Capítulo 41

Tudo sobre átomos

41.1 Os átomos e o universo

Início do séc. XX dúvida sobre existência

Hoje 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

MoléculasSólidos

• Átomos podem ser agrupados em famílias

• Átomos podem ser agrupados em famílias

• Os átomos emitem e absorvem luz

E

E1

E2

E3

E4

absorção

emissão

• Os átomos possuem momento angular e magnetismo

Visão clássica-

z

momento angular

momento magnético

O experimento de Einstein-de Haas (1915)

Wander Johannes de Haas (1878-1960)Albert Einstein

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:

número atômicomomento angular total

Como:z

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 Stern-Gerlach (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 – a +

O significado dos resultados

41.6 Ressonância magnética (nuclear)

                                                                  

      

hf

E antiparalelo

paralelo

Espectro de ressonância magnética nuclear do etanol

CH3-CH2-OH

CH3

CH2OH

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:

• Curral retangular:

• Caixa retangular: xy

z

LyLx

x

y

z

LyLx

Lz

Determinação da energia total

x

y

z

LyLx

Lz

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?

E

E1,1,1

E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1

E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1

E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1

E2,2,2

Diagrama para 1 elétron

Possíveis transições

Configurações de energia do estado fundamental e do 1o. excitado

E

E1,1,1

E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1

E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1

E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1

E2,2,2

fundamental

E

E1,1,1

E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1

E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1

E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1

E2,2,2

E

E1,1,1

E1,1,2 , E1,2,1 , E2,1,1

E1,2,2 , E2,1,2 , E2,2,1

E1,1,3 , E1,3,1 , E3,1,1

E2,2,2

1o. excitado

41.9 Construção da tabela periódica

Estados quânticos do elétron em um átomo

subcamada ( estados)

“todos os estados de uma subcamada têm a mesma energia”

Nomenclatura:

Neônio

10 elétrons

GasesNobres

1s2 2s2 2p6

Não possui elétrons desemparelhados

Sódio

11 elétrons1s2 2s2 2p6 3s1 elétron de valência

MetaisAlcalinos

Cloro

17 elétrons1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

NaCl, LiF, KBr, …

Ferro

17 elétrons1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d 6 4s2

41.10 Os espectros de raios X dos elementos

O espectro contínuo de raios X

min

Verificação

O comprimento de onda de corte min 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 MoseleyPara o hidrogênio:

Para at. + de 1 elétron:

Para K:

VerificaçãoO comprimento de onda da linha espectral K do espectro de raios X do cobalto (Z=27) é 179 pm, aproximadamente. O comprimento de onda da linha K do níquel (Z=28) é maior ou menor que 179 pm?

41.11 O laser e a luz do laser

Theodore H. Maiman

•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

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Laser pulsado de rubi (1960)

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)

Einstein (1916): prob. absorção = emissão estimulada

Ex

E0

Condições

O fóton emitido está em fase com, tem a polarização de, e se propaga na mesma direção da radiação que o estimulou.

•Inversão de População

•Emissão Estimulada

Nesta situação a emissão estimulada domina sobre a absorção estimulada.

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.htmlhttp://www.olympusmicro.com/primer/lightandcolor/lasersintro.html

Do micro

Ao macro

O laser NOVA (EUA)O laser NOVA (EUA)

AplicaçõesPesquisa 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

Medicina e odontologia

antes depois

Palomar Q Yag 5

Aplicações industriais

A máquina de corte a laser

A cabeça de corte