Estrutura da Matéria - pieter.westera/EstruturaAula04_1101.pdf · PDF...

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  • Estrutura da MatriaEstrutura da MatriaAula 4:

    Radiaes clssicas

    E-mail da turma: emufabc@gmail.comSenha: ufabcsigma

    https://sites.google.com/site/estruturabc0102/

    mailto:emufabc@gmail.com

  • 2

    Radiaes Clssicas

    1. Raios (Os do experimento de Rutherford):

    Raios energticos que no penetram muito fundo na matria, surgem em

    certos processos de decaimento radioativo.

    Hoje sabemos que consistem de ncleos de hlio (2 prtons + 2 nutrons).

    2. Raios (Os do experimento de Thomson):

    Menos energticos do que os raios , penetram mais fundo (p. e. alguns dm

    no ar, alguns mm no plstico). Se trata de eltrons.

    3. Raios :

    Penetram mais fundo ainda, so um tipo de radiao eletromagntica muito

    energtica.

    1899-1900: Rutherford e Villard separaram a radiao em 3 tipos:

  • 3

    Outra radiao eletromagntica: A Luz At o comeo do sculo XIX, a maioria dos cientistas acreditava que a luz era um fluxo de partculas emitido por uma fonte luminosa.

    Com base neste modelo, as partculas de luz estimulavam a viso ao penetrar no olho.

    O principal idealizador deste modelocorpuscular da luz foi Isaac Newton,sendo que o modelo apresentava umaexplicao simples para algumasobservaes experimentais j conhecidasna poca sobre a natureza da luz.

    Newton (1642- 1727)

  • 4

    Fenda

    Prisma

    Tela

    Tela

    Espelho

    Lmpada (luz branca)

    Espectro da radiao eletromagntica (Newton)

  • 5

    Modelo corpuscular (1672)

    Em 1665, Newton demonstrou que a luz branca, como a luz do Sol, ao passar por um prisma se decompe em luz de diferentes cores, formando um espectro como o arco-ris.

    Usando a hiptese corpuscular e as leis da mecnica, ele coneguiu explicar

    - A reflexo- A refrao- A disperso (a decomposio da luz ao atravessar um prisma)da luz.

    Tudo bem, mas houve outros fenmenos da luz que no podiam ser explicados pelo modelo corpuscular:- A interferncia- A difrao

  • 6

    Modelo ondulatrio (1678)Em 1678, o fsico holands Christiaan Huygens mostrou o modelo ondulatrio:

    A luz como onda.

    O modelo ondultorio explica corretamente a disperso, as leis de refrao e reflexo, a interferncia e a difrao, ento todos as propriedades da luz e fenmenos ticos conhecidos at ento, inclusive aqueles que no podiam ser explicados pelo modelo corpuscular.

    => A luz uma onda (por enquanto) Christiaan Huygens (1629-1695)

  • 7

    Modelo ondulatrio da luzMas se a luz uma onda, de que consiste a onda, ou seja, que grandeza fsica est oscilando e se propagando pelo espao numa onda de luz?

    Exemplos de outras ondas: Uma onda de som consiste de variaes de presso oscilando e se propagando.Uma onda no mar consiste de variaes do nvel da superfcie da gua, etc.Cada onda alguma grandeza fsica oscilando e se propagando pelo espao.

    No caso da luz, esta(s) grandeza(s) so campos eltrico e magntico.

    A luz uma onda eltromagntica, ou seja, a combinao de um campo letrico e um campo magntico oscilando e propagando-se pelo espao.

  • 8

    Modelo ondulatrio da luzEsse modelo ondulatrio da luz no foi aceito de imediato, pois, dentre outras argumentaes, temos que as ondas conhecidas na poca (som, ondas na superfcie da gua, etc.) eram ondas mecnicas e necessitavam de um meio para se propagar.

    Entretanto, a luz viaja do Sol at a Terra no vcuo.

    A partir de ento, vrios outros cientistas (Augustin Fresnel, Jean Foucault, dentre outros) desenvolveram experimentos e modelos que fortaleceram o modelo ondulatrio da luz.

    Em 1865, Maxwell fez previses matemticas de que a luz seria uma onda eletromagntica de alta freqncia.

    Estas previses foram confirmadas experimentalmente por Hertz em 1887.

  • 9

    Propagao de uma onda eletromagnticaOs campos eltrico e magntico so perpendiculares direo de propagao da onda e entre si, como mostrado neste desenho.

    A onda se propaga na direo ExB.

    !!! A onda existe no espao inteiro, no s no eixo x.

    As ondas eletromagnticas se propagam no vcuo com uma velocidade c (a velocidade da luz).

    0 = 4107 NA-2 = permeabilidade no vcuo

    0 = 8.8510-12 C2N-1m-2 = permissividade no v.

    => c 300'000 km/s = 3108 m/s

  • 10

    Freqncia e comprimento de onda

    Como a onda se propaga com a velocidade c pela distncia de um comprimento de onda, , no tempo de um perodo de oscilao, T = 1/f, fcil obter a relao entre e f:

    c = /T = f => = c/f ou f = c/

    O comprimento de onda inversamente proporiconal freqncia.

    Como visto no experimento de Newton, a luz branca a sobreposio de luz de todas as cores do arco-ris.

    A luz das diferentes cores do arco-ris se distingue pela freqncia / pelo comprimento de onda:Luz azul tem freqncia maior resp. comprimento de onda menor do que luz vermelha.

  • 11

    Reflexo e Refrao da Luz

    ReflexoQuando luz espelhado numa superfcie, os ngulos de incidncia e refleo so iguais:i = r

    RefraoQuando luz passa de um meio para um outro, a relao entre os ngulos de incidncia e refrao n

    1 sen i = n

    2 sen r

    onde n1,2

    so os ndices de refrao dos dois meios. Quanto maior o ndice de refrao de um material, tanto menor a velocidade da luz v no material: v = c/n(no vcuo, n=1).

  • Porque a luz se separa num prisma?

    Os ndices de refraodos materiais dependemda freqncia (da cor) daluz.

    Por isto, o ngulo derefrao na entrada(e na sada) do prismadepende da cor.

    => Luz com coresdiferentes defletida emdirees diferentes ao passar pelo prisma.A luz separada por freqncia resp. por comprimento de onda

  • 13

    InterfernciaQuando duas ondas se sobrepoem, elas se amplificam em certos lugares (interferncia construtiva), e se cancelam em outros lugares (i. destrutiva), assim criando um padro de interferncia.

  • 14

    Exemplo de um padro de interferncia de duas ondas de luz numa tela.

    As duas ondas so produzidas pela passagem da luz de uma nica fonte por duas fendas.

    Para ver o padro de interferncia, a luz tem que ser monocromtica, q. d. de uma nica freqncia resp. cor.

    Interferncia

  • Espectro de comprimentos de onda da luz visvel

  • Espectro de comprimentos de onda da luz visvel

  • 17

    Costuma-se classificar a radiao eletromagntica pelo seu comprimento de onda.Quanto maior a freqncia / menor o comprimento de onda,tanto mais energtica a radiao.

    Espectro da radiao eletromagntica

  • 18

    A luz visvel ocupa somente uma poro do espectro eletromagntico.Existe radiao EM menos energtica do que a luz visvel:ondas rdio, micro-ondas e radiaao infravermelha.Tambm existe radiao EM mais energtica do que a luz visvel:Radiao ultravioleta, raios X e raios .

    Espectro da radiao eletromagntica

  • 19

    Espectro da radiao eletromagntica

  • 20

    Aspectos do Espectro eletromagntico

    Um homem com a mo num saco de lixo visto no tico.

  • 21

    Aspectos do Espectro eletromagntico

    A mesma fto no infravermelho.

  • 22

    Aspectos do Espectro eletromagntico

    Materiais que so opacos para um certo comprimento de onda podem no ser para outro (saco de plstico).

    Materiais que so transparentes no espectro visvel podem ser opacos em outra regio do espectro (culos)

    Seres humanos emitem radiao na regio do infra-vermelho.

  • 23

    Linhas Espectrais

    William Hyde Wollaston (1766-1828): Em 1802, observou que passando a luz por uma fenda, e depois por um prisma, apareciam algumas linhas escuras no espectro, que ele interpretou como o limite das cores.

    Joseph von Fraunhofer (1787-1826): At 1826, esse fabricante de instrumentos de vidro, j havia contado 574 linhas escuras no espectro solar, chamadas depois de linhas de Fraunhofer.

  • 24

    As Linhas de Fraunhofer

    Em certas freqncias discretas, a luz do Sol mais fraca do que em freqncias vizinhas, devido absoro nas camadas exteriores do Sol.

    Estas linhas se chamam delinhas de absoro.

    Espectro solar

  • 25

    As Linhas de Fraunhofer

    Os comprimentos de onda das linhas de absoro trazem informaes sobre a composio qumica da atmosfera do Sol.

    Cada elemento qumico tem o seu prprio espectro de linhas de absoro.

    Espectro solar

  • 26

    Fenda

    Prisma

    Tela

    Na tela: Espectro de absoro de hidrognio.

    Espelho

    Gs Frio,por exemplo, H

    2

    Absoro atmica

    Lmpada (luz branca)Espectros de absoro tambm podem ser produzidos no laboratrio.

  • 27

    Emisso atmica- Em 1856, Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) inventou o bico de gs (conhecido hoje como bico de Bunsen).

    - Quando um elemento qumico era colocado sobre a chama, a chama adquiria uma certa colorao-

    - Nesse mesmo ano, Gustav Robert Kirchhoff sugeriu que as cores seriam melhor identificas se passadas atravs de um prisma.

    Eles descobriram que os elementos qumicos aquecidos irradiam apenas em certas freqncias discretas, as linhas de emisso.

  • 28

    Emisso atmica

    Kirchhoff e Bunsen descobrem que cada elemento apresenta uma srie de linhas diferentes, ou seja, cada tomo emite radiao eletromagntica em freqncias caractersticas, o seu espectro de linhas de emisso.

    Exemplos

    Oxignio, VermelhoSdio, Amarelo

    Hidrognio, VerdeFerro, Azul

    Clcio, Violeta

  • 29

    Emisso atmica

    Tubo de descarga de

    gs preenchido

    com Na Fenda

    Prisma

    Tela

    Na tela: Espectro de emisso de sdio

    Espectro do sdio

  • 30

    Emisso atmica

    Tubo de descarga de

    gs preenchido

    com H2

    Fenda

    Prisma