DA TABELA PERIÓDICA AO MODELO PADRÃO

Nelson Studart

Programa

Átomos e Elementos A Tabela Periódica: Padrão dos elementos químicos

O elétron: a primeira partícula elementar Experiência de Thomson Experiência de Millikan

Dualidade Onda-partícula

Partículas elementares e o modelo padrão

As Interações da Natureza Elétrons e fótons Dentro do núcleo: Interações fortes e fracas

Estrutura do átomo Espectros de linha dos elementos químicos Modelo de Rutherford-Bohr A Tabela Periódica re-visitada

Átomos e Moléculas

John Dalton (1766-1844) Fundador da Teoria Atômica Moderna

1. Matéria é constituída de átomos individuais

2. Cada elemento químico é feito de átomos idênticos de um tipo particular

3. Átomos são imutáveis

4. Elementos químicos podem se combinar para formar compostos

5. Reações químicas re-arranjam átomos em diferentes compostos, mas não mudam os números de átomos de cada elemento

Conseqüência Imediata: A Lei das Proporções Múltiplas

New System of Chemical Philosophy (1808)

1 – Hidrogênio (H); 2 – Nitrogênio (N) ; 3 – Carbono (C)

4 – Oxigênio (O); 5 – Fósforo (P); 6 – Enxofre (S)

21 – Água (HO) – errado!

25 – CO; 28 – CO2;

23, 26, 27, 30 e 34 – Óxidos de Nitrogênio

• Os elementos, se dispostos de acordo com seus números atômicos, exibem uma evidente periodicidade de propriedades

• Elementos similares com relação às suas propriedades químicas possuem pesos atômicos que têm aproximadamente o mesmo valor (p. ex. platina, irídio, ósmio) ou aumentam regularmente (p. ex. potássio, rubídio e césio)

Mendeleev (1834-1907)

• Os elementos mais abundantes possuem números atômicos pequenos

• O arranjo dos elementos, ou dos grupos de elementos, na ordem crescente de seus pesos atômicos, corresponde às suas valências como também às suas distintas propriedades químicas

• A intensidade do peso atômico determina o caráter do elemento

• Deve-se esperar a descoberta de muitos elementos desconhecidos – por exemplo, elementos análogos ao alumínio e silício, cujos pesos atômicos encontram-se entre 65 e 75

Magnésio (1808)

Alumínio (1825)

Silício (1824) Fósforo (1669)

Cálcio (1808) ? Titânio (1791) Vanádio (1830)

Zinco (velho) ? ? Arsênico (velho)

Estrôncio (1808)

Ítrio (1843) Zircônio (1789) Nióbio (1801)

• Certas propriedades características dos elementos podem ser preditas a partir de seus pesos atômicos (errado!)

• O peso atômico de um elemento pode algumas vezes ser alterado através do conhecimento daqueles de elementos contíguos. O peso atômico do telúrio deve estar entre 123 e 126, mas não pode ser 128.

A Tabela Periódica  

O ubíquo elétron: A primeira partícula “elementar” (1897)

"There is no other branch of physics which affords us so promising an opportunity of penetrating the

secret of electricity." J.J. Thomson, 1893

Joseph John Thomson (1856-1940)

Raios Catódicos

Conclusões dos experimentos de 1897 1. Raios catódicos são partículas carregadas (chamou de “corpúsculos”) 2. Estas partículas são constituintes do átomo (controvertida) 3. Estas partículas são as únicas constituintes dos átomos (Errado!)

Explorar a analogia entre o movimento balístico e o movimento do elétron sob a ação de campo elétrico uniforme

e/m = 1,8 x 1011 C/kg

A experiência de Millikan

Medida da velocidade terminal

Movimento unidimensional com atrito viscoso

Robert Millikan (1868-1953)

vRmgqEma 6

Espectro Contínuo da Radiação Eletromagnética

Com a luz solar, vemos todo o arco-íris

A região visível é uma pequena porção o espectro

Linhas Espectrais

Vindo de um elemento químico aquecido, a luz se decompõe em linhas brilhantes de certas cores

Átomos emitem apenas ondas com certas freqüências! É a “impressão digital” do elemento químico

Átomo de Rutherford

Átomo nucleado

Ernest Rutherford (1871-1937)

2

))((R

ZezeKF

A força age durantevR

t vR

Fp Momentum varia de

pp Deflexão a grandes ângulosRv

zZeKMv

2

2

2

MvzZe

KR

Estimativa do tamanho do núcleo

mR 14103,2

Modelos Atômicos

Energia de ligação EW

2

22 mvre

KW re

Kr

mv 22

r

eK

mvW

22

22

mKeW

feWe

Kr2

2/32

2)2(

2 Mas rvf 2/

(a) Thomson

(b) Clássico

(c) Bohr

Sendo W = 13,6 eV r = 5,3 x 10-11 m e f = 6,58 x 1015 Hz

Modelo de Bohr Estados Estacionários

A quantização do momento angular 2h

nmvrL

mKeL

reLme

KW2

2

2

42

2

22

442 12nh

emKWn

2

22

2

4n

mKeh

rn

hWW nn 12

O estado fundamental – W tem maior valor quando n = 1

Saltos quânticos

3

422

02

1

2

2

0

211h

emKnn

Níveis de Energia

Tabela Periódica Re-visitada O Mistério da Carga Nuclear

2A

Z

Espectroscopia de raios-XRaios - X

Wilhelm Röntgen (1845-1923)

Henry Moseley (1887-1915)

Espectro de Raios - X

22

2

0 21

11

)1(ZFreqüência da linha K

Dualidade Onda - PartículaRadiação Eletromagnética

Onda Campos Elétrico e Magnético Interferência - DifraçãoComprimento de onda Freqüência

Partícula – Fóton Produção e ConversãoMomento p Energia E

Elétron

Partícula (raios catódicos) - Onda (Difração)

h

phE

Mecânica Quântica - SchrödingerEquação de onda para o elétron no átomo de H: O espectro de Bohr

Estados quânticos: Orbitais + Spin

Princípio de Exclusão

Dentro do NúcleoRaios x

Ondas EletromagnéticasRadioatividade Natural

Raios Raios Raios

Núcleo Atômico: Z prótons e N nêutrons Número de Massa Atômica A = Z + N

Z Propriedades QuímicasA Isótopos

- (Z, A) (Z - 2, A - 4) + - (Z, A) (Z + 1, A) + e

- (Z, A)exc (Z, A) menos-exc +

Radioatividade Transmutação espontâneaProcesso randômico

Interações da Natureza

Interação Atuação Intensidade Alcance

Forte Manter o núcleo unido

1 10 -15 m

Eletromagnética Estabilidade dos átomos e moléculas; Atrito, Tensões, etc.

10 -2 infinito

Fraca Decaimento 10 -5 10 -15 m

Gravitacional Organizar o Universo 10 -40 infinito

Partículas Elementarese- p n

Carga, Massa, Spin

Hádrons Léptons (Bárions e Mésons)

u u d

p u d d

nu d s

e- e

QUARKS

u (up) (+ 2/3)

d (down) (- 1/3)

c (charm) (+ 1/3)

s (strange) (- 1/3)

t (top) (+ 2/3)

b (bottom) (- 1/3)

Eletrodinâmica Quântica

+ e- + e-

Cromodinâmica Quântica

• Quarks são férmions de spin ½ com número nucleônico N = 1/3• Cada bárion é feito de três quarks• Cada méson é feito de um quark e um antiquark• Cada antibárion é feito de três antiquarks• Quarks individuais não podem ser encontrados livres• Quarks aparecem em diferentes variedades: os sabores• Quarks possuem cores (como “carga elétrica”)

Vermelho Verde Azul• A força entre quarks é mediada por glúons sem massa de spin 1 (troca de cores)

Decaimento Beta – Interação Fraca

Interação fraca é mediada por bósons pesados W+ W- Z0

Unificação: A interação eletrofraca

Modelo Padrão

1. Cromodinâmica Quântica – mecanismo da interação forte: troca de glúons (s = 1, m = 0). Quarks trocam suas cores, mas mantém seus sabores.

2. Teoria Eletrofraca – mecanismo da interações fracas e eletromagnéticas: troca de fótons (s = 1, m = 0) e bósons massivos (s = 1).

3. Tabela Periódica dos Quarks e Léptons

Q = -1 Q = -1/3 Q = 0 Q = 2/3

1a. Família e- down e up

2a. Família - strange charm

3a. Família - bottom top

Referências1. Sheldon L. Glashow, From Alchemy to Quarks,

(Brooks/Cole Publ. Co. Pacific Grove, CA, 1993).2. R. P. Olenick, T. M. Apostol e D. L. Goodstein, A

Experiência da Gota de Óleo de Millikan, extraído de “The Mechanical Universe – Introduction to Mechanics and Heat”, (Cambridge U. P., New York, 1985).

3. Nelson Studart, A Radioatividade e os Modelos Atômicos, em “Notas de Aula de Física Moderna”, (UFSCar, São Carlos, 2000).

4. F. Ostermann, Um texto para Professores do Ensino Médio sobre Partículas Elementares, Revista Brasileira de Ensino de Física 21 (3), 415 (1999).

5. Fernanda Ostermann e Cláudio J. de H. Cavalcanti, Um Pôster para Ensinar Física de Partículas na Escola, Física na Escola 2 (1), 13 (2001).

6. Beatriz Alvarenga, A Relevância do Ensino da Física Atômica e das Partículas Elementares no Currículo do 2o. Grau, em “Do Átomo Grego à Física das Interações Fundamentais”, editado por F. Caruso e A. Santoro, 2ª edição (CBPF, Rio, 2000).

7. “Do Átomo Grego à Física das Interações Fundamentais”, editado por F. Caruso e A. Santoro, 2ª edição (CBPF, Rio, 2000).