Aula_topico05 - Modelos atômicos de Rutherford e Bohr

Prévia do material em texto

BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA
Modelos atômicos de 
Rutherford e Bohr
Crédito: Sprace
Professor
Jeancarlo Pereira dos Anjos
jeancarlo.anjos@ufabc.edu.br
UMA JANELA INDISCRETA: OS RAIOS-X
+
Os raios catódicos se propagariam fora dos tubos?
A DESCOBERTA DOS RAIOS-X
ü 1895 - Wilhelm Conrad Röntgen descobriu que
existia um tipo de radiação que escapava do tubo de
raios catódicos a 2 m de distância e fora da linha do
feixe dos raios catódicos!
Chamou de raios-X
ü Os raios-X são produzidos na colisão entre os
elétrons e uma placa dentro do tubo
ü Nessa colisão os elétrons são desacelerados
emitindo radiação eletromagnética.
1845 - 1923
Se a radiação é propagada como uma onda eletromagnética, sua origem 
deve ser proveniente de cargas elétricas em sólidos, líquidos e gases que 
emitem luz.
OS RAIOS-X
ü A primeira aplicação de Röntgen para
os raios-X foi a de revelar fotos nas
quais ossos vivos se mostravam sem
que o corpo fosse dilacerado.
ü Isso ocorre porque esses raios
atravessam a carne, pois sua
densidade é baixa em relação aos
ossos. Porém, ao encontrar os ossos
eles são refletidos.
A RADIOATIVIDADE
Reprodução da primeira imagem publicada obtida
com os Raios de Becquerel.
Os sais de urânio emitiam raios que, 
independente da luz solar, eram capazes 
de penetrar no papel preto. 
1852 - 1908
A RADIOATIVIDADE
ü Suas principais observações sobre a “radiação urânica” foram:
1) Os raios eram capazes de ionizar gases, tornando-os bons
condutores;
2) Eram capazes de descarregar corpos carregados;
3) Não dependiam do estado cristalino do urânio;
4) Produziam um efeito sobre os filmes fotográficos que diminuía com
o aumento da distância entre a amostra e o filme.
5) O fenômeno era espontâneo era o que mais o intrigava.
A RADIOATIVIDADE
ü Marie Sklodowska Curie refez os experimentos de
Becquerel:
1) Confirmou que a emissão dos raios era uma
propriedade atômica do urânio;
2) Verificou que o tório, elemento mais pesado que o
urânio, também emitia os mesmos raios.
3) Após a descoberta do rádio à termo:
RADIOATIVIDADE.
4) Raios-X e Raios emitidos pelos elementos têm
enormes diferenças em seu poder de penetração;
5) Conseguiu abrir caminhos para a descoberta de
novos elementos químicos
Na verdade, a origem dos raios era um mistério porque não se sabia 
da existência do núcleo atômico.
1867 - 1934
A RADIOATIVIDADE
1895
Wilhelm Röntgen
Raios Röntgen/X
1896
Henri Becquerel
Raios de Becquerel
ou
Raios de Urânio
1897
Madame Curie
Radioatividade
Rutherford se perguntava se essas radiações seriam 
semelhantes aos Raios-X
A RADIOATIVIDADE
üAtualmente, sabe-se que todos os elementos com número
atômico maior que 82 (Pb - chumbo) são radioativos
üEles emitem três diferentes espécies de radiação, que receberam
o nome de alfa, beta e gama
üRaios 𝛼: possuem carga elétrica positiva
üRaios 𝛽: possuem carga elétrica negativa
üRaios 𝛾: não possuem carga elétrica e,
portanto, são neutros
RAIOS a, b e g
Lord Ernest Rutherford Paul Ulrich Villard
1871 - 1937 1860 - 1934
Raios a Raios b Raios g
Fortemente ionizantes Menos ionizantes Eletricamente neutra
Interceptados por uma 
folha de papel.
Atravessavam papel cartão e 
folhas metálicas finas.
Maior poder de 
penetração da matéria.
EXPERIMENTO DE RUTHERFORD
Rutherford executou o seguinte experimento:
ü Uma fonte de partículas α foi colocada na boca de um detector circular.
ü As partículas α foram lançadas através de um pedaço de chapa de ouro.
ü A maioria das partículas α passaram diretamente através da chapa, sem 
desviar.
ü Algumas partículas α foram desviadas com ângulos grandes.
ü Rutherford concluiu que deflecções tão grandes da trajetória das partículas a
não poderiam ser observadas, caso os átomos tivessem a estrutura proposta
por Thomson
ü Para explicar os resultados experimentais, ele propôs um modelo planetário
do átomo.
Descoberta do núcleo, envolvido por 
um espaço grande que continha os 
elétrons.
O átomo de Rutherford 
ü O átomo consiste de partículas neutras, positivas e negativas
(nêutrons, prótons e elétrons).
ü Os prótons e nêutrons estão localizados no núcleo do átomo, que é
pequeno. A maior parte da massa do átomo se deve ao núcleo.
ü Os elétrons estão localizados fora do núcleo. Grande parte do
volume do átomo se deve aos elétrons.
O átomo de Rutherford 
EVOLUÇÃO DOS MODELOS ATÔMICOS
EVOLUÇÃO DO CONCEITO DE ÁTOMO
ü Com a descoberta das partículas subatômicas, foi possível
identificar átomos de um mesmo elemento químico com massas
diferentes denominados isótopos.
ü Número atômico (Z) = no de prótons no núcleo. 
ü Número de massa (A) à núcleo à no total de prótons e nêutrons.
ü Isótopos têm o mesmo Z, porém A é diferente.
ü Encontramos o Z na tabela periódica.
A = Z + N onde: 
EVOLUÇÃO DO CONCEITO DE ÁTOMO
ü Decaimento Radioativo: Datação Arqueológica
ü A velocidade de decaimento e abundância relativa de 12C6 e 14C6
pode estimar a idade de um fóssil.
FALHA NO MODELO ATÔMICO 
DE RUTHERFORD
ü Os elétrons não podem ser corpos estacionários, caso contrário cairiam no
núcleo devido à atração coulombiana
ü Se os elétrons se movem em órbita, então, possuem aceleração centrípeta
ü De acordo com a teoria eletromagnética clássica, todos os corpos carregados e
acelerados irradiam energia na forma de radiação eletromagnética. Portanto, o
elétron deveria também nesta situação “cair” no núcleo.
ESPECTRO DA LUZ BRANCA
ü Em 1665, Isaac Newton demonstrou que, ao passar por um 
prisma, a luz branca (por ex., luz do Sol) se decompõe em 
diferentes cores, formando um espectro como o arco-íris. 
18
ONDAS
ü Uma onda é uma perturbação que se transmite de um ponto a
outro em um meio ou no vácuo. Em geral, há transporte de
energia.
ü A transmissão de sinal entre dois pontos distantes pode ocorrer
sem que haja necessariamente transporte direto de matéria entre
esses pontos.
EXEMPLOS DE ONDAS
Luz
Ondas oceânicas de 
superfície
Som
TIPOS DE ONDAS
ü Ondas mecânicas (ex.: som, ondas do mar, ondas sísmicas):
• propagam-se em um meio material
• comportamento governado pela mecânica newtoniana
ü Ondas eletromagnéticas (ex.: luz, raios-X, radar):
• não necessitam de um meio material para se propagar, ou seja,
podem se propagar no vácuo também (velocidade das ondas
eletromagnéticas no vácuo = 299 792 458 m/s).
• comportamento governado pelas leis de Maxwell
ü Ondas de matéria
• ondas associadas a partículas como elétrons, prótons, etc.
• comportamento governado pela mecânica quântica
ONDAS HARMÔNICAS
ü Amplitude: altura da onda
ü Comprimento de onda (𝜆): distância (paralela à direção de
propagação da onda) entre repetições da forma da onda; distância
entre dois mínimos/máximos sucessivos
ü Período de oscilação de uma onda (T): o tempo que um elemento 
qualquer da corda leva para se mover realizando uma oscilação 
complete
ü Frequência (ⱱ): nº de ciclos por segundo; unidade é Hertz
1 Hz = 1 s-1
RELAÇÃO ENTRE COMPRIMENTO DE ONDA 
E FREQUÊNCIA
ⱱ = frequência
T = período
V = velocidade
l = comprimento de onda
A = amplitude
𝑉 =
𝜆
𝑇
𝜈 = !
"
𝑉 = 𝜆 𝜈
ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
ü As oscilações dos campos magnéticos e elétricos são
perpendiculares entre si e podem ser entendidas como a
propagação de uma onda transversal
ü A velocidade das ondas eletromagnéticas (V = c) é constante
c = 𝜆 . ⱱ c=2,9979× 108m/s
(velocidade da luz)
ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO
ü Comprimentos de onda diferentes correspondem a diferentes regiões do
espectro eletromagnético
ü Luz visível: comprimento de onda entre 700 nm (luz vermelha) e 400 nm
(luz violeta); a frequência da luz determina sua cor
ü Comprimento de onda curto corresponde a uma radiação de alta
frequência
ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO
ü Ondas de Rádio: promovem alteração de spin.
ü Microondas: estimula o movimento rotacional das moléculas quando ela é
absorvida.
ü Infravermelho: estimula as vibrações das moléculas.
ü Luz visível e radiação ultravioleta: provocam a promoção dos elétronspara
orbitais de maior energia.
ü Raios-X: quebram as ligações químicas e ionizam as moléculas.
ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO
Duas ondas eletromagnética são representadas
abaixo. (a) Qual onda tem a maior frequência?
(b) Se uma onda representa a luz visível e a
outra, a radiação infravermelho, qual é uma e
qual é outra?Disc
uss
ão
!
Exe
mplo
A luz amarela emitida por uma lâmpada de vapor
de sódio usada para iluminação pública tem
comprimento de onda de 589 nm. Qual a
frequência dessa radiação?
R = 5,09 x 1014 s-1
PROPRIEDADES DAS ONDAS
Reflexão
Se a corda estiver fixa a um ponto 
da parede, a amplitude da onda 
também é invertida
Inversão do sentido de propagação da onda na 
interface entre dois meios diferentes
PROPRIEDADES DAS ONDAS
Refração
Mudança na direção de propagação da onda devido à 
mudança de sua velocidade. A velocidade de uma onda 
depende do meio em que ela se propaga.
onda incidente
onda refratada
onda refletida
ÁGUA
AR
PROPRIEDADES DAS ONDAS
Refração
O EFEITO FOTOELÉTRICO
Emissão de elétrons por um material metálico quando exposto 
a uma radiação eletromagnética
ü Há três aspectos principais do efeito fotoelétrico que NÃO podem
ser explicados em termos da teoria ondulatória clássica da luz...
O EFEITO FOTOELÉTRICO
Previsão da teoria clássica: a energia cinética dos elétrons
emitidos deveria aumentar com a intensidade da luz (ou seja, em
função da amplitude do campo elétrico oscilante).
amplitude
Observação experimental: a energia cinética máxima dos elétrons
emitidos não depende da intensidade da luz!
A Ec dos elétrons ejetados aumenta linearmente com a frequência da
radiação incidente.
Primeiro aspecto
O EFEITO FOTOELÉTRICO
Previsão da teoria clássica: o efeito fotoelétrico deveria ocorrer
para qualquer frequência da luz, desde que ela fosse intensa o
suficiente para fornecer a energia necessária para ejetar elétrons.
Observação experimental: para cada material, existe uma
frequência mínima n0 abaixo da qual o efeito fotoelétrico não
acontece, independente da intensidade da luz.
en
er
gi
a
ci
né
tic
a
m
áx
im
a
do
s 
el
ét
ro
ns
ej
et
ad
os
Segundo aspecto
O EFEITO FOTOELÉTRICO
Terceiro aspecto
Previsão da teoria clássica: se a intensidade da luz incidente é
baixa, deve haver um intervalo de tempo mensurável durante o qual
o elétron “acumula” a energia recebida até atingir o valor da energia
necessária para ser ejetado.
Observação experimental: nenhum retardamento detectável jamais
foi medido, a emissão do elétron é praticamente instantânea
mediante incidência de radiação luminosa.
POSTULADOS DE BOHR
1º) Os elétrons giram em torno do núcleo em órbitas
circulares e bem definidas (fixas) que são as órbitas
estacionárias. Mais tarde, seriam as chamadas
"camadas eletrônicas”
2º) A energia radiada não é emitida ou absorvida de
maneira contínua, somente quando um elétron passa de
uma órbita estacionária para outra diferente (salto
quântico).
3º) O equilíbrio dinâmico dos sistemas nos estados estacionários se
dá pelas leis da mecânica clássica, o que não é verificado quando um
elétron passa para um diferente estado estacionário.
4º) Ao passar de um estado estacionário para outro, um elétron
absorve ou emite uma radiação bem definida, que é o quantum, dado
pela relação E = h.𝜈 , onde 𝜈 é a freqüência e h é a constante de
Planck.
MODELO ATÔMICO DE BOHR
ü Átomos possuíam regiões (órbitas) específicas disponíveis para
acomodar os seus elétrons - as chamadas camadas eletrônicas.