DA TABELA PERIÓDICA AO
MODELO PADRÃO
Nelson Studart
Programa
 Átomos e Elementos
A Tabela Periódica: Padrão dos elementos químicos
 O elétron: a primeira partícula elementar
Experiência de Thomson
Experiência de Millikan
 Estrutura do átomo
Espectros de linha dos elementos químicos
Modelo de Rutherford-Bohr
A Tabela Periódica re-visitada
 Dualidade Onda-partícula
 As Interações da Natureza
Elétrons e fótons
Dentro do núcleo: Interações fortes e fracas
 Partículas elementares e o modelo padrão
Átomos e Moléculas
John Dalton (1766-1844)
Fundador da Teoria Atômica Moderna
1. Matéria é constituída de átomos individuais
2. Cada elemento químico é feito de átomos
idênticos de um tipo particular
3. Átomos são imutáveis
4. Elementos químicos podem se combinar para
formar compostos
5. Reações químicas re-arranjam átomos em
diferentes compostos, mas não mudam os
números de átomos de cada elemento
Conseqüência Imediata: A Lei das Proporções Múltiplas
New System of Chemical Philosophy (1808)
1 – Hidrogênio (H); 2 – Nitrogênio (N) ; 3
– Carbono (C)
4 – Oxigênio (O); 5 – Fósforo (P); 6
– Enxofre (S)
21 – Água (HO) – errado!
25 – CO; 28 – CO2;
23, 26, 27, 30 e 34 – Óxidos de
Nitrogênio
Mendeleev (1834-1907)
• Os elementos, se dispostos de acordo com seus
números atômicos, exibem uma evidente periodicidade
de propriedades
• Elementos similares com relação às suas propriedades
químicas possuem pesos atômicos que têm
aproximadamente o mesmo valor (p. ex. platina, irídio,
ósmio) ou aumentam regularmente (p. ex. potássio,
rubídio e césio)
• O arranjo dos elementos, ou dos grupos de elementos,
na ordem crescente de seus pesos atômicos, corresponde
às suas valências como também às suas distintas
propriedades químicas
• Os elementos mais abundantes possuem números
atômicos pequenos
• A intensidade do peso atômico determina o caráter do
elemento
• Deve-se esperar a descoberta de muitos elementos
desconhecidos – por exemplo, elementos análogos ao
alumínio e silício, cujos pesos atômicos encontram-se
entre 65 e 75
Magnésio
(1808)
Alumínio
(1825)
Silício (1824)
Fósforo (1669)
Cálcio (1808)
?
Titânio (1791)
Vanádio (1830)
Zinco (velho)
?
?
Arsênico (velho)
Estrôncio
(1808)
Ítrio (1843)
Zircônio (1789)
Nióbio (1801)
• O peso atômico de um elemento pode algumas vezes
ser alterado através do conhecimento daqueles de
elementos contíguos. O peso atômico do telúrio deve
estar entre 123 e 126, mas não pode ser 128.
• Certas propriedades características dos elementos
podem ser preditas a partir de seus pesos atômicos
(errado!)
A Tabela Periódica
O ubíquo elétron: A primeira partícula
“elementar” (1897)
Joseph John Thomson (1856-1940)
"There is no other branch of physics which affords
us so promising an opportunity of penetrating the
secret of electricity." J.J. Thomson, 1893
Raios Catódicos
Explorar a analogia entre
o movimento balístico e o
movimento do elétron sob
a ação de campo elétrico
uniforme
Conclusões dos experimentos de 1897
1. Raios catódicos são partículas carregadas (chamou de “corpúsculos”)
2. Estas partículas são constituintes do átomo (controvertida)
3. Estas partículas são as únicas constituintes dos átomos (Errado!)
e/m = 1,8 x 1011 C/kg
A experiência de Millikan
Robert Millikan (1868-1953)
Medida da velocidade terminal
Movimento unidimensional com
atrito viscoso
ma  qE  mg  6Rv
Espectro Contínuo da Radiação
Eletromagnética
Com a luz solar,
vemos todo o arco-íris
A região visível é uma
pequena porção o espectro
Linhas Espectrais
Vindo de um elemento químico
aquecido, a luz se decompõe em
linhas brilhantes de certas cores
Átomos emitem apenas ondas com certas freqüências!
É a “impressão digital” do elemento químico
Átomo de Rutherford
Ernest Rutherford
(1871-1937)
Átomo nucleado
Estimativa do tamanho do núcleo
R
A força age durante t 
v
Deflexão a grandes ângulos
2
zZe
RK
2
Mv
( ze )( Ze)
FK
R2
Momentum varia de
p  p
p  F
zZe2
Mv  K
Rv
R  2,3 10 m
14
R
v
Modelos Atômicos
(a) Thomson
(b) Clássico
(c) Bohr
W  E
Energia de ligação
e2 mv 2
W K 
r
2
mv 2
e2
K
r
r
Mas f  v / 2r
Sendo W = 13,6 eV
e2
rK
2W
mv 2
e2
W
K
2
2r
e
(2W )3 / 2
f 
2Ke2 m
r = 5,3 x 10-11 m e f = 6,58 x 1015 Hz
Modelo de Bohr
Estados Estacionários
h
L  mvr  n
2
A quantização do momento angular
4
2
e
m
L
W  K2 2 e r  2
2L
Ke m
h2
2 2 mK 4 e4 1
2
Wn 
r

n
h2
n 2 n 4 2 mKe2
O estado fundamental – W tem maior valor quando n = 1
Saltos quânticos
1 1
 0 2  2 
 n2 n1 
Wn  Wn  h
2
1
2 2 mK 2 e4
0 
h3
Níveis de Energia
Tabela Periódica Re-visitada
O Mistério da Carga Nuclear
Raios - X
A
Z
2
Espectroscopia de raios-X
Henry Moseley
(1887-1915)
Wilhelm Röntgen
(1845-1923)
Espectro de Raios - X
Freqüência da linha Ka
1 1

   0 (Z  1)  2  2 
1 2 
2
Dualidade Onda - Partícula
Radiação Eletromagnética
Partícula – Fóton g
Produção e Conversão
Momento p
Energia
E
Onda
Campos Elétrico e Magnético
Interferência - Difração
Comprimento de onda
l
Freqüência w  2
Elétron
Partícula (raios catódicos) - Onda (Difração)
E  h
p
h
l
Mecânica Quântica - Schrödinger
Equação de onda para o elétron no átomo de H: O espectro de Bohr
Estados quânticos:
Orbitais + Spin
Princípio de Exclusão
Dentro do Núcleo
Raios x
Ondas Eletromagnéticas
Núcleo Atômico:
Z prótons e N nêutrons
Número de Massa Atômica
A=Z+N
Radioatividade Natural
Raios a  Raios b  Raios g
Z
A
Propriedades Químicas
Isótopos
a - (Z, A)
b - (Z, A)
g - (Z, A)exc
(Z - 2, A - 4) + a
(Z + 1, A) + e
(Z, A) menos-exc + 
Radioatividade
Transmutação espontânea
Processo randômico
Interações da Natureza
Interação
Atuação
Intensidade
Alcance
1
10 -15 m
Forte
Manter o núcleo
unido
Eletromagnética
Estabilidade dos
átomos e moléculas;
Atrito, Tensões, etc.
10 -2
infinito
Fraca
Decaimento b
10 -5
10 -15 m
Gravitacional
Organizar o Universo
10 -40
infinito
Partículas Elementares
e- p n  m
 K L S W...
Hádrons
Léptons
(Bárions e Mésons)
Carga, Massa, Spin
e- m t
e m t
QUARKS
u (up) (+ 2/3)
c (charm) (+ 1/3)
t (top) (+ 2/3)
d (down) (- 1/3)
s (strange) (- 1/3)
b (bottom) (- 1/3)
p
uu
d
n
ud
d
L
ud
s
Eletrodinâmica Quântica
g + e-
g + e-
Cromodinâmica Quântica
• Quarks são férmions de spin ½ com número
nucleônico
N =é feito
1/3 de três quarks
• Cada bárion
• Cada méson é feito de um quark e um antiquark
• Cada antibárion é feito de três antiquarks
• Quarks individuais não podem ser encontrados livres
• Quarks aparecem em diferentes variedades: os sabores
• Quarks possuem cores (como “carga elétrica”)
Vermelho
Verde
Azul
• A força entre quarks é mediada por glúons sem massa
de spin 1 (troca de cores)
Decaimento Beta – Interação Fraca
Interação fraca é mediada por bósons pesados
W+ W- Z0
Unificação: A interação eletrofraca
Modelo Padrão
1. Cromodinâmica Quântica – mecanismo da
interação forte: troca de glúons (s = 1, m =
0). Quarks trocam suas cores, mas mantém
seus sabores.
2. Teoria Eletrofraca – mecanismo da interações
fracas e eletromagnéticas: troca de fótons (s =
1, m = 0) e bósons massivos (s = 1).
3. Tabela Periódica dos Quarks e Léptons
Q = -1 Q = -1/3 Q = 0 Q = 2/3
1a. Família
e-
down
e
up
2a. Família
m-
strange
m
charm
3a. Família
t-
bottom
tm
top
Referências
1. Sheldon L. Glashow, From Alchemy to Quarks,
(Brooks/Cole Publ. Co. Pacific Grove, CA, 1993).
2. R. P. Olenick, T. M. Apostol e D. L. Goodstein, A
Experiência da Gota de Óleo de Millikan, extraído de
“The Mechanical Universe – Introduction to Mechanics
and Heat”, (Cambridge U. P., New York, 1985).
3. Nelson Studart, A Radioatividade e os Modelos Atômicos,
em “Notas de Aula de Física Moderna”, (UFSCar, São
Carlos, 2000).
4. F. Ostermann, Um texto para Professores do Ensino
Médio sobre Partículas Elementares, Revista Brasileira
de Ensino de Física 21 (3), 415 (1999).
5. Fernanda Ostermann e Cláudio J. de H. Cavalcanti, Um
Pôster para Ensinar Física de Partículas na Escola,
Física na Escola 2 (1), 13 (2001).
6. Beatriz Alvarenga, A Relevância do Ensino da Física
Atômica e das Partículas Elementares no Currículo do
2o. Grau, em “Do Átomo Grego à Física das Interações
Fundamentais”, editado por F. Caruso e A. Santoro, 2ª
edição (CBPF, Rio, 2000).
7. “Do Átomo Grego à Física das Interações
Fundamentais”, editado por F. Caruso e A. Santoro, 2ª
edição (CBPF, Rio, 2000).