Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão Disciplina: Física Contemporânea - Professor: Dr. Amarílio.

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1 Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão
Disciplina: Física Contemporânea - Professor: Dr. Amarílio G. C. Junior

2 Os átomos e o universo Início do séc. XX dúvida sobre existência
Hoje substâncias compostas de átomos manipulação de átomos Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

3 Experimento de Franck-Hertz
1914, James Franck & Gustav Hertz Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

4 Algumas propriedades dos átomos
Os átomos são estáveis; Os átomos se combinam entre si. Ge Sólidos Moléculas Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

5 Átomos podem ser agrupados em famílias
Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

6 Átomos podem ser agrupados em famílias
Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

7 Os átomos emitem e absorvem luz
absorção emissão Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

8 Os átomos possuem momento angular e magnetismo
- z momento angular momento magnético Visão clássica Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

9 O experimento de Einstein-de Haas (1915)
Wander Johannes de Haas ( ) Albert Einstein 1915 Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

10 O experimento de Einstein-de Haas
. Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

11 O spin do elétron Elétron – momento angular intrínseco : spin
Existência do spin: George Uhlenbeck & Samuel Goudsmit Teoria quântica relativística do spin: P. A. M. Dirac (1929) Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

12 Estados quânticos do elétron em um átomo
Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

13 Momento angular e momento magnético
Momento angular orbital: Momento magnético orbital: Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

14 Estes vetores não podem ser medidos diretamente, somente suas componentes
(ang. semiclássico) Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

15 Momento angular de spin:
Momento magnético de spin: Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

16 Estes vetores não podem ser medidos diretamente, somente suas componentes
z Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

17 Soma dos momentos angulares orbitais e de spin
Átomo com mais de 1 elétron: momento angular total número atômico z Como: Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

18 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? Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

19 O experimento de Stern-Gerlach (1922)
Otto Stern Walther Gerlach Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

20 A surpresa Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

21 A força magnética que age sobre um átomo de prata
pois q=0 (átomo) Potencial de um dipolo magnético em campo magnético: A força então é: Classicamente de –m a +m Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

22 O significado dos resultados
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23 Ressonância magnética (nuclear)
                                                                         Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

24 hf E antiparalelo paralelo
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25 Espectro de ressonância magnética nuclear do etanol
CH3-CH2-OH CH3 OH CH2 Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

26 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. Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

27 O princípio de exclusão de Pauli
Para partículas com s diferente de zero e diferente de número inteiro. “dois elétrons confinados na mesma armadilha não podem ter o mesmo conjunto de números quânticos.” Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

28 Armadilhas retangulares com mais de um elétron
Armadilha unidimensional: Curral retangular: Caixa retangular: x y z Ly Lx x y z Ly Lx Lz Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

29 Determinação da energia total
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? x y z Ly Lx Lz Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

30 Diagrama para 1 elétron E E2,2,2 E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1
Possíveis transições Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

31 Configurações de energia do estado fundamental e do 1o. excitado
E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1 E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1 E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1 E1,1,1 Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

32 E E 1o. excitado E2,2,2 E2,2,2 E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1 E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1 E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1 E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1 E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1 E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1 E1,1,1 E1,1,1 Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

33 Construção da tabela periódica
Estados quânticos do elétron em um átomo “todos os estados de uma subcamada têm a mesma energia” subcamada ( estados) Nomenclatura: Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

34 Neônio 10 elétrons 1s2 2s2 2p6 Não possui elétrons desemparelhados
Gases Nobres Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

35 Sódio 11 elétrons elétron de valência 1s2 2s2 2p6 3s1 Metais Alcalinos
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36 Cloro 17 elétrons 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 NaCl, LiF, KBr, …
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37 Ferro 17 elétrons 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d 6 4s2

38 Os espectros de raios X dos elementos
Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

39 O espectro contínuo de raios X
lmin Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

40 Verificação O comprimento de onda de corte lmin 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? Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

41 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? Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

42 O espectro característico de raios X
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43 A ordem dos elementos Henry G. J. Moseley (1887-1915)
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44 O gráfico de Moseley Para o hidrogênio: Para at. + de 1 elétron:
Para Ka: Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

45 Verificação O comprimento de onda da linha espectral Ka do espectro de raios X do cobalto (Z=27) é 179 pm, aproximadamente. O comprimento de onda da linha Ka do níquel (Z=28) é maior ou menor que 179 pm? Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

46 O laser e a luz do laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 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 Laser pulsado de rubi (1960) Theodore H. Maiman Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

47 Características da luz laser
Monocromaticidade Coerência Direcionalidade Focalização Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

48 Como funcionam os lasers
Absorção Emissão espontânea Emissão estimulada Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

49 Condições Antes: at. em equilíbrio térmico (Boltzmann) Ex E0
Einstein (1916): prob. absorção = emissão estimulada Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

50 Condições Inversão de População Emissão Estimulada
Nesta situação a emissão estimulada domina sobre a absorção estimulada. Emissão Estimulada O fóton emitido está em fase com, tem a polarização de, e se propaga na mesma direção da radiação que o estimulou. Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

51 Como funcionam os lasers
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52 O laser de Hélio-Neônio
Fevereiro 1961 Ali Javan, W.R. Bennett Jr. e D. R. Herriott - Laser He-Ne contínuo (cw) nm Mistura típica 0.8 torr de He e 0.1 torr de Ne Hoje em dia nm Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

53 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? Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

54 Desenvolvimentos Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

55 Do micro Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

56 Ao macro O laser NOVA (EUA)

57 Aplicações Pesquisa estudo de interfaces detecção de moléculas
Medicina cirurgia ocular dermatologia odontologia Comercial leitores de código de barras (1974) telecomunicações Industrial corte solda Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

58 Aplicações no dia a dia A impressora a laser
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59 Aplicações no dia a dia O CD-driver
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60 Aplicações no dia a dia O leitores de códigos de barra
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61 Aplicações no dia a dia antes depois Medicina e odontologia
Palomar Q Yag 5 antes depois Medicina e odontologia Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

62 Aplicações industriais
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63 A máquina de corte a laser
Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão

64 A cabeça de corte Spin e ligações atômico-moleculares, princípio de complementaridade; Princípio da Exclusão