Aula 2
Prof. Rodrigo Marques
UNIFAL-MG
Campus de Poços de Caldas
ICT - BCT
ESPECTROSCOPIA:
Análise da radiação eletromagnética absorvida ou emitida por substâncias
1. Características da radiação eletromagnética:
• Campo elétrico e magnético oscilando e que atravessa o espaço vazio a 2,998x108 m.s-1 (velocidade da luz);
• Campo elétrico interage com partículas carregadas (elétrons) – empurra em ambas direções;
• Oscila em Ciclos/segundo = frequência (reversões completas de direção e volta à intensidade e direção iniciais):
• Unidade de frequência = 1 Hz (1 s-1);
• Luz visível = 1015 Hz
• Comprimentos de onda diferentes correspondem a regiões diferentes do espectro eletromagnético;
• Nossos olhos detectam a radiação eletromagnética de comprimento de onda entre 700 nm (luz vermelha) e 400 nm (luz violeta);
Comprimento
de onda frequência
TESTE 1: Calcule os comprimentos de onda das luzes de trânsito. Suponha que as frequências sejam: verde, 5,75 × 1014 Hz; amarelo, 5,15 ×
1014 Hz; vermelho, 4,27 × 1014 Hz.
TESTE 2: Qual é o comprimento de onda utilizado por uma estação de rádio que transmite em 98,4 MHz?
FREQUÊNCIA MODULADA (FM):
Iniciada nos Estados Unidos no início do século XX, FM é uma modalidade de radiodifusão que usa a faixa 87,5 Mhz a 108 Mhz com modulação em frequência.
2. Quanta e fótons:
• Objeto aquecido brilha com maior intensidade – o
fenômeno da
incandescência
– e a cor da luz emitida
passa sucessivamente do vermelho ao laranja e ao
amarelo,
até
chegar
ao
branco.
(observações
qualitativas);
• “Objeto quente” é conhecido como
corpo negro
. O
objeto não tem preferência em absorver ou emitir um
determinado comprimento de onda em especial;
• Absorve toda radiação que nele incide, absorvidade
igual a 1 (a = 1) e sua refletividade é nula (r = 0). O
corpo negro não tem cor à reflexão mas pode ter cor à
emissão.
• Estudo quantitativo do efeito:
Com o aumento da
temperatura, a energia
total emitida (a área sob
a curva) cresce
rapidamente e o máximo
da intensidade da
emissão desloca-se para
comprimentos de onda
Duas informações experimentais cruciais para o desenvolvimento de um modelo para a radiação do corpo negro foram descobertas no fim do século XIX.
A. lei de Stefan- Boltzmann :
•A intensidade total emitida em todos os comprimentos de onda aumenta com a quarta potência da temperatura:
constante é 5,67×10–8 W·m–2·K–4
B. lei de Wien:
•O comprimento de onda que corresponde ao máximo de intensidade, max, é inversamente proporcional à temperatura:
max ∝ 1/T
max × T = constante
c2 - segunda constante de radiação:
1,44 × 10–2 K·m
TESTE 3: A intensidade máxima de radiação solar ocorre a 490 nm. Qual é a temperatura da superfície do Sol?
Corpo negro explicado pela física clássica
catástrofe do ultravioleta
:•Um corpo negro em uma temperatura diferente de zero deveria emitir radiação ultravioleta intensa, além de raios X e raios .
•Qualquer objeto muito quente deveria devastar a região em volta dele com suas radiações de alta freqüência.
•O corpo humano, em 37oC, deveria brilhar no escuro. Não existiria, de
Troca de energia entre a matéria e a radiação ocorre em pacotes de energia:
QUANTA
•Ao oscilar na freqüência , os átomos só podem trocar energia com sua vizinhança em pacotes de magnitude igual a:
I - Depende do número de pacotes de energia gerados; E - Medida da energia de cada pacote.
•Energia emitida em múltiplos de h, ou seja: h; 2 h, 3 h...
• Idéias de Planck confirmavam efeito fotoelétrico.
•Elétrons expelidos de uma superfície metálica quando
irradiada por uma luz de determinada frequência mínima;
abaixo desta frequência, independente da intensidade,
nenhum elétron é expelido;
•Número de elétrons expelidos é proporcional à intensidade
da radiação incidente, mas a energia do elétron não;
•Teoria ondulatória da luz não explicava efeito fotoelétrico –
Einstein propôs que um
feixe de luz é um feixe de partículas
– FÓTONS.
• Se h
= energia que segura (liga) elétrons no metal
Energia da luz será suficiente apenas para arrancar o elétron do metal.
• Se h
> energia que segura (liga) elétrons no metal
Além de serem expelidos os elétrons adquirem mais energia cinética:
•Quanto > Intensidade da Luz
Maior o N° de elétrons
emitidos;
•Quanto > Frequência da Luz
Maior a E
cdos elétrons
emitidos;
Evidência que a radiação eletromagnética se comporta também como onda:
DIFRAÇÃO
:
•Máximos e mínimos das ondas viajando por um caminho interferem com máximos e mínimos de ondas viajando por outro caminho:
Interferência Construtiva Interferência Destrutiva
DUALIDADE ONDA PARTÍCULA DA MATÉRIA
• As partículas têm propriedades de onda;
•Comprimento de onda associada a “onda da partícula”, inversamente proporcional a sua massa, m, e velocidade, v:
Momento linear p Relação de Broglie
Comportamento ondulatório do elétron:
Difração de um feixe de elétrons por
uma rede cristalina (cristal)
– 1925 por
Clinton Davisson e Lester Germer.
VIDA ATÔMICA DE BOHR
• Niels Henrik David Bohr nasceu no dia 7 de Outubro de 1885, em Copenhaga;
•Em 1903, Niels matriculou-se na Escola Secundária de Gammelholm;
•“Transactions of the Royal Society”, em 1908: Quando ainda era estudante, um anúncio, da Academia de Ciências de Copenhaga, de um prêmio para quem resolvesse um determinado problema científico;
•Em seu doutorado estudou as propriedades dos metais e teoria dos elétrons, aonde confrontou-se com a teoria Quântica de Planck;
• 1911, mudou-se para Cambridge, onde trabalhou no Laboratório Cavendish sob a orientação de J. J. Thomson;
•1912, passou a trabalhar no Laboratório do Professor Rutherford, em Manchester;
• 1913 regressa à Dinamarca e procura estender ao modelo atômico proposto por Rutherford os conceitos quânticos de Planck.
• De 1914 a 1916 foi professor de Física Teórica na Universidade de Victoria, em Manchester. Mais tarde, voltou para Copenhaga, onde foi nomeado diretor do Instituto de Física Teórica em 1920;
•Em 1922 recebeu o Prémio Nobel da Física. Publicou o livro “The Theory of Spectra and Atomic Constitution”;
•Em 1933 aprofundou a teoria da fissão estudando o urânio 235; •Em 1934, publicou o livro “Atomic Theory and the Description of Nature”;
• Em 1938, ocupou o cargo de consultor do laboratório de energia atômica de Los Alamos (USA). Neste laboratório, alguns cientistas iniciavam a construção da bomba atômica;
•dirigiu-se a Churchill e Roosevelt, num apelo à sua responsabilidade de chefes de Estado, tentando evitar a construção da bomba
atômica;
• Em 1945 a bomba atômica destruiu a cidade de Hiroshima e Nagasáqui.
• Em 1950, escreveu a “Carta Aberta” às Nações Unidas em defesa da preservação da paz e liberdade de pensamento e de pesquisa; •Em 1955, escreveu o livro “The Unity of Knowledge”;
•Em 1957, recebeu o Prêmio Átomos para a Paz;
•Bohr morreu em 18 de Novembro de 1962, vítima de uma trombose, aos 77 anos de idade.
MODELO ATÔMICO DE BOHR
G.Herzberg, Atomic Spectra and Atomic Structure, Dover, 1944
• Quando uma descarga elétrica atravessa um de gás rarefeito, este emite radiação comprimentos de onda específicos, dando origem a espectros de riscas.
Espectro do hidrogênio e teoria de Bohr
• Hidrogênio rarefeito numa ampola de vidro sob
descarga elétrica emite de luz na forma de espectro
descontínuo, isto é, constituído por diversas riscas;
• Balmer mostrou que o inverso do comprimento de
onda, 1/
(número de onda), de qualquer banda do
espectro visível do hidrogênio podia ser dado pela
fórmula empírica:
R é a constante de Rydberg n = 3, 4, 5, etc.
O hidrogênio não emite apenas na região do visível, mas também na região do ultravioleta e do infravermelho.
expressão de Balmer válida na forma genérica
