Estrutura Atmica IO espectro eletromagnticoModelos atmicosO experimento de Faraday e a natureza eltrica da matriaOs experimentos de Thomson e a descoberta do eltronO experimento de MillikanModelo de ThomsonModelo de RutherfordRadiao de corpo negro e a hiptese de PlanckO efeito fotoeltricoEspectros atmicosO modelo de Bohr

O espectro eletromagntico

chhE foton ==

O espectro eletromagntico

Modelo ondulatrio

Equaes de Maxwell

Onda senoidal, campos E e M

Modelo corpuscular (ftons)

Fton de energia E = h

O espectro eletromagntico

O espectro eletromagntico

Espectroscopia

Estudo da interao entre radiao (luz ou partculas) e a matria.

Historicamente, o termo se referia ao uso da luz visvel para o estudo da estrutura da matria e para anlises qualitativa e quantitativa. O termo atualmente utilizado de forma muito mais ampla para incluir outras formas de radiao.

A Natureza Eltrica da Matria

Faraday (1833)

A massa de uma dada substncia depositada sobre um eletrodo por uma quantidade fixa de eletricidade sempre a mesma.

A massa de diferentes materiais depositados, liberados ou dissolvidos sobre um eletrodo por uma quantidade fixa de carga sempre proporcional massa equivalente das substncias.

Exemplos:

Ag+

+ 96.489 C

Ag0

Cu2+

+ 192.978 C

Cu0

Ex.: Calcule a carga elementar

A Natureza Eltrica da Matria

Faraday (1833)

Estou convencido de que a fora que rege a decomposio eletroltica a mesma das atraes qumicas comuns.

O termo eltron: GJ Stoney (~1894, a partir de trabalhos desde 1874)

Partcula eltrica fundamental

Of the electron or atom of electricity, G Johnstone Stoney, Phil. Mag. Ser. 5, 38

(October 1894), p. 418-420

Para cada ligao qumica que quebrada dentro de um eletrlito uma certa quantidade de eletricidade atravessa o eletrlito, a qual a mesma em todos os casos.

Antes (Dalton, Newton, etc): tomos seriam partculas indivisveis, neutras...

A Condutividade eltrica de gases

Gases: normalmente isolantes

Baixas presses, altas voltagens: passagem de corrente eltrica

Ampolas de Crookes Tubos de raios catdicos

Os experimentos de Thomson

Raios catdicos: ondas viajando atravs do ter

ou partculas materiais?

Jean Perrin: cargas negativas

Emil Wiechert: m/z

muito pequena

J.J. Thomson (~1897)

Refino de experimentos prvios (melhor vcuo, etc)

Planejamento de novos experimentos

Coleta e anlise cuidadosas de dados experimentais

Raios catdicos so no apenas partculas materiais, mas de fato os constituintes fundamentais do tomo.

-

Como Thomson determinou isso?

Os experimentos de Thomson

Variao do experimento de Perrin

Deflexo dos raios catdicos com um magneto

Possvel separar a carga dos raios catdicos? Precursor do

espectrmetro de massas

Produo e deflexo de raios catdicos

Os experimentos de Thomson

Tentativas prvias de defletir os raios catdicos com campo eltrico haviam falhado

Hiptese: traos do gs no tubo estariam se tornando condutores pelos prprios raios

Excluso extrema de todo o gs dentro do tubo

DEFLEXO POR CAMPO ELTRICO!!!

VDEO: EXPERIMENTO DE THOMSON

A descoberta do eltron

No posso fugir da concluso de que raios catdicos so constitudos de cargas de eletricidade negativa, carregadas por partculas materiais.

Mas... o que so essas partculas? Seriam tomos, molculas, ou matria em um estado de subdiviso ainda mais fino?

A descoberta do eltron

Utilizando uma variedade de tubos e gases, e campos eltricos e magnticos, Thomson procurou determinar quanto os raios eram defletidos pelos campos, e quanta energia carregavam.

A partir destes resultados, pde-se determinar a razo

entre a massa da partcula e sua carga (m/z).

(Wiechert) m/z

para para raios catdicos muito menor que para um prton (fator > 1000).

Confirmaes posteriores da carga dos raios catdicos. Experimento de Millikan (a seguir)

A descoberta do eltron

Determinao da razo carga-massa

Eletrodo bombardeado com raios catdicos.

Mediu-se a corrente e o aumento da temperatura (capacidade calorfica do alvo conhecida)

2

2mvNW =

=

me

vWQ

2

2

W: energia descarregada pelos raios catdicosN: nmero total de partculasQ: carga totalv: velocidade das partculas, obtida medindo-se seu

desvio ao passar por um campo magntico de fora conhecida (experimental)

NeQ =

A descoberta do eltron

Thomson: J que os raios catdicos ... so desviados por uma fora eletrosttica, como se fossem negativamente eletrizados, e so influenciados por uma fora magntica da mesma forma como seria um corpo eletrizado negativamente, movendo-se ao longo do caminho dos raios, no vejo outra alternativa seno concluir que os raios catdicos so constitudos de cargas de eletricidade negativa, transportadas por partculas materiais.

A descoberta do eltron

Temos nos raios catdicos matria em um novo estado, em que a subdiviso da matria realizada muito mais intensamente que no estado gasoso comum; um estado em que toda a matria... de um mesmo tipo; esta matria sendo a substncia da qual todos os elementos qumicos so formados.

Hipteses:

Raios catdicos so partculas carregadas (corpsculos)

Estes corpsculos constituem o tomo

Estes corpsculos so os nicos

constituintes dos tomos

Inicialmente, controvrsia e ceticismo

Aceitao gradual, novos experimentos

A descoberta do eltron

Poderia alguma coisa parecer mais intil, primeira vista, que um corpo to pequeno cuja massa uma frao insignificante da de um

tomo de hidrognio?

J.J. Thomson

O experimento de Millikan

Minsculas gotas de leo so dispersas em uma cmara (vaporizador)

Gotas tornam-se carregadas (colises, atrito, radiao)

O movimento de uma das gotas monitorado

Resposta ao campo eltrico(a) E = 0

(queda livre)

(b) E

0

fora q.E

(contrria a g)

Pode-se determinar q

Sempre um mltiplo inteiro de 1,610-19

C

VDEO: EXPERIMENTO DE MILLIKAN

Modelo atmico de Thomson (1904)

Modelo:

Corpsculos negativamente carregados.

Massa (nuvem densa) de carga positiva.

Diferentes arranjos possveis.

Modelo refutado por Rutherford anos mais tarde...

On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of

Atomic Structure

by J.J. Thomson, FRSPhilosophical Magazine Series 6, Volume 7, p. 237-265 (March 1904)

O modelo de Rutherford (1911)

Experimento: Disperso de partculas alfa por folhas metlicas delgadas (por Marsden-Geiger, 1909)-

Partculas : ncleos de He (He2+)

Enquanto a maior parte das partculas passa pela folha sem se desviar ou com pequenos desvios, algumas so espalhadas com ngulos maiores

Energia cintica das partculas grande e conhecida

Os tomos deveriam apresentar foras eltricas enormes e positivas

Massas considerveis (massas pequenas seriam varridas pelas partculas)

Essas massas e cargas deveriam se concentrar em volumes limitados do espao

VDEO: EXPERIMENTO DE GEIGER-MARSDEN

Contraste com o modelo de Thomson

Eltrons poderiam ocupar o volume do tomo (d ~10-10

m)

Cargas positivas se concentrariam em um ncleo bem menor e mais pesado (~10.000 vezes menor que o tomo)

Problemas com o tomo de Rutherford

(De acordo com a Fsica Clssica...)

O tomo deveria ser instvel!(A) Eltron estacionrio

-

Atrao eletrosttica e colapso da estrutura(B) Eltron descreve uma rbita circular

-

Cargas aceleradas irradiam (perda de energia)-

Movimento espiralado em direo ao ncleo

Toda a matria deveria entrar em colapso em uma frao de segundo...

Seria a Fsica Clssica adequada para descrever sistemas atmicos?

Niels Bohr Postulados arbitrrios

(~1913)

Radiao do corpo negro

Teoria clssica da radiao:

Ondas EM (E, H oscilantes)

Energia ~ E2+H2

~ Intensidade

Experimento: Corpo aquecido

Emisso de luz

Distribuio no poderia ser explicada pelas teorias vigentes

Radiao do corpo negro (Clssica)

Lei de WiencmKT .288,0max =

Lei de Rayleigh-Jeans

Lei de Stefan- Boltzmann

4TVE

4

8 kT=

Radiao do corpo negro (Quntica)

Quantizao da energia (Planck, 1900)

Distribuio de Planck

( )

=

1exp18

5

kThc

hc

hchE === h

Rejeio de leis da fsica aceitas na poca

Hiptese: slido

composto por um grupo de tomos

oscilando com uma mesma freqncia

Energias so quantizadas

(E = nh)

O efeito fotoeltrico

2v21 mEh l +=

Einstein, 1905: Conceito de fton

O efeito fotoeltrico

No h emisso de eltrons se a frequncia da radiao for menor que um valor mnimo

A partir deste valor eltrons so emitidos com energia cintica crescente

Maior intensidade de luz libera mais eltrons

Problemas com a teoria clssica...

Espectros atmicos

Linhas espectrais

Srie de Balmer

1

22

109737

,...4,3,21211

=

=

=

cmR

nn

R

Note on the Spectral Lines of Hydrogen

Johann Jacob BalmerAnnalen der Physik und Chemie 25, p. 80 (1885)

=

22111

if nnR

Expresso Geral:

J. Rydberg

Sries de Lyman, Balmer, Paschen, Brackett, Pfund

410, 434, 486, 656 nm

Linhas espectrais

= 22

111

if nnR

Sries de Lyman, Balmer, Paschen, et al.

Frmula de Rydberg

O modelo de Bohr

Postulados

Raio e energia

Estrutura do tomo de hidrognio

Diagrama de energias e explicao dos espectros atmicos

O modelo de Bohr -

Postulados

Somente permitido ao eltron certos estados estacionrios, cada um dos quais possuindo uma energia definida

Nesses estados, o tomo no pode emitir radiao; emisso ou absoro pode ocorrer se o tomo passar de um estado para outro

O eltron se movimenta descrevendo uma rbita circular em torno do ncleo

Os estados eletrnicos permitidos so aqueles em que o momento angular do eltron quantizado em mltiplos de

h/2

Os dois primeiros postulados esto corretos e so mantidos pela teoria quntica atual. O quarto postulado est parcialmente correto. O terceiro postulado errado e no faz parte da teoria quntica moderna.

O modelo de Bohr

+

e

r

Ze( )

241

reZeF

o=

Se o eltron

uma partcula de massa m e carga e-

e o ncleo tem uma carga Ze (em que Z

o nmero de prtons), as duas partculas se atraem com uma fora dada pela Lei de Coulomb:

Sendo esta a nica fora atuando sobre o eltron,

a fora resultante e, pela segunda Lei de Newton:

rv2mmaF ==

(Movimento circular (orbital))

O modelo de Bohr

Energia

rv

41 2

2

2

mr

Ze

o

=

22

v4

1 mr

Ze

o

=

Energia Cintica:

rZemK

o

22

41

21v

21

==

Energia Potencial:

rZeV

o

2

41

=

Energia Total:

rZe

rZe

rZe

VKE

o

oo2

22

41

21

41

41

21

=

==

=+=

O modelo de Bohr

Raio

2v hnrm =

mrhn2

v =

22

2222

mr4hn

mr2nh

41

=

= m

rZe

o

r s

pode assumir os valores:

2

2

2

41

2 nmZe

h

r

o

=Substituindo a expresso para o raio quantizado na expresso da energia...

O modelo de Bohr : Energia (em funo do raio)

22

422

2 1

2

41

21

41

21

nh

eZm

rZeE o

o

==

Transio entre estados de energia quantizada:

hc

nnCh =

== 2

221

'12

11EE

O modelo de Bohr : Energia (em funo do raio)

On the Constitution of Atoms and Molecules

Niels BohrPhilosophical Magazine Serie 6 Vol. 26, 1-25 (1913)

O modelo de Bohr

Nmeros

Jnn

nnx

nnhemkE

)11(10.17,2

)11()10.62,6(

)106,1.()10.9(10.1,9.)14,3.(2

)11(2

22

21

18

22

21

234

41929312

22

21

2

422

=

==

==

041

=k

Energias das transies eletrnicas

O modelo de Bohr

Nmeros

122

21

7

22

21

834

18

)11(10.09,1

)11(10.99,2.10.62,6

10.17,21

=

==

mnn

nn

)529,0()10.29,5(4

22112022

22

nmnnamkenhr ====

hcE =

Nmero de onda e raio atmico

O modelo de Bohr

Nmeros

Nmero de onda e raio atmico

Zanr 0

2

=

)(6,13 22

eVn

ZET

=

n = 1, 2, 3, ...

53,00 =a

+

e

r

Ze

)(1017,2 2218

Jn

ZET

=

Qual o raio do tomo de hidrognio no estado fundamental?

O modelo de Bohr

Lei de Moseley

Estrutura Atmica IO espectro eletromagnticoO espectro eletromagnticoO espectro eletromagnticoEspectroscopiaA Natureza Eltrica da MatriaA Natureza Eltrica da MatriaA Condutividade eltrica de gasesOs experimentos de ThomsonOs experimentos de ThomsonOs experimentos de ThomsonA descoberta do eltronA descoberta do eltronA descoberta do eltronA descoberta do eltronA descoberta do eltronA descoberta do eltronO experimento de MillikanModelo atmico de Thomson (1904)O modelo de Rutherford (1911)Problemas com o tomo de RutherfordRadiao do corpo negro Radiao do corpo negro (Clssica)Radiao do corpo negro (Quntica)O efeito fotoeltricoO efeito fotoeltricoEspectros atmicosLinhas espectraisLinhas espectraisO modelo de BohrO modelo de Bohr - PostuladosO modelo de BohrO modelo de Bohr EnergiaO modelo de Bohr RaioO modelo de Bohr : Energia (em funo do raio)O modelo de Bohr : Energia (em funo do raio)O modelo de Bohr NmerosO modelo de Bohr NmerosO modelo de Bohr NmerosO modelo de BohrLei de Moseley