Capítulo 41 Tudo sobre átomos.

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1 Capítulo 41 Tudo sobre átomos

2 Os átomos No início do século XX havia dúvida sobre existência deles.
Hoje criamos átomos e substâncias compostas (compósitos) manipulando átomos.

3 Os átomos Galáxia DNA ...

4 Partículas .... Molécula 10-9 m Atom 10-10 m Núcleo 10-14 m
Proton m Eletron < m Quark < m -e

5 Algumas propriedades dos átomos
Os átomos são estáveis Os átomos se combinam entre si Ge Sólidos Moléculas

6 Átomos podem ser agrupados em famílias

7 Átomos podem ser agrupados em famílias

8 Experimento de Franck-Hertz
1914, James Franck & Gustav Hertz

9 Os átomos emitem e absorvem luz
absorção emissão

10 Os átomos possuem momento angular e magnetismo
- z momento angular momento magnético Visão clássica pictórica

11 O experimento de Einstein-de Haas
O momento angular intrínsico de spin tem a mesma natureza do momento angular orbital. Albert Einstein Wander Johannes de Haas 1915

12 O experimento de Einstein-de Haas
.

13 O spin do elétron O elétron possui momento angular intrínseco, o “spin”, e um momento de dipolo magnético intrínseco. “pseudo-vetor” ou dual Teoria quântica do spin: P. A. M. Dirac (1929)

14 Spintronics

15 Estados quânticos do elétron em um átomo

16 Momento angular e momento magnético
Momento angular orbital: Momento magnético orbital:

17

18 Estes vetores não podem ser medidos diretamente, somente suas componentes.
(ang. semiclássico)

19 Momento angular de spin:
Momento magnético de spin:

20 Estes vetores não podem ser medidos diretamente, somente suas componentes

21 Soma dos momentos angulares orbitais e de spin
Átomo com mais de 1 elétron: momento angular total número atômico z Como:

22 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?

23 Experimento de Stern-Gerlach (1922)
Otto Stern Walther Gerlach

24 A força magnética que age sobre um átomo de prata , Ag: [Kr] 4d10 5s1
pois q=0 (átomo) Potencial de um dipolo magnético em campo magnético: A força então é: Classicamente de –m a +m

25 A surpresa

26 O significado dos resultados

27 Ressonância magnética (nuclear)

28 hf E antiparalelo paralelo

29 Espectro de ressonância magnética nuclear do etanol
CH3-CH2-OH CH3 OH CH2

30 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.

31 Princípio de Exclusão de Pauli
“dois elétrons confinados num mesmo estado de energia não podem ter o mesmo conjunto de números quânticos.”

32

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:

34 The Spherical Harmonics Gallery Page Quantum Chemistry Group
is offered to you by the Quantum Chemistry Group Departamento de Química Física y Analítica Universidad de Oviedo, Oviedo, Spain -3 -2 -1 ml=0 1 2 3 l=0                    l=1 l=2 l=3 The spherical harmonics A spherical harmonic ,             , is a single-valued, continuous, bounded, complex function of the angular coordinates   and   . They play an important role in quantum mechanics as the eigenfunctions of the angular momentum operators     and    . Alternatively, the spherical harmonics are a complete basis for the irreducible representations of the infinite rotations group     . Depicting the complex functions would require four dimensions. We can represent, however, the real combinations of spherical harmonics defined as:

35 Neônio 10 elétrons 1s2 2s2 2p6 Não possui elétrons desemparelhados
Gases Nobres

36 Sódio 11 elétrons 1s2 2s2 2p6 3s1 elétron de valência Metais Alcalinos

37 Cloro 17 elétrons 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 NaCl, LiF, KBr, …

38 Ferro 17 elétrons 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d 6 4s2

39 Os espectros de raios X dos elementos

40 O espectro contínuo de raios X
lmin

41 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?

42 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?

43 O espectro característico de raios X

44 Os espectros de raios X dos elementos

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46 O espectro contínuo de raios X
lmin

47 Verificação O comprimento de onda da linha espectral Ka do espectro de raios X do cobalto (Z=27) e 179 pm, aproximadamente. O comprimento de onda da linha Ka do níquel (Z=28) e maior ou menor que 179 pm?

48 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?

49 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?

50 A Lei de Moseley Henry G. J. Moseley ( )

51 O gráfico de Moseley Para o hidrogênio:
Para átomos com mais de 1 elétron: Para Ka:

52 Verificação O comprimento de onda da linha espectral Ka do espectro de raios X do cobalto (Z=27) e 179 pm, aproximadamente. O comprimento de onda da linha Ka do níquel (Z=28) e maior ou menor que 179 pm?

53 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

54 Características da luz laser
Monocromaticidade Coerência Direcionalidade Focalização

55 Como funcionam os lasers
Absorção Emissão espontânea Emissão estimulada

56 Condições Antes: at. em equilíbrio térmico (Boltzmann) Ex E0
Einstein (1916): prob. absorção = emissão estimulada

57 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.

58 Como funcionam os lasers

59 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

60 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?

61 Aplicações Pesquisa estudo de interfaces detecção de moléculas as
fabricação de óxidos complexos, nanopartículas Medicina cirurgia ocular dermatologia odontologia Comercial leitores de código de barras (1974) telecomunicações Industrial corte solda

62 dots Átomos Artificiais Não

63 Armadilhas retangulares com mais de um elétron
Armadilha unidimensional: Curral retangular: Caixa retangular: x y z Ly Lx x y z Ly Lx Lz Não

64 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 Não

65 Diagrama para um elétron
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 Não Possíveis transições

66 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 Não

67 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 Não

68 Aplicações no dia a dia Impressora a laser Não

69 Aplicações no dia a dia CD-driver / blu-ray Não

70 Aplicações no dia a dia O leitores de códigos de barra Não

71 Aplicações no dia a dia Não antes depois Medicina e odontologia
Palomar Q Yag 5 antes depois Medicina e odontologia Não

72 Aplicações industriais
Não

73 A máquina de corte a laser
Não

74 A cabeça de corte Não