Modelos Atômicos – Sequência Histórica

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1 Modelos Atômicos – Sequência Histórica
O 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

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O Átomo Nuclear de Rutherford

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O Átomo Moderno 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.

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O Átomo Moderno 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

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O Átomo Nuclear de Rutherford

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O Átomo Moderno Estrutura Planetária Dilema do Átomo Estável Duas possibilidades do estado de movimento do elétron: (1) Estacionário; (2) Em movimento

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O Átomo Moderno (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

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O Átomo Moderno (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

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O Átomo Moderno Conclusão: modelo planetário incorreto Dilema para os cientistas do início do século XX; Hoje, sabe-se: Algo errado com a Física Clássica:

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O Átomo Moderno 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;

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O Átomo Moderno 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.

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O Átomo Moderno

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O Átomo Moderno 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

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Refração e Dispersão do raio de Luz Branca

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O Átomo Moderno Espectroscopia Neste momento cabe um parênteses: Diferença: Espectro contínuo; Espectro de absorção; Espectro de emissão.

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O Átomo Nuclear de Rutherford

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O Átomo Moderno 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

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O Átomo Nuclear de Rutherford

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Espectro Contínuo Espectro de Absorção Espectros de Emissão

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O Átomo Moderno 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.

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O Átomo Moderno 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

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O Átomo Moderno Espectroscopia As diferentes equações para (as diferentes séries), podem ser combinadas em apenas uma equação: Séries Lyman: n1 = n2 = 2, 3, 4, 5, ..., Séries Balmer n1 = n2 = 3, 4, 5, 6, ..., Séries Paschen: n1 = n2 = 4, 5, 6, 7, ..., Séries Bracket: n1 = n2 = 5, 6, 7, 8, ..., Séries Pfund: n1 = n2 = 6, 7, 8, 9, ...,

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O Átomo Moderno 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)

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O Átomo Moderno 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

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O Átomo Moderno 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;

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O Átomo Moderno Radiação do Corpo Negro Informações experimentais cruciais: 1893 (Lei de Wein): -T: temperatura em Kelvin; -c2 (segunda constante de radiação) = 1,44 x 10-2 K.m

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O Átomo Moderno Radiação do Corpo Negro 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?

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O Átomo Moderno Radiação do Corpo Negro 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.

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O Átomo Moderno Radiação do Corpo Negro 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 J.s - Se os átomos, ao oscilar, transferem a energia E para a vizinhança: - detecta-se radiação de frequencia:

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O Átomo Moderno Radiação do Corpo Negro Solução para o problema da catástrofe do ultravioleta 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):

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O Átomo Moderno Radiação do Corpo Negro Solução para o problema da catástrofe do ultravioleta 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