BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA

Crédito: Sprace

ProfessorHugo Barbosa Suffredini

hugo.suffredini@ufabc.edu.br

Site:www.suffredini.com.br

MODELOS ATÔMICOS

Uma onda é uma perturbação que se transmite de um ponto a outro em um meio ou no vácuo. Em geral, há transporte de energia.

A transmissão de sinal entre dois pontos distantes pode ocorrer sem que haja necessariamente transporte direto de matéria entre esses pontos.

Ondas (uma breve revisão...)

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Luz

Ondas oceânicas de superfície

Som

Exemplos de Ondas

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Tipos de Ondas

➢ Ondas mecânicas (ex.: som, ondas do mar, ondas sísmicas):

• propagam-se em um meio material

• comportamento governado pela mecânica newtoniana

➢ Ondas eletromagnéticas (ex.: luz, raios-X, radar):

• não necessitam de um meio material para se propagar, ou seja, podem se propagar no vácuo também (velocidade das ondaseletromagnéticas no vácuo = 299 792 458 m/s).

• comportamento governado pelas leis de Maxwell

➢ Ondas de matéria

• ondas associadas a partículas como elétrons, prótons, etc.

• comportamento governado pela mecânica quântica 4

Amplitude, Comprimento de Onda e Frequência

T=v

f = frequênciaT = períodov = velocidade= comprimento de ondaA = amplitude

T=f

1

f=v 5

A velocidade dessa onda é a da luz. Portanto a luz é

uma onda eletromagnética.

c=2,9979× 108m/s

Ondas eletromagnéticas

Ondas eletromagnéticas são produzidas pela aceleração de cargas.

As oscilações dos campos magnéticos e elétricos são

perpendiculares entre si e podem ser entendidas como a

propagação de uma onda transversal.

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Os diferentes tipos e cores são devidos às diferentes frequências

ou comprimentos de onda eletromagnética.

Espectro da Luz Visível

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Ondas eletromagnéticas

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Reflexão

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Reflexão

Inversão do sentido de propagação da onda na interface entre dois meios diferentes.

Se a corda estiver fixa a um ponto da parede, a amplitude da onda também é invertida.

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Refração

Mudança na direção de propagação da onda devido à mudança de sua velocidade. A velocidade de uma onda

depende do meio em que ela se propaga.

onda incidente

onda refratada

onda refletida

ÁGUA

AR

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Refração

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Refração

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Interferência

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Difração - Fenda Simples

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Difração - Fenda Dupla

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Difração da Luz

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Experimento de Difração

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https://www.ebah.com.br/content/ABAAAA6kMAI/difracao-interferencia-luz

Pensando no experimento...

Evolução dos Modelos Atômicos

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Fatos que a Física Clássica não podia explicar

– A estrutura do átomo (por que o elétron não “cai” no núcleo?)

– Observação de linhas nos espectros atômicos

– Espectro do corpo negro

– Efeito fotoelétrico

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Falha no Modelo Atômico de Rutherford

Se os elétrons se movem em órbita, então possuem aceleraçãocentrípeta. De acordo com a teoria eletromagnética clássica,todos os corpos carregados e acelerados irradiam energia naforma de radiação eletromagnética. Portanto, o elétron deveriatambém nesta situação “cair” no núcleo.

Os elétrons não podem ser corpos estacionários, caso contráriocairiam no núcleo devido à atração coulombiana.

Fatos que a Física Clássica não podia explicar

– A estrutura do átomo (por que o elétron não “cai” no núcleo?)

– Observação de linhas nos espectros atômicos

– Espectro do corpo negro

– Efeito fotoelétrico

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Em 1665, Isaac Newton demonstrou que, ao passar por um prisma,a luz branca (p. ex. luz do Sol) se decompõe em diferentes cores,formando um espectro como o arco-íris.

Espectro da Luz Branca

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Radiação do Corpo Negro(corpo que absorve toda radiação eletromagnética)

https://pt.wikipedia.org/wiki/Corpo_negro

Corpo Negro

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Efeito Fotoelétrico(ejeção de elétrons por radiação eletromagnética)

https://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_fotoel%C3%A9trico

E = h(fóton)

Espectro Atômico

A luz que é emitida por átomos que compõe uma substância temum padrão de linhas de frequências bem específico ecaracterístico de cada átomo, conhecido como espectro atômico.

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Espectros de emissão e absorção

espectro contínuo (luz branca)

emissão (espectro descontínuo)

absorção (espectro descontínuo)

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Radiação emitida pela matéria em fase gasosa:http://student.fizika.org/~nnctc/spectra.htm

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Espectro Atômico do Hidrogênio

Série de Balmer

Espectro de emissão do H na região da radiação visível.

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Séries de Lyman (1906) e Paschen (1908)

- Entretanto, existem outras linhas no espectro do átomo dehidrogênio em outras regiões (Ultravioleta e Infravermelho)

- Outras séries descobertas: Séries de Bracket (1922), Pfund (1924)e Humphreys (>1924). 31

Modelo Atômico de Bohr

Átomos possuíam regiões (órbitas) específicas disponíveis paraacomodar os seus elétrons - as chamadas camadas eletrônicas. 32

➢ Elétrons se movem em órbitas circulares em torno do núcleo.

➢ Apenas algumas órbitas eletrônicas são permitidas para oelétron, e ele não emite energia ao percorrê-las.

➢ A energia total de um elétron não pode apresentar qualquervalor, mas sim apenas valores quantizados.

➢ Ao saltar de uma órbita para outra o elétron emite ou absorveuma quantidade definida de energia, definida como quantum deenergia (E=h)

Postulados de Bohr

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Nome

Lyman

Balmer

Paschen

Bracket

Pfund

Humphreys

n2

n = 2,3,4,…

n = 3,4,5,…

n = 4,5,6,…

n = 5,6,7,…

n = 6,7,8,…

n = 7,8,9,…

n1

1

2

3

4

5

6

Região do espectro eletromagnético

Ultravioleta

Visível

Infravermelho

Infravermelho

Infravermelho

Infravermelho

Johannes Rydberg (1888)

−==

2

2

2

1

H

111

nnR

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Transições Eletrônicas no Átomo de Hidrogênio

A partir a equação para os níveis de energia, constrói-se umdiagrama de energias para o átomo de hidrogênio.

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Surgimento da Física Quântica

A energia de um sistema não é uma variável contínua. Aenergia somente pode assumir alguns valores específicos, ouseja, ela é quantizada.

CONTÍNUO DISCRETO

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Dualidade Partícula-Onda

Louis de Broglie

O elétron pode se comportar tanto como partícula quanto como onda.

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A Equação de de Broglie e o Modelo Atômico de Bohr

Se o elétron se comporta como uma onda, o comprimento deonda deve se ajustar exatamente à circunferência da órbita.Caso contrário, a própria onda se cancelaria parcialmente emcada órbita sucessiva (no final, a amplitude da onda seriareduzida a zero e a onda deixaria de existir).

...2 nr =

n, número inteiro (1,2,3,…)

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➢ Sucesso na descrição das linhas espectroscópicas doátomo de hidrogênio.

➢ Raio da órbita do hidrogênio 0,53 Ǻ, concorda com o valorprevisto para o diâmetro da molécula de hidrogênio 2,2 Ǻ.

Sucessos do Modelo Atômico de Bohr

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▪ Não conseguia explicar as intensidades relativas daslinhas espectrais.

▪ Não conseguia explicar as linhas espectrais de átomosmais complexos.

Dificuldades começaram a ser superadas na década de 20 do século passado com de Broglie, Schroedinger, Heisenberg,

Pauli, Dirac e vários outros cientistas.

Falhas do Modelo Atômico de Bohr

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Equação de Espectros de Bohr

Exercício na Lousa (para fazer em casa...)