modelos atômicos – sequência histórica

Modelos Atômicos – Sequência HistóricaO 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 HistóricaO Átomo Nuclear de Rutherford


-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.


-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


-Estrutura Planetária-Dilema do Átomo Estável-Duas possibilidades do estado de movimento do elétron:

-(1) Estacionário;

-(2) Em movimento


-(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


-(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


-Conclusão: modelo planetário incorreto

-Dilema para os cientistas do início do século XX;

-Hoje, sabe-se:

-Algo errado com a Física Clássica:


-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;


-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.


-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 HistóricaRefração e Dispersão do raio de Luz Branca


-Espectroscopia

-Neste momento cabe um parênteses:

-Diferença:

-Espectro contínuo;

-Espectro de absorção;

-Espectro de emissão.


-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

O Átomo Nuclear de Rutherford

Espectro Contínuo

Espectro de Absorção

Espectros de Emissão


-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.


-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

22

1

2

11

nR


-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, ...,

22

21

111

nnR


-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)


-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


-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;

4tan TteconsicialÁreaSuperf

itidaPotênciaEm



-Informações experimentais cruciais:

-1893 (Lei de Wein):

-T: temperatura em Kelvin;

-c2 (segunda constante de radiação)

= 1,44 x 10-2 K.m

25

1cT máx



-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?

KTc

TcTmáx

máx 74,21005,15

1044,1

5

13

22

2



-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.



-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:

hfE

h

Ef




-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):

hfE




-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

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