Capítulo 41
Tudo sobre átomos
41.1 Os átomos e o universo
Início do séc. XX
Hoje
dúvida sobre existência
substâncias compostas de átomos
manipulação de átomos
Experimento de Franck-Hertz
1914, James Franck & Gustav Hertz
41.2 Algumas propriedades dos
átomos
• Os átomos são estáveis
• Os átomos se combinam entre si
Ge
Sólidos
Moléculas
• Átomos podem ser agrupados em famílias
• Átomos podem ser agrupados em famílias
• Os átomos emitem e absorvem luz
E
emissão
E4
E3
E2
absorção
E1
• Os átomos possuem momento angular e
magnetismo
z
momento angular
Visão clássica
momento magnético
O experimento de Einstein-de Haas (1915)
Albert Einstein
Wander Johannes de Haas (1878-1960)
1915
O experimento de Einstein-de Haas
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41.3 O spin do elétron
Elétron – momento angular intrínseco
: spin
Existência do spin: George Uhlenbeck & Samuel Goudsmit
Teoria quântica relativística do spin: P. A. M. Dirac (1929)
Estados quânticos do elétron em um átomo
41.4 Momento angular e
momento magnético
Momento angular orbital:
Momento magnético orbital:
Estes vetores não podem ser medidos diretamente,
somente suas componentes
(ang. semiclássico)
Momento angular de spin:
Momento magnético de spin:
Estes vetores não podem ser medidos diretamente,
somente suas componentes
z
Soma dos momentos angulares orbitais e de
spin
Átomo com mais de 1 elétron:
momento angular total
número atômico
z
Como:
Verificação
Um elétron se encontra em um estado quântico no qual o módulo do
momento angular orbital
é
. Quantos valores são
permitidos para a projeção do momento magnético orbital do elétron
no eixo z?
41.5 O experimento de SternGerlach (1922)
Otto Stern
Walther Gerlach
A surpresa
A força magnética que age sobre um átomo de
prata
pois q=0 (átomo)
Potencial de um dipolo magnético em campo magnético:
A força então é:
Classicamente de –m a +m
O significado dos resultados
41.6 Ressonância magnética
(nuclear)
hf
E
antiparalelo
paralelo
Espectro de ressonância magnética nuclear do
etanol
CH3-CH2-OH
CH3
OH
CH2
Exercícios e problemas
19E. Qual é o comprimento de onda de um fóton capaz de produzir
uma transição do spin de um elétron em um campo magnético de
0,200 T ? Suponha que l=0.
41.7 O princípio de exclusão de
Pauli
Para partículas com s diferente de zero e diferente de número inteiro.
“dois elétrons confinados na mesma armadilha não podem
ter o mesmo conjunto de números quânticos.”
41.8 Armadilhas retangulares
com mais de um elétron
• Armadilha unidimensional:
z
• Curral retangular:
• Caixa retangular:
x
Ly
Lx y
z
Lz
x
Ly
Lx y
Determinação da energia total
Onze elétrons são confinados num poço 3D de potencial infinito
(caixa retangular) onde Lx=Ly=Lz=L. (a) Qual é a configuração
eletrônica do estado fundamental do sistema de 11 elétrons?
(b) Qual energia deve ser fornecida ao sistema para que ele passe
ao primeiro estado excitado e qual é a energia deste estado?
z
Lz
x
Ly
Lx y
Diagrama para 1 elétron
E
E2,2,2
E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1
E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1
E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1
E1,1,1
Possíveis transições
Configurações de energia do estado
fundamental e do 1o. excitado
E
fundamental
E2,2,2
E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1
E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1
E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1
E1,1,1
E
E
1o. excitado
E2,2,2
E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1
E2,2,2
E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1
E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1
E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1
E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1
E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1
E1,1,1
E1,1,1
41.9 Construção da tabela
periódica
Estados quânticos do elétron em um átomo
“todos os estados de uma subcamada têm a mesma energia”
subcamada (
Nomenclatura:
estados)
Neônio
10 elétrons
1s2 2s2 2p6
Não possui elétrons desemparelhados
Gases
Nobres
Sódio
11 elétrons
1s2 2s2 2p6 3s1
Metais
Alcalinos
elétron de valência
Cloro
17 elétrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
NaCl, LiF, KBr, …
Ferro
17 elétrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d 6 4s2
41.10 Os espectros de raios X dos
elementos
O espectro contínuo de raios X
lmin
Verificação
O comprimento de onda de corte lmin do espectro contínuo de raios
X aumenta, diminui ou permanece constante quando (a) a energia
cinética dos elétrons que incidem no alvo aumenta, (b) a espessura
do alvo aumenta, (c) o alvo é substituído por um outro com um
elemento de maior numero atômico?
Exercícios e problemas
36E. Qual a menor diferença de potencial a que um elétron deve
ser submetido em um tubo de raios X para produzir raios X com
um comprimento de onda de 0,100 nm?
O espectro característico de raios X
A ordem dos elementos
Henry G. J. Moseley (1887-1915)
O gráfico de Moseley
Para o hidrogênio:
Para at. + de 1 elétron:
Para Ka:
Verificação
O comprimento de onda da linha espectral Ka do espectro de
raios X do cobalto (Z=27) é 179 pm, aproximadamente. O
comprimento de onda da linha Ka do níquel (Z=28) é maior ou
menor que 179 pm?
41.11 O laser e a luz do laser
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
•1958 Previsão de condições para amplificação de luz por
emissão estimulada (Laser) por Charles H. Townes e Arthur L.
Schawlow (Nobel 1981)
•Julho 1960 Primeira operação bem sucedida de um maser
óptico (laser) por Theodore H. Maiman
Laser pulsado de rubi
(1960)
Theodore H. Maiman
Características da luz laser
• Monocromaticidade
• Coerência
• Direcionalidade
• Focalização
41.12 Como funcionam os lasers
Absorção
Emissão espontânea
Emissão estimulada
Condições
Antes:
at. em equilíbrio térmico (Boltzmann)
Ex
E0
Einstein (1916): prob. absorção = emissão estimulada
Condições
•Inversão de População
Nesta situação a emissão
estimulada domina sobre a
absorção estimulada.
•Emissão Estimulada
O fóton emitido está em fase com, tem
a polarização de, e se propaga na
mesma direção da radiação que o
estimulou.
Como funcionam os lasers
O laser de Hélio-Neônio
Fevereiro 1961 Ali Javan, W.R. Bennett
Jr. e D. R. Herriott - Laser He-Ne
contínuo (cw) 1152.3 nm
Mistura típica 0.8 torr de He e 0.1 torr
de Ne
Hoje em dia 632.8 nm
Exercícios e problemas
55E. Um átomo hipotético possui níveis de energia com uma
separação uniforme de 1,2 eV. A temperatura de 2000 K, qual é a
razão entre o número de átomos no 13o. estado excitado e o
número de átomos no 11o. estado excitado?
Desenvolvimentos
http://www.olympusmicro.com/primer/lightandcolor/lasersintro.html
Do micro
Ao macro
O laser NOVA (EUA)
Aplicações
Pesquisa
estudo de interfaces
detecção de moléculas
Medicina
cirurgia ocular
dermatologia
odontologia
Comercial
leitores de código de barras (1974)
telecomunicações
Industrial
corte
solda
Aplicações no dia a dia
A impressora a laser
Aplicações no dia a dia
O CD-driver
Aplicações no dia a dia
O leitores de códigos de barra
Aplicações no dia a dia
Palomar Q Yag 5
antes
Medicina e odontologia
depois
Aplicações industriais
A máquina de corte a laser
A cabeça de corte