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PropriedadesPropriedades
0. Espectros e os fantasmas da matéria
LuzLuz
PropriedadesPropriedades
H H H H
1. Introdução - Análise e Síntese
• Qual nível de descrição é necessária?
– Schrödinger-Coulumb e , me ,
– Dirac-Maxwell relativística
(EletroDinâmicaQüântica)
– CDQ (CromoDinâmicaQüântica) Lite QCD
– CDQ (para baixas energias)...mu , md
– compreensão real, melhor que análise mais ultra-precisa
possível !
– Esta é a linha histórica da FisAtoMole?
Have not the small Particles of Bodies certain Powers, Virtues or Forces by Have not the small Particles of Bodies certain Powers, Virtues or Forces by
which they act... upon on another for producing a great Part of the which they act... upon on another for producing a great Part of the
Phenomena of Nature? 31Phenomena of Nature? 31aa Questão: “Principia” Isaac Newton Questão: “Principia” Isaac Newton
ve=0.01c me le se
mN ~1836me } vN lN sN
Pra
tici
dade
Pra
tici
dade
L e u k ipp 440A C
A ris tó te le s384 - 322A C
J . D a lto n1766 - 844
J . L . P ro u s t 1754 - 826
P R O P O R Ç Õ E S
A . vo n H u m bo ld t 1769 - 859
A . A vo g ra do1776 - 856
J .L G a y - L u s s a c1778 - 850
J . L o s ch m id t1821 - 95
M O L
R . B ro w n1773 - 853
L . B o ltzm a n n1844 - 906
J .C . M a xw e ll1831 - 79
R .J . C la u s iu s1822 - 88
M O V I M E N T O
qu ím ica a tô m ica
D . B e rn o u lli1700 - 1782
N . vo n A u tre cu rt1348
P la tã o427 - 347A C
D e m ó crito 460 - 370A C
´
ESTRUTURA
matéria eletricidade
Faraday1833
energia
Planck1900
Átomos - Conceitos e Ordens de Grandeza
• constituição (#1) núcleo + nuvem eletrônica
• propriedades estáticas– direta determinação pela quantização dos constituintes :
• distribuição de cargas(#N- #e) núcleo (+#N|e|) & nuvem (-#e|e|).
• momento angular orbital J .
• momento angular intrinseco (spin sN e se) .
• momento magnético.
– determinação pela interação entre componentes :• massa átomo ~ mN + me ~ mN (energia de ligação e-ica << mN c2)
• tamanho Vátomo ~ VN + Ve ~ Ve (alta densidade nuclear)
• dinâmicas– troca de energia
• Interação da distribuição de cargas com campos eletromagnéticos definido as propriedades de interação da luz com a matéria.
• Interação com outras partículas, e, núcleos, partículas nucleares, etc...
Núcleos - Conceitos e Ordens de Grandeza
O Núcleo [prótons(Np) + neutrons (Nn)]
• propriedades estáticas– direta determinação pela quantização dos constituintes :
• distribuição isotrópica de cargas +Np|e|e +Nn|0|.
• momento angular (spin sp e sn).
• momento magnético.
• massa mN >1mH até 200mH
– mN < mp+ mn (energia de ligação nuclear ñ-desprezível)
• tamanho rNuc ~ 10-5 rÁtomo
– rp , rn
O núcleo define a armadilha Coulumbiana dos elétrons.No caso do átomo de H é da ordem de :
!!!1001015r4
1 11
H
2
0 HH r
V~mV.
eE
Elétrons - Conceitos e Ordens de Grandeza
O Elétron [estrutura ?]
• propriedades estáticas– direta determinação pela quantização dos constituintes :
• distribuição isotrópica de cargas -|e|.
• momento angular (spin se).
• momento magnético, e.
• massa me = 9,10956×10-31 kg
• raio clássico re = 2.8×10-15 m
• dinâmicas• velocidades relativísticas em torno do núcleo
– vorbital ~ 0.01c m/me ~ 1.00005
• colisões com o núcleo
2a. Espectros: o fantasma atrás de cada átomo
Newton (1666): Espectro solar medido através de orifício & prisma
Luz: onda (Huygens) ou partícula (Newton)
Young & Fresnel (1800): ótica ondulatória
Fraunhofer (1814): Espectro solar medido através de orifício & fenda
Linhas escuras de Fraunhofer! Emissões ausentes no espectro contínuo?
H H H H
2b. Espectros: o fantasma atrás de cada átomo
Kirchhoff, Bunsen, Kirchhoff, Bunsen, ÅÅngstrom ngstrom Assinalaram várias linhas de Fraunhofer linhas observadas na emissão de elementos
Ex: Kirchhoff (1859) duas destas linhas pertencem à emissão do Na em 590nm
Fraunhofer: Fabrica grades de difração para aumentar resolução.
Descoberta do He em 1868 na análise do espectro solar
H H H H
2c. Espectros: o fantasma atrás de cada átomo
Série de Balmer (1885):
Huggins (1881) n = 60 350
espectro contínuo para 91,2 nm
n’ = 2 sempre ?n’ = 2 sempre ?
• Lyman (1906)n' 1 (UV)
• Paschen (1908) n' 3 (IV)
• Brackett (1922) n' 4 (IV)
• Pfund (1924) n' 5 (IVD)
Rydberg (1989) / Ritz (1898):
termo espectral
determina transição entre n e n’
22
2
2
1
2
14ou
434
nGcc
,,n,Gn
n
HRGcn 4
H H H H
22
2ncRT H
n
22
11n'n
cRTT Hn'n'nn
2d. Fantasmagórico? O problema do átomo de Rutheford
H H H H
Como pode não irradiar sempre?Como pode não irradiar sempre?
Cargas em movimento não Cargas em movimento não irradiam?irradiam?
Estados estacionários?Estados estacionários?
Órbitas estacionárias?Órbitas estacionárias?
2.1.a O modelo de Bohr (1913)- com Planck em mente
• Equilíbrio dinâmico de forças
Fcentrífuga= FCoulumb
•Conservação de energia
E=K+V
A energia total deste sistema é:
ou, explicitando a freqüência angular:
r
e
'r
'dreV
r
0
2
20
2
44
222
2
1
2
1mrI,ImvK
20
22
4 r
emr
r
e
r
e
r
emrrE
0
2
0
2
0
22
42
1
41
2
1
42
1
3
20
24
0
2
42
1
1
42
1
me
r
eE
2.1.b O modelo de Bohr - com Planck em mente
• Princípio de correspondência
freqüência orbital clássica corresponde à oscilação dipolar e, à sua emissão em órbitas onde n:
• Quantização dos níveis de energia
hc
meR
n
cRme
n
hcRE
H
HHn
20
2
31
2
34
32
02
8
22
4
1
2
1
322
2211
2
1
12
111
n
cR
nn
ncR
nncRTT
H
n
H
Hnnnn
137
1
4
1 2
0
~c
e
2
22
2 n
mcEn
2.1.c O modelo de Bohr - com Planck em mente
• Níveis de energia
• Quantizando todo o resto– raio da órbita
– velocidade / freqüência angular
– momento angular
eV
n
,
n
keVEn 22
2137
1 5913
2
511
fmn,nme
rr
eE n
nn
222
2
00
2
952442
1
c
nvHz
nn
meEmrK nnnnnn
3
16
33
4
20
22 101
4
1
2
1
2
1
nmr nnn 2
O mundo quântico é aqui !
• O primeiro passo da análise (o conceito atômico)