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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