DA TABELA PERIÓDICA AO MODELO PADRÃO Nelson Studart

Programa Átomos e Elementos A Tabela Periódica: Padrão dos elementos químicos O elétron: a primeira partícula elementar Experiência de Thomson Experiência de Millikan

Estrutura do átomo Espectros de linha dos elementos químicos Modelo de Rutherford-Bohr A Tabela Periódica re-visitada Dualidade Onda-partícula As Interações da Natureza Elétrons e fótons Dentro do núcleo: Interações fortes e fracas Partículas elementares e o modelo padrão

Átomos e Moléculas John Dalton (1766-1844) Fundador da Teoria Atômica Moderna

New System of Chemical Philosophy (1808) 1. Matéria é constituída de átomos individuais 2. Cada elemento químico é feito de átomos idênticos de um tipo particular 3. Átomos são imutáveis 4. Elementos químicos podem se combinar para formar compostos 5. Reações químicas re-arranjam átomos em diferentes compostos, mas não mudam os números de átomos de cada elemento Conseqüência Imediata: A Lei das Proporções Múltiplas New System of Chemical Philosophy (1808)

1 – Hidrogênio (H); 2 – Nitrogênio (N) ; 3 – Carbono (C) 4 – Oxigênio (O); 5 – Fósforo (P); 6 – Enxofre (S) 21 – Água (HO) – errado! 25 – CO; 28 – CO2; 23, 26, 27, 30 e 34 – Óxidos de Nitrogênio

Mendeleev (1834-1907) Os elementos, se dispostos de acordo com seus números atômicos, exibem uma evidente periodicidade de propriedades Elementos similares com relação às suas propriedades químicas possuem pesos atômicos que têm aproximadamente o mesmo valor (p. ex. platina, irídio, ósmio) ou aumentam regularmente (p. ex. potássio, rubídio e césio)

O arranjo dos elementos, ou dos grupos de elementos, na ordem crescente de seus pesos atômicos, corresponde às suas valências como também às suas distintas propriedades químicas Os elementos mais abundantes possuem números atômicos pequenos A intensidade do peso atômico determina o caráter do elemento

Deve-se esperar a descoberta de muitos elementos desconhecidos – por exemplo, elementos análogos ao alumínio e silício, cujos pesos atômicos encontram-se entre 65 e 75 Magnésio (1808) Alumínio (1825) Silício (1824) Fósforo (1669) Cálcio (1808) ? Titânio (1791) Vanádio (1830) Zinco (velho) Arsênico (velho) Estrôncio (1808) Ítrio (1843) Zircônio (1789) Nióbio (1801)

O peso atômico de um elemento pode algumas vezes ser alterado através do conhecimento daqueles de elementos contíguos. O peso atômico do telúrio deve estar entre 123 e 126, mas não pode ser 128. Certas propriedades características dos elementos podem ser preditas a partir de seus pesos atômicos (errado!)

A Tabela Periódica  

O ubíquo elétron: A primeira partícula “elementar” (1897) Joseph John Thomson (1856-1940) "There is no other branch of physics which affords us so promising an opportunity of penetrating the secret of electricity." J.J. Thomson, 1893

Raios Catódicos Explorar a analogia entre o movimento balístico e o movimento do elétron sob a ação de campo elétrico uniforme Conclusões dos experimentos de 1897  1. Raios catódicos são partículas carregadas (chamou de “corpúsculos”)  2. Estas partículas são constituintes do átomo (controvertida)  3. Estas partículas são as únicas constituintes dos átomos (Errado!) e/m = 1,8 x 1011 C/kg

A experiência de Millikan Robert Millikan (1868-1953) Medida da velocidade terminal Movimento unidimensional com atrito viscoso

Espectro Contínuo da Radiação Eletromagnética Com a luz solar, vemos todo o arco-íris A região visível é uma pequena porção o espectro

Linhas Espectrais Átomos emitem apenas ondas com certas freqüências! Vindo de um elemento químico aquecido, a luz se decompõe em linhas brilhantes de certas cores Átomos emitem apenas ondas com certas freqüências! É a “impressão digital” do elemento químico

Átomo de Rutherford Ernest Rutherford (1871-1937) Átomo nucleado

Estimativa do tamanho do núcleo A força age durante Momentum varia de Deflexão a grandes ângulos

Modelos Atômicos (a) Thomson (b) Clássico (c) Bohr Energia de ligação Mas Sendo W = 13,6 eV r = 5,3 x 10-11 m e f = 6,58 x 1015 Hz

Modelo de Bohr Estados Estacionários A quantização do momento angular O estado fundamental – W tem maior valor quando n = 1 Saltos quânticos

Níveis de Energia

Tabela Periódica Re-visitada O Mistério da Carga Nuclear Raios - X Wilhelm Röntgen (1845-1923) Espectroscopia de raios-X Henry Moseley (1887-1915)

Espectro de Raios - X Freqüência da linha Ka

Dualidade Onda - Partícula Radiação Eletromagnética Onda Campos Elétrico e Magnético Interferência - Difração Comprimento de onda l Freqüência w = 2pn Partícula – Fóton g Produção e Conversão Momento p Energia E Elétron Partícula (raios catódicos) - Onda (Difração)

Mecânica Quântica - Schrödinger Equação de onda para o elétron no átomo de H: O espectro de Bohr Estados quânticos: Orbitais + Spin Princípio de Exclusão

Dentro do Núcleo Raios x Ondas Eletromagnéticas Radioatividade Natural Raios a - Raios b - Raios g Núcleo Atômico: Z prótons e N nêutrons Número de Massa Atômica A = Z + N Z Propriedades Químicas A Isótopos - (Z, A) (Z - 2, A - 4) + a b - (Z, A) (Z + 1, A) + e g - (Z, A)exc (Z, A) menos-exc + n Radioatividade Transmutação espontânea Processo randômico

Interações da Natureza Interação Atuação Intensidade Alcance Forte Manter o núcleo unido 1 10 -15 m Eletromagnética Estabilidade dos átomos e moléculas; Atrito, Tensões, etc. 10 -2 infinito Fraca Decaimento b 10 -5 Gravitacional Organizar o Universo 10 -40

Partículas Elementares e- p n n m p K L S W . . . Carga, Massa, Spin e- m t ne nm nt Hádrons Léptons (Bárions e Mésons) QUARKS u (up) (+ 2/3) d (down) (- 1/3) c (charm) (+ 1/3) s (strange) (- 1/3) t (top) (+ 2/3) b (bottom) (- 1/3) u u d p u d d n u d s L

Eletrodinâmica Quântica g + e- g + e-

Cromodinâmica Quântica Quarks são férmions de spin ½ com número nucleônico N = 1/3 Cada bárion é feito de três quarks Cada méson é feito de um quark e um antiquark Cada antibárion é feito de três antiquarks Quarks individuais não podem ser encontrados livres Quarks aparecem em diferentes variedades: os sabores Quarks possuem cores (como “carga elétrica”) Vermelho Verde Azul A força entre quarks é mediada por glúons sem massa de spin 1 (troca de cores)

Decaimento Beta – Interação Fraca Interação fraca é mediada por bósons pesados W+ W- Z0 Unificação: A interação eletrofraca

Modelo Padrão Cromodinâmica Quântica – mecanismo da interação forte: troca de glúons (s = 1, m = 0). Quarks trocam suas cores, mas mantém seus sabores. Teoria Eletrofraca – mecanismo da interações fracas e eletromagnéticas: troca de fótons (s = 1, m = 0) e bósons massivos (s = 1). Tabela Periódica dos Quarks e Léptons

Q = -1 Q = -1/3 Q = 0 Q = 2/3 1a. Família e- down ne up 2a. Família m- strange nm charm 3a. Família t- bottom ntm top

Referências Sheldon L. Glashow, From Alchemy to Quarks, (Brooks/Cole Publ. Co. Pacific Grove, CA, 1993). R. P. Olenick, T. M. Apostol e D. L. Goodstein, A Experiência da Gota de Óleo de Millikan, extraído de “The Mechanical Universe – Introduction to Mechanics and Heat”, (Cambridge U. P., New York, 1985). Nelson Studart, A Radioatividade e os Modelos Atômicos, em “Notas de Aula de Física Moderna”, (UFSCar, São Carlos, 2000). F. Ostermann, Um texto para Professores do Ensino Médio sobre Partículas Elementares, Revista Brasileira de Ensino de Física 21 (3), 415 (1999). Fernanda Ostermann e Cláudio J. de H. Cavalcanti, Um Pôster para Ensinar Física de Partículas na Escola, Física na Escola 2 (1), 13 (2001).

Beatriz Alvarenga, A Relevância do Ensino da Física Atômica e das Partículas Elementares no Currículo do 2o. Grau, em “Do Átomo Grego à Física das Interações Fundamentais”, editado por F. Caruso e A. Santoro, 2ª edição (CBPF, Rio, 2000). 7. “Do Átomo Grego à Física das Interações Fundamentais”, editado por F. Caruso e A. Santoro, 2ª edição (CBPF, Rio, 2000).