MatériaMatéria

PropriedadesPropriedadesPartículasPartículas

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)