espacial do orbital dentro de

um determinado subnível;

Os orbitais individuais que compõe um determinado

subnível são dados por:

llllml ,...,2,1,

Exemplo:

se l = 1 (subnível p),

há 3 valores de m (+1,-1,0) e

portanto 3 orbitais (px, py, pz).

74

Número quântico magnético (ml)

Orbitais Atômicos

níveis subníveis orbitais

75

Orbitais Atômicos

76

Orbitais Atômicos

Exercícios

1) Quantos orbitais há no nível n = 2?

2) Quantos orbitais há no nível n = 4?

3) Um elétron num átomo de hidrogênio está num estado em

que n = 4 e l = 2. Em qual tipo de orbital está o elétron?

Lembrando que...

1,...,2,1,0 nl

llllml ,...,2,1,77

Orbitais Atômicos

De acordo com a Mecânica

Quântica, o elétron possui dois

estados de spin diferentes;

O spin do elétron está

relacionado ao seu momento

angular (rotação em torno do

próprio eixo);

Cargas em rotação geram

campo magnético, portanto os

elétrons responderão de forma

diferente à aplicação de um

campo magnético, dependendo

de seu valor de spin. 78

Número quântico do spin do elétron (ms)

Orbitais Atômicos

79

Número quântico do spin do elétron (ms)

Orbitais Atômicos

80

O conjunto de número quânticos associados a um elétron pode ser

entedido como um “endereço”. Devido a característica dos elétrons, que

são férmions, não existem dois eletrons no Universo que ocupem

exatamente os mesmos números quânticos.

Orbitais Atômicos

Por se tratar de um problema em 3 dimensões, teremos 3 números quânticos associados aos estados estacionários;

Os números quânticos do problema da partícula na caixa estavam associados às 3 direções cartesianas. O problema do hidrogênio possui uma simetria diferente (simetria esférica), e o tratamento matemático requer uma transformação de coordenadas cartesianas para coordenadas esféricas. Isso faz com que cada número quântico tenha um significado especial, como veremos a seguir.

Coordenadas Esféricas Polares

Átomo de Hidrogênio

81


82

83


A equação de onda Schrödinger em três dimensões introduz três

números que quantizam a energia:

A mesma energia pode ser obtida para diferentes conjuntos de

números quânticos.

Um estado quântico é dito degenerado quando existe mais de uma

função de onda para uma dada energia.

Degenerescência resulta de propriedades particulares da função de

energia potencial que descreve o sistema. Uma perturbação na energia

potencial pode remover esta degenerescência.

Estados degenerados

)(8

22

2

2

, yxnn nnmL

hE

yx

E1,2 = E2,1 84


Estados degenerados

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6d/Particle2D.svg

Elétron numa caixa bidimensional

No confinamento 2D, os estados estacionários dependem de 2 números quânticos (n

, l) em função de três coordenadas espaciais (p

x , p

y , p

z).

Exemplo: onda numa membrana (p. ex. na superfície de um tambor)

85


No confinamento 3D, os estados estacionários dependem de 3 números

quânticos (n , l

, m

l) em função de três coordenadas espaciais (p

x , p

y , p

z).

Elétron numa caixa tridimensional

86

p : operador do momento.

Assim, a equação de onda de Schrödinger tridimensional fica:



87


Se a caixa é um cubo:

Mais de uma função de onda podem ter a mesma energia (estados

degenerados).

Exemplo: Tente (10, 4, 3) e (8, 6, 5).


88


A verificação experimental sobre a existência de estados estacionários no átomo de hidrogênio é através de experimentos de espectroscopia. Neles, átomos de hidrogênio absorvem ou emitem fótons cuja energia é igual a diferença entre os níveis.

Espectroscopia


89

Espectroscopia


90

Estrutura do Átomo de Hidrogênio

Estado fundamental: n = 1 l = 0 ml = 0

Primeiro estado excitado: n = 2 l = 0 ml = 0

ou

n = 2 l = 1 ml = 0, ±1

(todos com a mesma energia)

Ionização: H → H+ + e-

+ energia

+ energia

+ energia

+ energia

91

92

Elétrons em átomos multieletrônicos ocupam orbitais semelhantes aos

do hidrogênio, porém suas energias são diferentes;

O núcleo de um átomo multieletrônico possui carga mais alta que a de

um núcleo de hidrogênio, portanto atrai os elétrons mais fortemente,

diminuindo sua energia;

Num átomo multieletrônico, os elétrons se repelem, o que aumenta sua

energia.

Estrutura de Átomos Multieletrônicos

Energia

cinetica dos

elétrons

Interações de

Coulomb

Interação

e– – e–

Interação

e– – núcleo

Interação

núcleo – núcleo

Energia

cinética do

núcleo

Interações de

Coulomb

Princípio da Construção

No estado fundamental de um átomo

multieletrônico, os elétrons tendem a ocupar

preferencialmente os orbitais de menor energia. O

número máximo de elétrons que pode ocupar um

orbital é limitado de acordo com o Princípio da

Exclusão de Pauli:

Energias relativas dos orbitais atômicos

93

Wolfgang Ernst Pauli

(1900-1958)



“Dois elétrons de um mesmo átomo não

podem ter os quatros números quânticos

iguais.”

Princípio da exclusão de Pauli

i. Cada orbital pode ser

ocupado por no máximo dois

elétrons;

ii. Quando dois elétrons ocupam

o mesmo orbital, seus spins

devem estar emparelhados.

emparelhados ()

desemparelhados ( ou )

mS = + ½ mS = - ½

mS = + ½ mS = + ½ 94

Estrutura de Átomos Multieletrônicos Energias relativas dos orbitais atômicos

Distribuição eletrônica

95


Princípio da Construção

Se diversos orbitais com a mesma energia estão disponíveis,

a configuração eletrônica segue a Regra de Hund: “Se um

subnível contém mais de um orbital, os elétrons ocuparão

orbitais vazios antes de se emparelharem em um deles.

Na ausência de campo magnético, as energias de orbitais

pertencentes ao mesmo subnível são iguais.”

96

Friedrich Hermann

Hund

(1896-1997)




97


Exercício: Distribuição eletrônica

98

Desenhe os diagramas e mostre a distribuição eletrônica

das seguintes espécies:

a) 11Na

b) 20Ca

c) 11Na+

d) 17Cl-


dualidade onda-partÍculaprofessor.ufabc.edu.br/~hueder.paulo/estrutura da matéria/aulas 7, … ·...

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