Parceria entre professor e centro de ciências...

Encontros III - Temas 4 e 6

Pedro Donizete Colombo Juniorpedro.colombo@usp.br

André Luiz SilvaEspecialista em Ensino de Astronomia – Observatório, USP.

Angélica Cristina Porrafisica.angel@gmail.com

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Observatório Dietrich Schiel

http://blogs.edf.org/climate411/wp-content/files/2007/07/ElectromagneticSpectrum.png

De maneira geral, consiste no estudo da radiação eletromagnética emitida ou absorvida por um corpo.

Espectroscopia...

É a relação da intensidade de radiação transmitida, absorvida ou refletida em função do comprimento de onda ou

frequência da radiação.

Espectro

Exemplo de espectro: Nosso arco-íris

O arco-íris é o espectro da luz do sol no visível, que é formado pela decomposição da luz através da refração (semelhante ao que ocorre num prisma, porém são as gotículas de água no

ar que refratam a luz)

Alguns personagens....

1666 - Isaac Newton - decomposição da luz solar em um prisma

1800 - Friedrich Herschel - descobre a radiação infravermelha

1802 - Johann Ritter - descobre a radiação

ultravioleta

1814 - William Hyde Wollaston

574 linhas entre a linha B (no vermelho) e a linha H (no violeta).

O espectro solar continha 07 linhas negras

O espectroscópio foi primeiramente utilizado em 1859 pelo físico alemão Gustav Kirchhoff (1824-1887) em parceria com o químico alemão Robert Bunsen (1811-1899).

O instrumento

Gustav Kirchhoff e Robert Bunsen

A parceria surgiu pela soma dos conhecimentos Kirchhoff sugeriu que um elemento químico puro ao ser

queimado emite uma radiação com cor bem característica (Teste da Chama).

Lítio Sódio Cobre

Bunsen conseguiu inventar um queimador de gás metano (CH4) com controle da entrada de ar e cuja cor não interferia no resultado

O espectroscópio em si foi projetado com o seguinte princípio de funcionamento:

O instrumento

A luz que vinha da chama do elemento químico queimado passava por um colimador, ou seja, a luz ficava com uma única direção. Depois ela atravessava o

prisma, sendo refratada, ou seja, dividida no espectro, e observada com um telescópio.

Descobrem novos elementos químicos (Césio, Rubídio)

Nitrato de chumbo (II), Pb(NO3)2Cloreto de bário dihidratado, BaCl2.2H2O

Cloreto de cobre (I), CuCl Sulfato de manganês monohidratado, MnSO4.H2O

http://profs.ccems.pt/PauloPortugal/CFQ/Arquitectura_Universo/Anlise_Elementar/anlise.htm

http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/Elements.html

A cor da chama é característica do elemento e permite uma primeira identificação. No entanto, essa identificação só fica completa com a análise do espectro dessa chama

(comparar o espectro obtido com os espectros de referência).

Se a luz dessas chamas incidir sobre um prisma, será obtido um espectro descontínuo, ou seja, serão observadas apenas algumas linhas luminosas coloridas intercaladas por regiões sem luz. Para cada

elemento, teremos um espectro diferente.

Análise espectral

http://cse.ssl.berkeley.edu/lessons/indiv/timothyk/em_gas.html

Leis de Kirchhoff - Espectroscopia -

Análise espectral

http://www.astro.wisc.edu/~mab/education/astro103/lectures/l4/l4.html

Um corpo opaco quente, sólido, líquido ou gasoso, emite um espectro contínuo.

Um gás transparente produz um espectro de linhas brilhantes (emissão). O número e a posição

destas linhas dependem dos elementos químicos presentes no gás.

Se um espectro contínuo passar por um gás à temperatura mais baixa, o gás frio causa a presença de linhas escuras (absorção). O número e a posição destas linhas dependem

dos elementos químicos presentes no gás.

discreto

Modelos atômicos

DANTON

THOMPSON

RUTHERFORD

BOHR ATUAL

Fundamentado na teoria dos quanta e sustentado experimentalmente com base na espectroscopia.

Distribuição eletrônica em níveis de energia. Quando um elétron do átomo recebe energia (pacotes), ele salta para outro nível de

maior energia. Quando o elétron volta para o seu nível de energia primitivo, cede à energia

anteriormente recebida sob forma de uma onda eletromagnética (pacotes relativos = <).

Modelo atômico de Bohr..

hc

EhE

Velódromo: o ciclista pode ocupar qualquer parte da pista.

Neste modelo, os elétrons giram ao redor do núcleo, podendo ocupar qualquer órbita existente.

Estado estacionários de energia Algumas órbitas são “proibidas” para os elétrons.

Como em um ginásio poliesportivo, onde você não pode sentar-se entre um degrau e outro. E só pode

“mudar” de lugar pulando números inteiros de degraus (um ou mais).

O elétron pode se mover em determinadas órbitas sem irradiar. Essas

órbitas estáveis são denominadas estados estacionários, nas quais não

perde energia por radiação

Modelo Atômico de Bohr

As órbitas estacionárias são aquelas nas quais o momento angular do elétron em torno do

núcleo é igual a um múltiplo inteiro de

Apenas algumas órbitas são possíveis(função de n2).

2

202

...

..

eZm

hnrn

.

2

h

Relaciona a frequência da radiação às energias dos estados estacionários. Se

Ei e Ef são as energias inicial e final do átomo, a frequência da radiação

emitida durante uma transição é dada por:

i fE Ef

h

Os valores da energia nestas órbitas seriam:

221

220

42

2

60,13

..8

...

1

nn

E

h

eZm

nEn

O menor nível de energia do hidrogênio (n = 1) é cerca de -13.6 eV. 

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

n = 4

n = 3

n = 2

Devido aos diferentes níveis de energia, há possibilidades de diferentes transições. Assim, o elétron pode saltar de n = 3 direto para n = 1, ou ir de

n = 3 para n = 2 e depois de n = 2 para n = 1.

Cada transição implica numa emissão com frequência diferente.

Isso explica o surgimento das linhas no espectro discreto dos elementos.

Note que cada transição corresponde a uma cor no espectro abaixo.

I

Descobrir a presença de um elemento, Medir sua quantidade

Hidrogênio: linhas características

Os átomos existentes no Sol através de seu espectro

Presença: descobrindo uma ou várias linhas de absorção ou emissão

I

Quanto mais intensa e mais escura a linha de absorção, maior a quantidade

Mas dá para saber a quantidade?

A temperatura na superfície solar

Temperatura Superficial do Sol é 6 000 K

Com essa temperatura é impossível fundir hidrogênio

I

Observação do Espectro Solar

A e B – Bandas de Oxigênio Molecular

C – Hidrogênio (α)D1 e D2 - SódioE - FerroH e K - Cálcio

F – Hidrogênio (β)G - Ferro

O que mais podemos tirar das linhas espectrais

http://astroweb.iag.usp.br/~dalpino/AGA215/NOTAS/Distribuicao_Energia_LinhasEspectrais-Bete.pdf

http://cse.ssl.berkeley.edu/bmendez/ay10/2002/notes/lec8.html

Efeito Doppler

O comprimento de onda de uma linha espectral, é afetado pelo movimento relativo entre a fonte e o observador

O que mais podemos tirar das linhas espectrais

1848 - Armand Fizeau

- objetos se afastando em alta velocidade causam o deslocamento das linhas espectrais para o vermelho (“red-shift”)

1924 - Edwin Hubble

- comprova a expansão do Universo

Red-shift e Blue-Shift

http://www.astroimagem.com/nova_pagina_7.htm

Efeito Doppler Térmico

Movimentos aleatório das partículas do gás (por causa da agitação térmica):

Algumas se aproximam, outras se afastam do observador.

Gás com partículas de massa m a uma temperatura T:

Alargamento Doppler da linha:

212 3

2

3

2 m

kTv

kTmvterm

c

vterm

http://astroweb.iag.usp.br/~dalpino/AGA215/NOTAS/Distribuicao_Energia_LinhasEspectrais-Bete.pdf

O que mais podemos tirar das linhas espectrais

Efeito Zeemam

Quando um átomo se desloca sob a ação de um campo magnético, cada nível atômico de energia se divide em três ou mais subníveis:

Caso as separações entre subníveis sejam tão pequenas que não as pode distinguir nos espectros, então vemos somente uma linha espectral alargada.

http://astroweb.iag.usp.br/~dalpino/AGA215/NOTAS/Distribuicao_Energia_LinhasEspectrais-Bete.pdf

O que mais podemos tirar das linhas espectrais

Embora explicasse adequadamente como os espectros atômicos funcionavam, havia alguns problemas que ainda incomodavam os físicos e químicos:

Voltando ao modelo de Bohr... Limitações...

Por que os elétrons ficariam confinados apenas em níveis específicos de energia?

Por que os elétrons não emitiam luz o tempo todo? (os elétrons por mudarem de direção em suas órbitas circulares (aceleravam), eles deveriam emitir luz).

O modelo conseguia explicar muito bem os espectros de átomos com um elétron na camada mais externa, mas não era muito bom para os que tinham mais de um elétron nessa camada.

Louis de Broglie sugeriu que os elétrons podiam agir como partículas e ondas. Assim, as ondas produzidas por um elétron confinado em sua órbita ao redor do núcleo definem uma onda estacionária, com λ, E e f específicas (os níveis de energia de Bohr).

Limitações do modelo de Bohr

Werner Heisenberg sugeriu não ser possível saber com exatidão o momento e a posição de um elétron no átomo, o que chamou de princípio da incerteza (mesmo se um elétron viajasse como uma onda não seria possível localizar a posição exata deste elétron dentro dessa onda).

Erwin Schrodinger criou uma série de equações (chamadas de funções de onda) para os elétrons. Para Schrodinger, os elétrons confinados em suas órbitas definiriam ondas estacionárias e se poderia descrever somente a probabilidade de onde um elétron estaria.

Construindo um espectroscópio amador