Biofísica
Modelos Atômicos e Espectroscopia
Prof. Dr. Walter Filgueira de Azevedo Jr.
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BIOFÍSICA
Resumo
 Modelos de atômicos de J. J. Thomson e de Rutherford
 Modelo do átomo de hidrogênio de Bohr
 Níveis de energia
 Espectros atômicos
 Espectro de absorção
 Espectro de emissão
 Fluorescência
 Bioluminescência
 Fosforescência
 Microondas
 Referências
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BIOFÍSICA
Modelo e J. J. Thomson
Elétrons
Núcleo positivo
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BIOFÍSICA
Modelo de Rutherford
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BIOFÍSICA
Modelo de Bohr
Raio da órbita do elétron no nível n:
rn = n2r1
r1 = 0,53 Å
Para a primeira órbita, o estado fundamental
do átomo temos (n=1):
r3
r2
r1
r1 = 0,53 Å
Para a segunda órbita (n=2):
r2 = n2.0,53 Å = 22.0,53 Å = 4.0,53 Å = 2,12 Å
E assim podemos determinar o raio da órbita
para qualquer estado.
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BIOFÍSICA
Modelo de Bohr
Energia do elétron no nível n:
En = - 13,6 eV
n2
r3
r2
Para o nível 1 ( estado fundamental do átomo)
temos (n=1)
r1
En = - 13,6 eV = -13,6 eV
12
Para o nível 2, n=2, temos:
En = - 13,6 eV = -3,4 eV
22
e assim podemos calcular para qualquer nível.
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Fóton é emitido com energia
E = hf
BIOFÍSICA
Espectros Atômicos
Segundo o modelo atômico de Bohr, a radiação eletromagnética é emitida ou
absorvida, quando um elétron faz uma transição de uma órbita para outra.
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BIOFÍSICA
Espectro de Emissão
1
1
Ei  E f  13,6eV ( 2  2 )  hf
n f ni
13,6eV
Ei  
ni2
E2
E = h.f, onde h é constante
de Planck, e f a freqüência.
13,6eV
Ef  
n 2f
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E1
BIOFÍSICA
Níveis de Energia
0
n
-0,85
-1,51
n4
n3
n2
Energia (eV)
-3,40
Energia do elétron
no nível n para o átomo de H
En = - 13,6 eV
n2
-13,6
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n1
BIOFÍSICA
Fonte: www.biolum.org
Níveis de Energia (Exemplo)
Calcule o comprimento de onda da radiação emitida quando o elétron do átomo de
hidrogênio efetua uma transição de ni=2 para nf=1.
hc
hc
E  hf 
 E2  E1   

E2  E1
hc
(4,14.1015 )(3.108 )


 1,22.107 m  1220Å
13,6eV 13,6eV
 3,4  13,6


4
1
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BIOFÍSICA
Arranjo Experimental para Obter o
Espectro de Emissão
Prisma
Gás
excitado
Fenda
Placa fotográfica
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BIOFÍSICA
Espectro de emissão do ferro
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Emission_spectrum-Fe.png
Espectro de emissão do H
Fonte:http://projects.cbe.ab.ca/sss/science/physics/map_north/applets/hydrogenatom/applethelp/lesson/lesson.html
Arranjo Experimental para Obter o
Espectro de Absorção
Prisma
Fonte de luz
contínua
Gás
Fenda
Placa fotográfica
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BIOFÍSICA
Fluorescência
A energia luminosa, quando incide sobre matéria pode ser absorvida. A energia
contida na luz pode ser convertida em calor, energia química, ou excitar uma
molécula. Quando uma molécula absorve luz um dos seus elétrons é promovido a um
nível energético mais alto. Esse processo é rápido, levando em média 10-15s. O estado
excitado da molécula é altamente instável, e essa energia absorvida pode ser perdida
na forma de calor e emissão de um fóton de mais baixa energia. Normalmente o
estado excitado dura aproximadamente 10-8s, e, então desaparece por emissão de
fluorescência, dissipação de calor, o por absorção fotoquímica. Fluorescência e
conversão a calor levam o átomo ou molécula ao seu estado fundamental, o único
efeito líquido é a conversão da energia absorvida do fóton em calor e talvez um fóton
de mais baixa energia. O gráfico no próximo slide mostra a evolução temporal da
absorção e fluorescência.
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BIOFÍSICA
Fluorescência
Energia (eV)
Dissipação de calor
Fluorescência
E=h.f
Absorção
E’=h.f’
Estado
fundamental
10-13
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10-12
10-11
10-10
10-9
10-8
Tempo(s)
BIOFÍSICA
Fluorescência
Fonte: http://www.scienceofspectroscopy.info/
Fluorescência
Fonte: http://www.scienceofspectroscopy.info/
Fluorescência
Diversas moléculas biológicas emitem radiação de fluorescência característica. A
clorofila das folhas emite fluorescência na cor vermelha, as proteínas emitem
fluorescência na faixa do ultravioleta, devido à presença do aminoácido triptofano em
sua estrutura primária. Outro aspecto interessante da fluorescência é conhecido como
bioluminescência, que ocorre em diversos organismos, tais como vaga-lúmens e
diversas espécies de peixes, moluscos e bactérias. A bioluminescência é usada por
esses organismos para comunicação social, para propósito sexuais, mimetismo, para
repelir predadores e atrair presas.
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BIOFÍSICA
Bioluminescência
Oneirodes sp. (E. Widder)
Bactérias
Gaussia princeps (T. Frank)
Fonte: www.biolum.org
Fonte: www.biolum.org
Paraphyllina intermedia (E. Widder)
Bioluminescência
Chauliodus sloani (E. Widder)
Krill antártico
Lampyris noctiluca
Fonte: www.biolum.org
Fonte: www.biolum.org
Bactérias bioluminescentes
(http://www.erc.montana.edu/Bioglyphs/)
Bioluminescência
Em 1887 Raphael Dubois realizou um
experimento para o estudo das causas da
bioluminescência. Ele isolou as substâncias
químicas de um mexilhão bioluminescente.
Esse mexilão foi moído e dissolvido em água
fria. Nessa situação era possível observar e
emissão de luz por vários minutos, até que e
emissão acabava. Realizando o mesmo
experimento com água quente não havia
emissão de luz, contudo, ao adicionar o
conteúdo quente à água fria, que já havia
parado do emitir luz, o líquido voltava a emitir
luz. Ele chamou a substância ativa na água fria
de luciferase, e a substância na água quente de
luciferina.
Fonte: www.biolum.org
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BIOFÍSICA
Bioluminescência
Por que essa diferença de comportamento na água
fria e na água quente? No mexilhão temos as
substâncias luciferina e luciferase, a luciferase é
uma enzima que catalisa uma reação química de
quebra da luciferina, com liberação de energia
luminosa. No sistema com água fria as duas
moléculas estão intactas, e a luciferase pode
catalisar a reação de quebra da luciferina com a
emissão de luz. No caso da água quente a
luciferase está desnaturada, perdendo sua
atividade catalítica, contudo a luciferina, que não é
uma proteína, continua intacta, e ao ser adicionada
à água fria a mesma sofre quebra, devido à
presença da luciferase na água fria. A reação
química de quebra da luciferina está descrita no
próximo slide.
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Fonte: www.biolum.org
BIOFÍSICA
Bioluminescência
luciferina + ATP → luciferil adenilato + PPi
luciferil adenilato + O2 → oxiluciferina + AMP + luz
Fonte: www.biolum.org
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Luciferase
Fonte: www.biolum.org
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Bioluminescência
Luciferina de vaga-lume
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Coelenterazina(luciferina de cefalópodes)
BIOFÍSICA
Fosforescência
Outro processo pelo qual átomos e moléculas emitem luz, quando excitados é
conhecido como fosforescência. Experimentalmente, a fosforescência é diferenciada
da fluorescência pelo tempo envolvido do processo de emissão da luz. Geralmente a
fosforescência é mais demorada, levando tempo da ordem de milisegundos, enquanto
a fluorescência leva tempo da ordem de microsegundos.
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Fosforescência
Fonte: http://www.scienceofspectroscopy.info/
Fosforescência
Fonte: http://www.scienceofspectroscopy.info/
Microondas
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Microondas
Fonte: http://www.scienceofspectroscopy.info/
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BIOFÍSICA
Trabalho
Alguns níveis energéticos de um átomo hipotético com um elétron valem:
n
E(eV)
1
-15,60
2
-5,30
3
-3,08
4
-1,45
a. trace o diagrama de níveis de energia;
b. determine a energia necessária para ionizar o átomo;
c. calcule o comprimento de onda mínimo para transição que sai do nível n = 2 e
termina no nível 1.
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Referências
OKUNO, E., CALDAS, I. L., CHOW, C. Física para ciências biológicas e
biomédicas. Editora Harbra, 1986.
http://www.scienceofspectroscopy.info/
www.biolum.org
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