Estrutura Atômica – Átomo de Bohr | Física e Vestibular
Breve histórico da descoberta do átomo
A partir dos anos 1600 do século atual, a busca do átomo se tornou um exercício experimental para
diversos cientistas notáveis entre eles estão Robert Boyle, John Dalton, JJ Thomson, Ernest Rutherford e Niels Bohr.
Boyle realizou experimentos com raios catódicos (final do século XIX) cuja consequência foi a descoberta do elétron carregado negativamente e as origens das primeiras noções da estrutura destes átomos indivisíveis. Thomson propôs um modelo, sugerindo
que o átomo tivesse uma estrutura semelhante a um pudim de ameixa, ou seja, um fluído com carga positiva (homogêneo e quase esférico) no qual as passas dispersas sobre o pudim de ameixa são comparados aos elétrons carregados negativamente imerso em uma geléia de carga positiva.
Experimentalmente, Rutherford concluiu que o átomo era constituído de uma parte central positiva muito pequena, mas de grande massa que denominou de núcleo e uma parte envolvente negativa e relativamente enorme, a eletrosfera.
A dimensão do núcleo era anormalmente pequena em comparação com o real tamanho do átomo.
Em 1913, Neils Bohr aperfeiçoou o modelo nuclear de Rutherford, concluindo que os elétrons estavam presentes em órbitas fora do núcleo e que essas órbitas eram específicas de raio fixo, cada uma caracterizada por níveis energéticos bem definidos. Segundo Bohr, existem estados estacionários nos quais os elétrons possuem órbitas estáveis, ou seja, podem permanecer nelas indefinidamente, sem perder energia. Essa é tanto maior quanto mais longe o elétron estiver do núcleo, ou seja, quanto mais afastada for sua órbita.
A presença dessas órbitas energéticas, permitiu a Bohr a construção de um novo modelo atômico com as seguintes características:
Cada elétron só pode ocupar determinada órbita circular sempre com a mesma energia, que permanece indefinidamente, sem irradiá-la.
Essas órbitas correspondem a situações estáveis, denominadas de estados estacionários.
A quantidade constante de energia de cada órbita é tanto maior quanto mais longe o elétron estiver do núcleo, ou seja, quanto mais afastada for sua órbita.
Então, quando o elétron retorna à órbita original ele deve liberar a mesma quantidade de energia recebida e o faz sob forma de energia luminosa, ou seja, emitindo um fóton.
A seqüência de figuras abaixo ilustra essa situação, para um átomo de hidrogênio. Na figura I você vê um átomo em repouso, com
um elétron girando em torno de seu núcleo.
Na figura II você vê que um fóton, proveniente do meio exterior, colidir com esse elétron, transferindo-lhe energia, o que faz com que ele salte para uma órbita mais externa, conforme mostra a figura III.
Porém, em sua nova órbita, o elétron está fora de sua posição de equilíbrio. E como a natureza busca incessantemente o equilíbrio, o elétron salta novamente para sua órbita original, o que faz com que a energia seja liberada através da emissão de um fóton luminoso.
Como a energia dos fótons só se encontra na natureza em forma de pacotes quantizados e de valores determinados, fornecidos por E = h.f, o elétron só pode transferir energia para órbitas determinadas.
Se o elétron mudar de um estado estacionário para outro, de energia diferente haverá a emissão de um fóton, e sua frequência será dada por f = (Einicial – Efinal)/h ou (Einicial – Efinal) = h.f.
As órbitas do elétron são restritas, isto é, nem todas as órbitas são permitidas em qualquer situação. A restrição é que o momento angular do elétron é necessariamente quantizado, ou seja, é um múltiplo de um valor fundamental.
Para saber as frequências permitidas, na equação de Bohr será necessário conhecer as energias dos diversos estados estacionários em que um átomo de hidrogênio pode existir.
Esse cálculo foi efetuado, pela primeira vez, por Bohr baseando-se em um modelo específico do átomo de hidrogênio por ele imaginado.
O modelo de Bohr teve sucesso apenas no caso do átomo de hidrogênio, mas mesmo assim influenciou muito o desenvolvimento posterior na Física Quântica.
Para o átomo de hidrogênio(um único elétron girando em órbita circular em torno de um único próton que se encontra no núcleo), a equação de Bohr, que permite calcular o nível energético de cada órbita n, é expressa por:
Como cada transição eletrônica (salto quântico, pulo entre dois níveis de energia) é quantizada, a energia do fóton emitido ou absorvido também é quantizada e consequentemente o comprimento de onda e a freqüência também o são. Assim, cada frequência de cada fóton emitido ou absorvido tem uma freqüência determinada e fixa para aquele átomo e para aquele salto quântico. Cada transição eletrônica entre átomo contribui para a produção de uma linha individual no espectro daquele elemento.
Observe na figura I acima que os intervalos entre os níveis de energia não são constantes, pois à medida que aumenta o valor de n, se afastando do núcleo, diminui a variação de energia entre dois níveis energéticos consecutivos.
A energia de cada transição genérica de nível ninicial (ni) a nfinal (nf) é fornecida por:
Para calcular o comprimento de onda λ (Einicial – Efinal)=ΔE=h.f c=velocidade da Luz = λ.f
F = c/λ ΔE = h.(c/λ) λ comprimento de onda do fóton emitido ou absorvido.
Outra relação matemática ΔE = h(c/λ) ΔE = mc2 mc2 = (hc/λ) mc = Q = h/λ quantidade de movimento.
Um átomo emite um fóton luminoso quando o elétron salta novamente para sua órbita original, de níveis de energia mais baixos, o que faz com que a energia seja liberada através da emissão de um fóton luminoso.
A fissão nuclear consiste numa reação que se inicia com o choque de um nêutron com um núcleo instável que proporciona a quebra deste último e, por este motivo, é chamado de fissão nuclear (divisão do núcleo).
A Fusão Nuclear é o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número
O principal tipo de fusão que ocorre no interior das estrelas é o de Hidrogênio em Hélio, onde dois
prótons se fundem em uma partícula alfa (um núcleo de hélio), liberando dois pósitrons, dois neutrinos e energia.
Um buraco negro é o que sobra quando morre uma gigantesca estrela, no mínimo 10 vezes maior que o nosso Sol.
Uma estrela é um imenso e incrível reator de fusão. As reações de fusão, que ocorrem no núcleo,
funcionam como gigantescas bombas, cujas explosões impedem que a massa da estrela se concentre numa região pequena.
O equilíbrio entre as forças oriundas das explosões e as de origem gravitacional define o tamanho da estrela.
Quando o combustível para as reações se esgota, a fusão nuclear é interrompida.
Ao mesmo tempo, a gravidade atrai a matéria para o interior da estrela, havendo compressão do núcleo, que se aquece muito.
O núcleo termina por explodir, arremessando para o espaço matéria e radiação.
O que fica é o núcleo altamente comprimido e extremamente maciço. A gravidade em torno dele é tão forte que nem a luz consegue escapar. Esse objeto literalmente desaparece da visão.
O nome "corpo negro" foi introduzido por Gustav Kirchhoff em 1860 e, em Física, é um corpo que absorve toda a radiação que nele incide não refletindo a luz e nem se deixando atravessar por ela.
É um absorvedor ideal, sua absorvidade é a = 1 e sua refletividade é nula r = 0. Como todo bom absorvedor é bom emissor, ele é também emissor ideal e sua emissividade é e = 1.
O nome acima foi criado por um físico escocês no século 19, Lord Kelvin com a finalidade de medir os desvios de proporção na composição da luz branca.
Para isso, ele imaginou um hipotético objeto totalmente negro chamado por ele de 'corpo negro', porque absorveria 100% de qualquer luz que incidisse sobre ele que, ao ser aquecido, passaria a emitir luz, pois todo bom absorvedor é também bom emissor.
E, além disso, a luz emitida por esse "corpo negro" iria mudando gradualmente de cor.
A analogia foi feita com um pedaço de metal (teórico corpo negro) que ao ser aquecido mudava de
cor começando com o vermelho e passando pelo amarelo, pelo branco e pelo branco azulado, conforme você pode observar na escala de temperatura de cor acima.,A à qual deu seu nome e
Quando um corpo negro é aquecido, ele se torna uma fonte ideal de radiação térmica e de radiação eletromagnética.
Um corpo negro a uma temperatura T emite exatamente os mesmos comprimentos de onda e intensidades que estariam presentes num ambiente em equilíbrio térmico em T.
Como a radiação em tal ambiente possuiria um espectro dependente apenas de sua temperatura, a temperatura do objeto está diretamente associada aos comprimentos de onda que emite.
Em temperatura ambiente, corpos negros emitem infravermelho, mas à medida que a temperatura aumenta algumas centenas de graus Celsius, corpos negros começam a emitir radiação em comprimentos de onda visíveis: começando no vermelho, passando por amarelo, branco e finalmente acabando no azul, após o qual a emissão passa a incluir crescentes quantidades de ultravioleta.
A radiação emitida por um corpo negro mostrou uma falha na teoria clássica, que explicava as emissões satisfatoriamente apenas em baixas temperaturas.
O estudo das leis de corpos negros levou ao surgimento da mecânica quântica.
stabeleceu que à temperatura de 1.200 K (graus Kelvin) o corpo negro tornaria vermelho. E q
quanto mais aquecido, mais sua tonalidade se alterava, correspondendo a temperaturas intee
Variação a intensidade da radiação emitida por um corpo negro em função do comprimento de onda para algumas temperaturas.
e temperatura. A escala Kelvin, Assalém de utilizada na representação de cores, é uma das escalas utilizadas para medir quaisquer temperaturas. Nesta escala, o valor zero é associado à
A figura abaixo mostra como varia a intensidade da radiação emitida por um corpo negro em funçãodo comprimento de onda para algumas temperaturas temperaturas. correspondente ao c hamado "zero absoluto". Esta temperatura corresponde a -273,3 graus na escala Celsius de tO que você deve saber, O que você deve saber, informações e dicas
r O modelo atômico de Bohr tem as seguintes características:
Um átomo armazena energia fazendo seus elétrons saltarem de uma órbita mais interna (de menor potencial de energia) para uma órbita mais externa (de maior potencial de energia).
(Einicial – Efinal) = ΔE = h.f c = velocidade da luz=λ.f f = c/λ ΔE = h.(c/λ) λ (comprimento de onda do fóton emitido ou absorvido).
Outra relação matemática ΔE=h.(c/λ) ΔE=mc2 mc2=hc/λ mc = h/λ = Q ( quantidade de movimento).
Os raios X, descobertos em 1895 pelo físico alemão Wilhelm Rontgen, são produzidos quando elétrons são desacelerados ao atingirem um alvo metálico de alto ponto de fusão como, por exemplo, o Tungstênio. Essa desaceleração produz ondas eletromagnéticas de alta freqüência denominadas de Raios X, que atravessam a maioria dos materiais conhecidos e impressionam chapas fotográficas.
A imagem do corpo de uma pessoa em uma chapa de Raios X representa um processo em que parte da radiação é absorvida pelo corpo, e os claros e escuros da imagem representam, respectivamente, os tecidos mais e menos absorvedores de radiação.
Assim, nas radiografias os ossos saem brancos e tecidos em volta negros isso ocorre porque o osso, cuja estrutura é mais densa que a do tecido mole, absorve mais radiação ficando com aparência clara enquanto que o tecido mole, menos denso, é atravessado pelos raios X, ficando com aparência mais escura.
Você deve conhecer e entender os conceitos de corpo negro, buraco negro, fusão e fissão nuclear fornecidos acima.
Alguns exercícios interessantes que seria conveniente para você conferir as resoluções:
01-(UFJF-MG)
Observe que para saltar do nível 1 (n1) para o nível zero (n∞), onde o elétron se ioniza, foram gastos (E1 – E∞) = │-13,6 – 0│= 13,6 eV como recebeu 20 eV e gastou 16,3 eV, vão sobrar 20,0 – 13,6 = 6,4 eV
Lembre-se de que a velocidade de todas as cores e de todas as radiações eletromagnéticas é sempre a mesma no vácuo e, aproximadamente no ar (3,0.108m/s) cada cor tem velocidades diferentes em outros meios homogêneos e transparentes (vidro, água, etc.).
A energia de cada cor é diretamente proporcional à freqüência (f) e inversamente proporcional ao comprimento de onda (λ), pois ΔE = h.(c/λ) = h.f da tabela, o menor λ, a mais energética é a violeta.
03-(UFC-CE) Na figura, as flechas numeradas de 1 até 9 representam transições possíveis de ocorrer entre alguns níveis de energia do átomo de hidrogênio de acordo com o modelo de Bohr.
Para ocorrer a transição, o átomo emite (ou absorve) um fóton cuja energia │ΔE│= h(c/λ), onde (h é a constante de Planck, λ é o comprimento de onda do fóton e ΔE é a diferença de energia entre os dois níveis envolvidos na transição).
Suponha que o átomo emite os fótons X e Y, cujos comprimentos de onda são, respectivamente, λx = 1,03.10-7 m e λy = 4,85.
10-7m.
As transições corretamente associadas às emissões desses dois fótons são (use h = 4,13.10-15 eV.s e c = 3,0.108 m/s).
c) 3 e 9
d) 5 e 7
│ΔE│x = h(c/λ) = 4,13.10-15.(3.108/1,03.10-7) │ΔE│x = 12,03 eV.
│ΔE│y= h(c/λ) = 4,13.10-15. (3.108/4,85.10-7) │ΔE│y = 2,55 eV.
Os valores mais próximos são de 2 e 6 │ΔE2│ = 13,6 – 1,51 = 12,09 eV │ΔE6│ = 3,40 – 0,85 = 2,55 eV.
Se você quiser se aprofundar e dominar melhor o assunto eu separei algunas exercícios para que você possa analisar as resoluções. São os exercícios de números 02, 04, 08, 09, 11, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 29 e 39.