Aula - Introdução à Química Moderna · •Efeito Compton ou o Espalhamento de Compton, é a...
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14/08/2013
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Introdução à Química Moderna
Prof. Alex Fabiano C. Campos, Dr
Prof. Alex Fabiano C. Campos, Dr®
Radiação de Corpo NegroRadiação de Corpo Negro
Objeto com T≠0K:emite radiação eletromagnética.
Física Clássica: vibração térmica dos átomos e moléculas, provoca a aceleração de
cargas, resultando na emissão de radiação.
Intensidade e distribuição de frequências da radiação dependem da estrutura do
corpo
Radiação eletromagnética incidindo sobre um objeto: parte da radiação é
absorvida, parte é refletida
Casca esférica com um pequeno orifício: a
radiação penetra no orifício sendo
parcialmente refletida e absorvida, até ser
completamente absorvida.
O buraco se comporta como um corpo negro
T≠0K
Corpo Negro : objeto que absorve toda a radiação que o atinge.
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Radiação de Corpo NegroRadiação de Corpo Negro
Forma: (distribuição dos comprimentos de onda) dos espectros contínuos de
radiação, característicos de corpos quentes.
Radiação de Corpo Negro
• Contínuo e isotrópico
• Intensidade variável com λ e T:
• ↑T ⇒↑ intensidade
• λmax⇒ máxima intensidade
• ↑T ⇒ desloca o máximo para ↓λmax
A FÍSICA CLÁSSICA NÃO EXPLICA:
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Radiação de Corpo NegroRadiação de Corpo Negro
O resultado clássico é conhecido como lei de Rayleigh-Jeans:
que dá a intensidade irradiada, I, para um dado comprimento de onda e dadatemperatura (c é a velocidade da luz no vácuo).
( )4
2, Bck TI T
πλ
λ=
Esta é uma comparação típica entre os resultados experimentais e o
comportamento esperado classicamente, da emissão de um corpo negro a uma dada
temperatura T.
“Catástrofe do Ultra-Violeta”
PREDIÇÃO CLÁSSICA
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Radiação de Corpo NegroRadiação de Corpo Negro
( )( )
2
5
2,
1Bhc k T
hcI T
eλ
πλ
λ=
−
ABORDAGEM DE PLANCK
A fórmula de Planck pode ser obtida ao assumir que apenas energias
particulares possam ser emitidas e absorvidas pelos átomos das paredes.
Planck sugeriu que um elétron no átomo pode apenas:
• absorver ou emitir energia apenas através de pacotes discretos (chamados quanta)
• as energias são proporcionais à freqüência da radiação emitida.
E nhν=
λλλλmax
Max Planck(1958-1947)
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Natureza Ondulatória da LuzNatureza Ondulatória da Luz
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Natureza Ondulatória da LuzNatureza Ondulatória da Luz
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Natureza Ondulatória da LuzNatureza Ondulatória da Luz
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Natureza Corpuscular da LuzNatureza Corpuscular da Luz(Efeito Fotoelétrico)(Efeito Fotoelétrico)
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Natureza Corpuscular da LuzNatureza Corpuscular da Luz(Efeito Fotoelétrico)(Efeito Fotoelétrico)
A Explicação de Einstein
• O efeito fotoelétrico não depende da intensidade – (Amplitude)
• O efeito fotoelétrico depende da energia da onda – (Freqüência)
• O efeito fotoelétrico depende da função trabalho do material, ou seja, a energia do
fóton deve ser maior que a função trabalho.
• Quanto maior a freqüência do fóton incidente maior a energia cinética do elétron
ejetado. Por isso os raios infravermelhos não provocavam o efeito fotoelétrico
enquanto os raios ultravioletas sim.
h Kν φ= +
Albert Einstein
(1879-1955)
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•Dentro do detetor há luz e um sensor, mas
posicionados formando um ângulo de 90
graus.
•No caso normal, a luz da fonte à esquerda segue
em linha reta e não atinge o sensor. Mas quando
fumaça entra na câmara, as partículas de fumaça
espalham a luz, e parte dessa luz pode vir a
atingir o sensor.
• Detetores de fumaça que usam o efeito fotoelétrico
Natureza Corpuscular da LuzNatureza Corpuscular da Luz(Efeito Fotoelétrico)(Efeito Fotoelétrico)
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Natureza Corpuscular da LuzNatureza Corpuscular da Luz(Efeito Compton)(Efeito Compton)
• Efeito Compton ou o Espalhamento de Compton, é a diminuição de
energia (aumento de comprimento de onda) de um fóton de raio-X
ou de raio gama, quando ele interage com a matéria.
• A luz deve agir como se ela consistisse de partículas como condição para explicar o
espalhamento de Compton. O experimento convenceu físicos de que a luz pode agir
como uma corrente de partículas cuja energia é proporcional à frequência.
Arthur H. Compton
(1892-1962)
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Hipótese de Hipótese de DeDe BroglieBroglie
Louis De Broglie
(1892-1987)
• Em sua tese de doutorado, apresentada em 1924 à Faculdade de
Ciência da Universidade de Paris “pesquisa sobre a Teoria dos
Quanta”, Louis de Broglie propôs a existência de ondas na matéria.
• A hipótese de De Broglie era que o comportamento dual da
radiação, também se aplicava à matéria.
• A sugestão de de Broglie era uma afirmação a respeito de uma grande simetria na
natureza, já que o Universo é inteiramente composto de matéria e radiação.
2E mc=
cE h hν
λ= =
2 vv
v
hm h
mλ
λ= ⇒ = ⇒ h
pλ =
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Hipótese de Hipótese de DeDe BroglieBroglie
• Exemplo 1: elétron viajando a 107 m/s.
34
10
31 7
6,63 100,74 10 0,074
9 10 10 /
h Jsm nm
p kg m sλ λ λ
−−
−
⋅= ⇒ = ⇒ = ⋅ =
⋅ ×
Este valor de comprimento de onda corresponde àquele de raios X que difratam em cristais.
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• Exemplo 2: bola de tênis de massa 0,05 kg viajando a 40 m/s.
34
346,63 103,34 10
0,05 40 /
h Jsm
p kg m sλ λ λ
−−⋅
= ⇒ = ⇒ = ⋅×
Este valor de comprimento de onda não apresenta qualquer significado físico. Trata-se de
um valor 19 vezes menor que um núcleo atômico!!!
Hipótese de Hipótese de DeDe BroglieBroglie
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Hipótese de Hipótese de DeDe BroglieBroglie(Ondas de Matéria)(Ondas de Matéria)
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Princípio da IncertezaPrincípio da Incerteza
Werner K. Heisenberg
(1901 – 1976)
• De acordo com a Mecânica Quântica, no caso de uma partícula
movendo-se por um eixo x em um dado instante, existe não apenas
uma posição definida para ela, mas sim uma distribuição de possíveis
posições, caracterizada por um comprimento ∆x que traduz a
incerteza em sua posição.
• Da mesma forma, para o momentum existe uma incerteza ∆px.
• Como px = m vx = m (dx/dt), isto significa que ∆x e ∆px não são
independentes, mas sim ligadas pelo princípio da Incerteza de
Heisenberg:
2xx p∆ ⋅∆ ≥ℏ
Assim, a determinação simultânea e exata da posição e do momentum de umapartícula não é possível em Mecânica Quântica. Se a partícula é perfeitamentelocalizada, seu momentum e, portanto, sua energia são totalmente indeterminadose vice-versa.
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• Exemplo 1: bola de tênis de massa 0,05 kg viajando a 40 m/s, medida com 1% de certeza
(∆vx = 0,4 m/s).
34
336,63 102,64 10 !!!
2 v 2 2 3,14 0,05 0,4 /x
Jsx m
m kg m s
−−⋅
∆ ≥ = = ⋅∆ × × × ×
ℏ
Este resultado não apresenta qualquer significado físico. Nenhum equipamento é capaz de
medir esse comprimento. Assim, a Mecânica Clássica é suficiente para descrever o
movimento de uma bola de tênis, ou seja, a qualquer momento se pode determinar sua
posição.
Quando Empregar a Mecânica Quântica?Quando Empregar a Mecânica Quântica?
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Quando Empregar a Mecânica Quântica?Quando Empregar a Mecânica Quântica?
• Exemplo 2: elétron viajando a 107 m/s, medida com 1% de certeza (∆vx = 105 m/s).
34
9
31 5
6,63 100,6 10 6
2 v 2 2 3,14 9 10 10 /x
Jsx m nm
m kg m s
−−
−
⋅∆ ≥ = = ⋅ =
∆ × × × ⋅ ×
ℏ
Considerando-se que o tamanho médio dos átomos é da ordem de 0,1 nm, existe quase um
fator de 10 entre a incerteza na posição do elétron e o tamanho do átomo em que ele se
encontra. Isto significa que a localização de um elétron ao redor do núcleo de um átomo é
indeterminada. Assim, conclui-se que a Mecânica Quântica é mais geral que a Mecânica
Clássica e somente ela pode descrever o comportamento de partículas fundamentais.