Física Moderna (I)

Física Moderna (II)

Modêlos Atômicos

Átomo de Hidrogênio

ARQUIVOS


Radioatividade

Cosmologia

INTRODUÇÃO A FÍSICA MODERNA (I).

UMA INTRODUÇÃO HISTÓRICA.

As observações astronômicas de Tycho Brahe e sua interpretação por Kepler, além das experiências de Galileu, foram unificadas por Isaac Newton na sua teoria mecânica. Ao final do século XIX, a Mecânica interpretava bem todos os fenômenos físicos mecânicos conhecidos, servindo de base para a teoria cinética dos gases, que havia resolvido muitos problemas da teoria Termodinâmica.

Durante o século XIX, os fenômenos elétricos e magnéticos, bem como suas respectivas interações, foram bem resolvidos pela teoria eletromagnética de Maxwell. Esta fornecia uma explanação para a propagação ondulatória da luz, que estava de acordo com o conhecimento da época, tanto da ótica física, quanto geométrica.

De um modo geral, todos os dados experimentais conhecidos podiam ser explicados razoavelmente bem pela teoria mecânica de Newton e pela teoria eletromagnética de Maxwell. A maioria dos pesquisadores era de opinião que o trabalho de seus sucessores seria meramente "fazer medidas até a próxima casa decimal".

No princípio do século XX, uma série de desenvolvimentos teóricos e experimentais, revolucionários. A teoria da Relatividade requer o abandono de idéias intuitivas profundamente enraizadas, relativas ao espaço e o tempo, e a teoria Quântica exige uma melhor compreensão da "continuidade" da matéria.

1 - A catástrofe do ultravioleta.

O fenômeno da distribuição radial de radiação do corpo negro, que é um sistema que absorbe toda energia incidente sobre ele, era intrigante, no final do século XIX.

A temperaturas ordinárias, a emissão de radiação do corpo negro é invisível, porque a energia está concentrada na região do infravermelho do espectro eletromagnético, quando a temperatura aumenta, a energia irradiada aumenta de acordo com a lei de Stefan, deslocando-se para comprimentos de onda menores. A potência irradiada é função do comprimento de onda, l, e da temperatura T, tendo um máximo num comprimento de onda l que varia inversamente com a temperatura T, seguindo a lei de Rayleigh-Jeans, que varia inversamente com l-4. Os resultados experimentais concordam com a funç&atil de;o distribuição para grandes comprimentos de onda, mas discorda para pequenos comprimentos de onda,visto que tende a infinito, é a "catastrofe do ultravioleta".

2 - Os raios catódicos.

Os experimentos realizados na época, consistiam em se fazer passar corrente elétrica I através de um gás rarefeito em um tubo. Notou-se que a descarga ocorrida dependia do grau de vácuo, e havia um brilho nas paredes do tubo, vindo de eletrodo positivo, o catodo.

William Crookes, tenta explicar estes "raios catódicos" afirmando que os raios eram devidos às poucas moléculas de gás ainda remanescentes no tubo, as quais se eletrificavam, sendo então repelidas pelo catodo.

William Rontgen, "por acaso" notou em seu experimento que uma folha de papel coberto com uma camada de platinocianido, distante do experimento, começou a brilhar, cessando o brilho quando o tubo foi desligado. Os raios não podiam ser partículas pois não eram defletidos por campos elétricos e magnéticos intensos; não podiam ser refratados por uma lente !!! Rontgen concluiu que deveriam ser raios de comprimentos de onda l muito pequeno, mas como eram ainda enigmáticos, chamou-os de "raios-X".

3 - A razão e/m para os elétrons.

Em 1897, Thomson realiza medidas precisas da razão entre a carga e a massa dos raios catódicos. , o que fornece uma caminho para identificação do fenômeno. A razão e/m dos raios catódicos é muito maior do que aquela para átomos ionizados, e o maior valor de e/m é aquele do átomo de hidrogênio ionizado. Então, ou a carga das "partículas" dos raios catódicos é muito maior do que a carga de um átomo ionizado, ou a massa dessas "partículas" é muito menor do que uma massa atômica.

Thomson supôs que a carga das "partículas" dos raios catódicos é exatamente igual à carga de um átomo uma única vez ionizado. Esta é a carga elementar, daí as "partículas" de raios catódicos, ser denominada de "elétrons".

4 - O efeito fotoelétrico.

Os elétrons podem ser emitidos de uma superfície metálica, quando luz ultravioleta incide sobre a superfície metálica, conforme descoberto por Hertz em 1887.

Lenard, em 1900, medindo a razão e/m para fotoelétrons mostrou que esta é a mesma que para elétrons. Mostrou que a energia cinética dos fotoelétrons é diretamente proporcional à intensidade da luz ultravioleta, mas há uma energia máxima independente da intensidade da luz incidente.

Em 1905, Einstein enuncia a teoria quântica do efeito fotoelétrico, ligado à teoria quântica da radiação do corpo negro. Ele considerou que a energia emitida estivesse localizada em um pequeno volume do espaço, permanecendo localizada à medida que se propaga, ao invés de se espalhar da maneira característica de ondas em movimento. Einstein supõe que o conteúdo de energia, ou quantum de energia, esteja relacionado à sua frequência n, pela relação :

E = h.n

onde h é a constante de Planck.

5 - O efeito Compton.


Em 1923, Compton descobriu que um feixe de raios-X de comprimento de onda l0, ao atravessar uma folha metálica, é espalhado num ângulo q, contendo radiação espalhada de comprimento de onda maior que l0. Como será visto o efeito Compton, fornece uma evidência conclusiva da existência dos "quanta" de energia.

6 - A "natureza dual" da radiação eletromagnética.

A teoria quântica de Einstein do efeito fotoelétrico explica um fenômeno que a física clássica não pode fazê-lo, visto que é contrária à estabelecida natureza ondulatória da radiação eletromagnética. Entretanto, o resultado do efeito Compton sobre a existência dos "quantas", não poderia mais ser questionado.

Passa então a física a admitir a "natureza dual" da radiação eletromagnética. Alguns fenômenos da radiação, tais como difração, refração podem ser explicados somente em termos ondulatórios. Outras propriedades da radiação como os efeitos fotoelétrico e Compton, somente podem ser explicados em termos dos "quantas", que sendo localizados, tem características de "partículas" !!!

7 - O modelo atômico de Thomson.

O conhecimento da neutralidade do átomo, das propriedades dos raios catódicos, levando ao conhecimento do "elétron" de carga negativa e massa pequena, comparada à massa do átomo mais leve, o hidrogênio, implicou na idéia de que a maior parte da massa do átomo deveria estar associada à carga positiva.

Thomson, propôs um modelo para a estrutura do átomo, na qual os elétrons, carregados negativamente, estavam localizados no interior de uma distribuição uniforme de cargas positivas. O modelo do 'pudim". Como a teoria eletromagnética previa que um corpo carregado acelerado, tal qual um elétron vibrando, emitia radiação eletromagnética, foi possível entender-se, qualitativamente, a emissão de radiação dos átomos excitados, com base no modelo de Thomson. .

8 - As partículas alfa.

Em 1896, o físico francês Henri Becquerel descobriu que o elemento pesado Urânio, emitia continuamente raios que, faziam com que um gás conduzisse eletricidade. Marie e Pierre Curie, em 1898 descobriram a radiação da pechblenda mineral, além de isolarem o "polonio" e o "rádio", dois elementos químicos "radioativos".

As partículas associadas com a "radioatividade" foram denominadas "partículas alfa", são equivalentes a átomos de Hélio duplamente ionizados, e são carregadas positivamente.

9 - O átomo de Rutherford.

Realizando experiências com partículas alfa, para bombardar o átomo e verificar sua estrutura, Rutherford observa que algumas partículas são retroespalhadas, como se houvesse colisão com "um único átomo", o que não poderia acontecer no modelo de Thomson do átomo.

Então ele sugere que a estrutura do átomo seja tal que, todas as cargas positivas do átomo, e portanto toda a sua massa, estejam concentradas em uma pequena região do átomo, denominando-a "núcleo". Deste modo o átomo passa a ser descrito como "um núcleo, carregado positivamente, em torno do qual a carga eletrônica se distribui", de modo a manter a neutralidade do átomo.

10 - Os postulados de Niels Bohr.

O modelo atômico de Bohr se baseia na experiência que explicava as linha espectrais do elemento Hidrogênio, que constituíam uma série de comprimentos de onda específicos, que eram descritos por uma série matemática simples, devido a Johann Balmer.

Seus postulados são :

1 - Um elétron em órbita circular em torno do núcleo num átomo, está sob a influência da atração coulombiana entre o elétron e o núclo, obedecendo as leis da mecânica clássica.

2 - Ao invés das múltiplas órbitas possíveis classicamente, é possível somente o movimento numa órbita para a qual o seu momentum angular L seja um múltiplo inteiro da constante de Planck, divida por 2p

3 - Apesar de estar em movimento acelerado em sua órbita circular, o elétron não irradia energia eletromágnética, sua energia total permanece constante.

4 - A radiação eletromagnética é emitida se o elétron, inicialmente movendo-se em uma órbita de energia Ei, muda descontinuamente para uma órbitas de energia total Ef. A frequência n é igual à diferença de energia dividida pela constante de Planck, h.

 

 




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