Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

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Resumo das descobertas da física nuclear no Séc. XX

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 1

Modelo Atómico

Actual

Quântico

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 2

1913 d.C. – Bohr: “Camadas electrónicas”. Níveis de energia no átomo.

1911 d.C. – Rutherford: Núcleo com partículas positivas, espaço

vazio e electrões. “Planetário” Radioatividade. Identificação das partículas alfa (), beta (), e gamma ().

1897 d.C. – Thomson: Massa positiva com electrões mergulhados.

“Pudim de passas” Radioatividade. sendo o átomo, até então,completamente maciço, como explicar tal fenômeno?

Qual a carga das partículas radioativas: negativa, positiva ou neutra? qual sua massa?

1803 d.C. – Dalton: Esfera maciça e indivisível.

“Bola de bilhar” Não explicou a eletricidade. Não explicou a radioatividade.

A Evolução…

Modelos Atómicos

400 a.C. – Demócrito: Toda a matéria é formada por átomos.

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O Átomo é formado por um núcleo muito pequeno em relação ao átomo, com carga positiva, no qual se concentra praticamente toda a massa do átomo. Ao redor do núcleo circulam os electrões de carga negativa em orbita circulares, ou elípticas, que tornam o átomo electricamente neutro.

Electrões

Órbitas

Nota-se no modelo de Rutherford dois equívocos:

uma carga negativa, colocada em movimento ao redor de uma carga positiva estacionária, adquire movimento em espiral em direcção à carga positiva acabando por colidir com ela;

uma carga negativa em movimento irradia (perde) energia constantemente, (segundo as leis de Maxwell) emitindo radiação. Porém, sabe-se que o átomo no seu estado normal não emite radiação.

Núcleo

Segundo este cientista, a força de atracção gravitacional do núcleo (Centrípeta) era compensada pela força centrifuga do electrão em órbita…

Modelo Planetário

Modelo de Ruterford (1910)

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Três tipos de radiação foram descobertos por Ernest Rutherford:Partículas (+) ;Partículas (-);Raios .

Raios

Raios

Raios

(+)

(-)

Placas com alta carga eléctrica

Placa fotográficaCaixa de Chumbo

Material Radioactivo

Partículas

Ernest Ruterford

O decaimento radioactivo, também conhecido como deterioração nuclear ou de radioactividade, é o processo pelo qual o núcleo de um átomo instável perde energia, emitindo partículas de radiação ionizante. Um material que espontaneamente emite este tipo de radiação - o que inclui a emissão de partículas energéticas alfa, partículas beta e raios gama - é considerado radioactivo.

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Átomo Instável

https://plus.google.com/photos/106481465324783803071/albums/5474518503896509969?banner=pwa

A radiação é dita ionizante quando tem energia suficiente para ejectar um ou mais electrões dos átomos ou moléculas no meio irradiado. Este é o caso das radiações alfa () e beta ( ), bem como das radiações electromagnéticas, tais como a radiação gama (), raios-X e alguns raios ultravioletas. A luz visível ou infravermelha não são, nem as microondas ou ondas de rádio.

Ernest Ruterford

"Radiação é uma energia na forma de ondas electromagnéticas ou partículas, viajando pelo ar."

Se um núcleo fica instável, por qualquer razão, ele irá emitir e absorver partículas. Existem muitos tipos de radiação e todos eles são pertinentes à vida cotidiana e saúde, bem como aplicações físicas nucleares.

Partículas

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Átomo Radioactivo

X-ray

gamma ray

Ernest Ruterford

Partículas

Positron

particle

eta particle

Radiação ionizante

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As partículas alfa () Consistem de um feixe de partículas carregadas positivamente com cargas 2 + e uma massa 4 na escala de massa atómica, que se refere a dois protões e dois neutrões. Estas partículas são idênticas aos núcleos de átomos de hélio comuns, podem ser representadas pela designação 4He2+, são emitidas com velocidade não muito inferior a 20 000 km/s. Têm pequeno poder de penetração. Quando atravessam uma camada de ar, perdem rapidamente energia pela colisão com as moléculas do ar, sendo, por este motivo, retidas em poucos centímetros. A radiação alfa é interceptada por uma folha de papel ou pela camada de células mortas da superfície da pele. 92U236 24 +90Th232 +ENERGIA.

Ernest Ruterford

Partículas

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A radiação beta () é constituída por um feixe de partículas carregadas negativamente, idênticas, em propriedade, aos electrões. A ejecção de uma partícula beta (massa ≈ 0, carga = -1) converte um neutrão (massa = 1, carga = 0) do núcleo em protão (massa = 1, carga = +1). A partícula beta é cerca de sete mil vezes mais leve que a partícula alfa, com velocidade que pode chegar a 95% da velocidade da luz, daí possuindo maior poder de penetração. Ela atravessa uma forma de papel, porém é interceptada por uma fina placa de chumbo. A radiação beta atravessa a camada superficial da pele, podendo causar queimaduras, porém sem chegar a atingir órgãos internos. 6C14 - +7N14 +ENERGIA

Radiação Gama (): Consiste em fotões de alta energia (radiação electromagnética, que é uma forma de energia quantitizada em "pacotes", de comprimento de onda muito curto (γ = 0,0005 a 1,0 mm). A emissão de radiação gama acompanha a maioria dos processos radioativos. Um núcleo excitado, resultante de uma emissão alfa ou beta, libera um fotão (ondas eletromagnéticas) e passa para um nível de energia mais baixo e mais estável. Por causa de sua grande energia e, praticamente, ausência de massa, tem alto poder de penetração. Atravessa facilmente a folha de papel, a placa de chumbo e até uma chapa de aço. Só uma parede de chumbo ou um enorme bloco de concreto são capazes de detê-la. A radioatividade gama passa facilmente através do corpo humano, causando danos irreparáveis às células. Entretanto, quando convenientemente dosadas, as radiações gama podem ser utilizadas para tratar algumas espécies de câncer, pois destroem as células cancerosas.

86RN222(*) + 86RN222 +ENERGIA

Ernest Ruterford

Partículas

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http://www.passmyexams.co.uk/GCSE/physics/flash/penetration-alpha-beta-gamma-rays.swf

Ernest Ruterford

Partículas

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Radiação Alfa () Beta () Gamma ()Poder de Ionização

Alto. A partícula alfa captura 2 electrões, transformando-se em átomo de Hélio.

Médio. Por possuírem carga eléctrica menor, possuem menor poder de ionização.

Pequeno. Não possuem carga.

Danos ao ser

humano

Pequenos. São detidos pela camada de células mortas da pele, podendo causar no máximo, queimaduras.

Médio. Podem penetrar até 2 cm e ionizar moléculas gerando radicais livres.

Alto. Pode atravessar completamente o corpo humano, causando danos irreparáveis como alteração da estrutura do DNA.

Velocidade 5% da velocidade da luz. 95% da velocidade da luz. Igual á velocidade da luz, 300.000 Km/s.

Poder de penetração

Pequeno. Pode ser detida por uma folha de papel.

Médio. 50 a 100 vezes mais penetrante que as alfa. É detida por um chapa de chumbo de 2mm.

Alto. Os raios gamma são mais penetrantes que os raios x. São detidos por uma chapa de chumbo de 5 cm.

Alfa ()

Beta ()Gamma ()

Ernest Ruterford

Partículas

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Estudo do desvio de raios por uma folha de ouro. As partículas são desviadas pelo efeito repelente do núcleo, e devido á sua densidade!...

Observações: A maioria das partículas passam através da folha de

ouro. Algumas das partículas sofrem pequenos desvios. Muito poucas das partículas sofrem grandes

desvios. Muitíssimo poucas partículas são completamente

reflectidas.

Conclusões: O átomo é 99.99% de espaço vazio. O núcleo contem um carga positiva e a maior

parte da massa do átomo.   O núcleo é aproximadamente 100.000 vezes

mais pequeno que o átomo.

Inicialmente Rutherford esperava, de acordo com o modelo de Thomson, que a maioria das partículas atingissem o alvo sem desvios, ou somente com pequenos desvios, provocados por eventuais efeitos magnéticos do electrões !....Pelo que ficou perplexo com o que observou!...

Partículas (Experiência Geiger-Marsden)

Ernest Ruterford

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Os electrões movem-se ao redor do núcleo em sete órbitas bem definidas - camadas electrónicas, denominadas órbitas estacionárias K, L, M, N, O, P e Q. Em cada camada os electrões possuem uma quantidade fixa de energia; por esse motivo, as camadas são ditas estados estacionários ou níveis de energia que comportam um número máximo de electrões (7).

Movendo-se numa órbita estacionária, o electrão não emite, nem absorve energia. Ao saltar de uma órbita estacionária para outra, o electrão emite ou absorve uma quantidade bem definida

de energia, chamada "quantum de energia". Recebendo um quantum - energia (térmica, eléctrica ou luminosa) do exterior, o electrão salta de uma

órbita mais interna para outra mais externa. Ao contrário, ao "voltar" de uma órbita mais externa para outra mais interna, o electrão emite , na forma de luz de cor bem definida ou outra radiação electromagnética, como ultravioleta ou raios X (daí o nome de fotão que é dado para este quantum de energia).

Em 1913, Bohr (Niels Henrik David Bohr - 1885/1962, dinamarquês, prémio Nobel de Física, em 1922) retomou uma teoria proposta, em 1900, por Planck, segundo a qual "a energia não é emitida em forma contínua, mas em blocos, denominados quantum".

Átomo – Modelo de Bohr (1913)

Ao retomar esta teoria, Bohr propôs que o electrão ao girar em torno do núcleo, não estaria obedecendo à Mecânica Clássica, mas sim à Mecânica Quântica.

Essas ideias são conhecidas por Postulados de Bohr, resumidamente os seguintes:

Neils Bohr (1913)

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Niels Bohr (1885-1962)Estudava espectros de emissão do gás

hidrogénio. O gás hidrogénio, aprisionado numa ampola

submetida a alta diferença de potencial emitia luz vermelha. Ao passar por um prisma, essa luz se subdividia em diferentes comprimentos de onda e frequência, caracterizando um

Espectro luminoso descontínuo.

Os electrões estão movimentando-se ao redor do Núcleo em órbitas de energia FIXA, QUANTIZADA E ESTACIONÁRIA (AS CAMADAS).

Ao receber energia, o electrão salta para uma camada mais externa (mais energética), ficando num estado EXCITADO.

Ao retornar para uma camada menos energética, libera parte da energia absorvida na forma de ondas electromagnética (LUZ), que pode ser Visível, ou não.

Neils Bohr (1913)

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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Maior distânciaDo núcleo

1º Nível (N1)2º Nível (N2)3º Nível (N3)

NúcleoProtões + Neutrões(?)

O electrão pode mover-se em determinadas órbitas sem irradiar. Essas órbitas estáveis são denominadas estados estacionários.

As órbitas estacionárias são aquelas nas quais o momento angular do electrão em torno do núcleo é igual a um múltiplo inteiro de h/2. Isto é: mvr = nh/2.

O electrão irradia quando salta de um estado estacionário para outro mais interno, sendo a energia irradiada dada por E = hf = Ei-Ef,      

AbsorçãoEmissão

Átomo de Bohr: Níveis de Energia

Modelo de Bohr (1913)

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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A energia do electrão, numa camada é sempre a mesma.

Só é permitido ao electrão movimentar-se na Camada.

Quanto mais afastada do núcleo, maior a Energia da camada.

Cada camada de energia possui uma quantidade máxima de electrões.

A energia emitida pelo electrão corresponde à diferença entre a energia das camadas de origem e destino.

Quanto maior a energia transportada, maior será a frequência da onda electromagnética.

Retornos electrónicos para a camada K, libertação de luz no ULTRAVIOLETA.

Retornos electrónicos para a camada L, libertação de luz no VISÍVEL.

Retornos electrónicos para a camada M, libertação de luz no INFRAVERMELHO.

K L M N O P Q 2 8 18 32 32 18 8

Modelo de Bohr:(1913) Camadas Electrónicas

Níveis de Energia

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Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

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Prisma

Ranhura

Tubo de descarga de gás

a analisar

Tela de visão das cores do espectro

do gás.

O gás hidrogénio aprisionado numa ampola submetida a alta diferença de potencial emitia luz vermelha. Ao passar por um prisma, essa luz se subdividia em diferentes comprimentos de onda e frequência, caracterizando um Espectro luminoso descontínuo.

Modelo de Bohr:(1913) Níveis espectrais do Hidrogénio

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Níveis espectrais do Hidrogénio

http://kimika2maila.wikispaces.com/file/detail/BorhEspectro.swf

Modelo de Bohr (1913)

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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Neils Bohr (1913)

Níveis Espectrais do Hidrogénio

Os comprimentos de onda das linhas do espectro de emissão do hidrogénio podem ser previstas através do cálculo da diferença de energia entre dois estados.

Para um electrão no estado de energia n, existem (n - 1) estados de energia para os quais pode fazer a transição , gerando (n - 1) linhas.

Tanto a Bohr como a Mecânica Quântica podem prever estas linhas com muita precisão:

2

incial

182

final

18

inicialfinalelectrão Hidrogéniortadofotão libe

n

1 J102.18

n

1J102.18

hh

EEΔEE

c

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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Ele explica a série de Balmer e outras séries. Ele prevê corretamente um valor para a constante de Rydberg. Dá uma expressão para o raio do átomo. Ele prevê que os níveis de energia do átomo de hidrogênio

Esta teoria dá um modelo de como o átomo parece e como ele se comporta. Com alguns aperfeiçoamentos e modificações, pode ser usado como um modelo para outros átomos, que não um átomo de hidrogénio….

Extensão da teoria de Bohr, para átomos idênticos ao do hidrogênio

Um átomo de hidrogênio como contém apenas um elétron: He-, Li

2-, Be3-etc.

Para estender a teoria de átomos de hidrogênio, a outros idênticos, substituir e2 com Ze2

   onde Z é o número atómico do elemento.

,...)3,2,1( 1

2 22

422

n

n

eZkmE ee

n

223

422 11

4

1

if

ee

nnc

eZkm

Sucessos da Teoria de Bohr

Modelo de Bohr (1913)

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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Camadas Electrónicas: Níveis de Energia

Modelo de Bohr (1913)

2n

hcREn Expressão Geral :

2n

1

1

1R

12

Lyman: n>1 (ultravioleta)

Balmer:

22 n

1

2

1R

1

n>2 (visível)

Paschen:

22 n

1

3

1R

1

n>3 (infra vermelho)

Brackett:

22 n

1

4

1R

1

n>4 (infra vermelho)

22 n

1

5

1R

1

Pfund: n>5 (infra vermelho)

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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Modelo de Bohr:(1913)

Níveis Espectrais

Quando átomos ou moléculas absorvem energia, essa energia é muitas vezes libertada como energia luminosa.

Fogos de artifício, luzes de néon, LEDs, etc.Quando a luz passa através de um prisma, é visto um padrão que é considerado

único, para esse tipo de átomo ou molécula - o padrão é chamado de Espectro de Emissão.

Pode ser não contínuo.

Pode ser usado para identificar o material.testes de chama

Rydberg analisou o espectro de hidrogénio e descobriu que pode ser descrito com uma equação que envolve o inverso do quadrado de inteiros…

2

22

1

-17

n

1

n

1m101.097

1

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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Algo não bate certo!...

Modelo de Bohr(1913)

A conclusão foi que, no mesmo nível de energia… existiam subníveis!

Alguma coisa estava errada…

Bohr desenvolveu um modelo do átomo de hidrogénio que explicava porque as frequências emitidas obedeciam a uma lei tão simples (serie de Balmer) baseado nos seus postulados. Os níveis de energia quantizados para os electrões, podiam ser calculados (n = 1, 2, 3, ...).

O numero de electrões em qualquer nível sendo limitados por 2n2, assim n = 1 contendo no máximo 2 electrões, n = 2, 8 electrões, n = 3, 16 electrões e assim sucessivamente. Apesar do sucesso espetacular, o modelo de Bohr do átomo, foi abandonado 12 anos depois, por apresentar muitas imperfeições.

O modelo de Bohr funcionou muito bem para o átomo de hidrogênio. Com outros átomos, o espectro esperado não era observado…

o modelo era incapaz de explicar os detalhes dos espectros de átomos multielectrónicos e as ligações químicas….

A teoria de Bohr estava incorreta, mas trouxe importante contribuição á compreensão da estrutura atómica, dando embasamento para a atual teoria quântica, sendo a primeira tentativa de descrever os electrões em átomos em termos de posição (orbita), e energia (níveis).

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Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

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Filósofos GregosA. C.

Teoria dosQuatro

Elementos;Água,

Ar,Fogo,Terra

625 a.C.Séc. IV a.C.

Átomos MaciçosMatéria Contínua

Átomos NucleadosMatéria Descontínua

TeoriaAtómica:Demócrito

Leucipo

Séc. V a.C.

J. J.ThomsonIntroduziu

CargasEléctricasNo Modelo

Atómico

1897

NielsBohr

CamadasElectrónicasCirculares

1913

JohnDalton

1º ModeloAtómico

Experimental

1803

ErnerstRutherford

ModeloAtómicoNuclear

1911

Linha do Tempo

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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Modelo de Bohr/ Sommerfeld (1924)

Arnold Sommerfeld

Introduziu o número quântico secundário ou azimutal, agora chamado l, que tem os valores 0, 1, 2, ... (n-1), e indica o momento angular do electrão na órbita em unidades de h/2π, determinando os subníveis de energia em cada nível quântico e a excentricidade da órbita.

Sommerfeld aperfeiçoou o modelo atómico de Bohr tentando superar os dois problemas principais deste.Para fazer coincidir as frequências calculadas com as experimentais, postula que o núcleo do átomo não permanece imóvel, sendo que tanto o núcleo como o electrão, se movem em torno do centro de massa do sistema, localizado muito perto do núcleo.

Para explicar o desdobramento das linhas espectrais, observadas usando um espectroscópio de melhor qualidade , Sommerfeld assumiu que as órbitas dos electrões podem ser circulares e elípticas.

En = -Z2R/n2dando origem a pequenos desvios nas energias dos valores permitidos Estes refinamentos trouxe as frequências calculadas

em até melhor acordo com a observação

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 25

Sommerfeld utilizou um número, chamado de “número quântico secundário ou

azimutal” (l ) para representá-las.

Modelo de Bohr/ Sommerfeld (1924)Arnold Sommerfeld

Para cada “n”, n possíveis valores de “l ”.

Foi determinado que o número máximo de electrões num subnível é dado por:

2 (2 l + 1).

NomeValor de “l ”

 

Capacidade:

2 (2 l + 1)

“s” (sharp) 0 2

“p” (principal) 1 6

“d” (diffuse) 2 10

“f” fundamental) 3 14

“g” 4 18

“h” 5 22

“i” 6 26

Aos subníveis foram dados nomes:

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 26

A sua conclusão foi que, no mesmo nível de energia existiam subníveis, ou seja, energias ligeiramente diferentes para um determinado nível de energia. Também do ponto de vista teórico, Sommerfeld descobriu que em certos átomos, os electrões atingiam uma velocidades fracção significativa da velocidade da luz.

5(l=0)s

5(l=1)p5(l=2)d

5(l=3)f

5(l=4)g

Modelo de Bohr/ Sommerfeld (1924)

Arnold Sommerfeld

Ele deduziu queOs níveis de energia eram divididos em regiões ainda menores – surge os SUBNÍVEIS;As denominações dos subníveis eram de acordo com a forma geométrica em que eram

observados (circulares ou elípticas). s = Sharp p = principal d = diffuse f = fine …..

1s n=1k=1

2p n=2k=2

2sn=2k=1

Permitindo o movimento nuclear, com o núcleo e electrões ambos em órbita em torno do centro de massa comum, apresenta uma pequena dependência da constante de Rydberg sobre a massa do núcleo. Como consequência, os isótopos de do mesmo elemento com massa diferente, têm frequências de emissão deferente um pouco diferentes. Deutério, o isótopo pesado e rara estável de hidrogénio, foi descoberta em 1932 nos espectros de amostras naturais de hidrogénio e depois foi isolado em laboratório.

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 27

Modelo de Bohr/ Sommerfeld (1924)

Arnold Sommerfeld

Além disso, Sommerfeld uniu a teoria da relatividade especial à teoria quântica. Aplicou a dinâmica relativista ao electrão do átomo, explicando a estrutura fina do espectro do hidrogênio.

Sommerfeld propôs um princípio mais geral de quantização, do qual a lei de Planck e a de Bohr eram casos especiais.

A integral cobre um período ou ciclo (válido para sistemas periódicos)

hnpdqEdt .

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Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 28

Filósofos Gregosa. C.

Teoria dosQuatro

Elementos;Água,

Ar,Fogo,Terra

625 a.C.Séc. IV a.C.

Átomos MaciçosMatéria Contínua

Átomos NucleadosMatéria Descontínua

TeoriaAtómica:Demócrito

Leucipo

Séc. V a.C.

J. J.ThomsonIntroduziu

CargasEléctricasNo Modelo

Atómico

1897

ErnerstRutherford

ModeloAtómicoNuclear

1911

NielsBohr

CamadasElectrónicasCirculares

1913

SommerfeldCamadas

ElectrónicasElípticas

1924

JohnDalton

1º ModeloAtómico

Experimental

1803

Linha do Tempo

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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Teoria “Partícula/Onda”Espectro de Frequências

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 30

Spectrum de Luz Visível

Raios Gamma

Luz Visível

Ondas RádioInfravermelhosRaios X

Comprimento de Onda (λ)

Nível de energia

Espectro Visível

Teoria “Partícula/Onda”

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 31

Núcleo do

Átomo

Havia duas maneiras de interpretar o que é a luz:

Há a teoria da “partícula” expressa em parte pela palavra fotão.

Há a teoria da “onda ” expressa pelo termo onda de luz.

Partículas

Electrão

Fotão de luz Visível

Radiação é transmissão de energia através do espaço.

Dualidade “Partícula/Onda” (1924)

Teoria “Partícula/Onda”

Campo eléctrico

Campo magnético

Radiação Electromagnética

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 32

Durante muito tempo, os Cientistas argumentaram acerca da natureza exacta da luz!...

Isaac Newton (1642-1727)Propôs que a luz era feita de pequenas partículas…

Christian Huygens (1629-1695)Sugeriu que a luz era feita de ondas!...

Como Newton era mais famoso que Huygens, muitos cientistas acreditaram nele… Até ao SEC XIX.

No início do século XIX, Thomas Young mostrou que a luz podia interferir nela própria!..

Os resultados da experiência da ranhura dupla ( Double slit experiment) podem ser explicados se a luz é feita de ondas!...

Em 1818, Augustin Fresnel mostrou que a difracção da luz pode ser facilmente explicada se a luz for feita de ondas!...

As suas previsões foram verificadas por fontes independentes e não poderiam ser explicadas se a luz fosse feita de partículas!...

Teoria “Partícula/Onda”A luz

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 33

Em 1864, James Maxwell mostrou que a luz é uma onda (como as ondas electromagnéticas rádio)

Em 1888, Heinrich Hertz confirmou as previsões de Maxwell pelas transmissão de ondas electromagnéticas pelo ar, mas também observou um fenómeno inesperado:

O mesmo fenómeno foi também observado no Tubo de Raios Catódicos (CRT) alguns anos mais tarde, e foi chamado de efeito fotoeléctrico, mas permanecia inexplicável!...

Em 1902 Phillipp von Lenard estudou o efeito fotoeléctrico e notou que a energia dos electrões produzidos nas faíscas, dependia da cor da luz, mas não da sua intensidade. Já o número de electrões dependia da intensidade da luz mas não da sua cor!...

O Efeito Fotoeléctrico foi explicado por Albert Einsteine em 1905…

No final do século XIX, os físicos estavam convencidos de que a luz era feita de ondas!...

Faíscas de transmissão eram mais facilmente criadas se o aparato estivesse iluminado por luz ultravioleta!

Teoria “Partícula/Onda”A luz

Page 34: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 34

Teoria quântica (1900)

A teoria quântica refere-se a energia:

Quando a energia está em forma de radiação electromagnética (quer dizer, de uma radiação similar á luz), se denomina de energia radiante e a sua unidade mínima recebe o nome de “fotão”. A energia de um fotão é dada pela equação de Planck:

E = h×f

h: constante de Planck = 6,62×10-34 Joule/segundo f: frequência da radiação.

Qualquer quantidade de energia que se emita ou se absorva, deverá ser um número inteiro de “quantums”.

Propôs que a luz só pode assumir alguns valores específicos de energia.

Ele utilizou a estatística de Boltzmann para obter uma equação teórica que concordava com os resultados experimentais para todos os comprimentos de onda:

1

125

2

kThce

hcI

Lei da Radiação de Planck:

Max Planck

Teoria “Partícula/Onda”

Page 35: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 35

Einstein: Efeito Fotoeléctrico (1905)

Teoria “Partícula/Onda”

Observou-se que muitos metais ejectam electrões quando uma luz brilhante incide sobre a sua superfície.

Isso é chamado de efeito fotoeléctrico.

A teoria ondulatória clássica, atribuía este efeito da energia luminosa sendo transferida para o electrão.

De acordo com esta teoria, se o comprimento de onda da luz fica mais curto, ou a intensidade de ondas de luz mais brilhante, mais electrões devem ser ejectados.

Lembre-se: a energia de uma onda é directamente proporcional à sua amplitude e sua frequência.

Se uma luz fraca fosse utilizada haveria um tempo de atraso antes de electrões fossem ejectados para dar aos electrões tempo para absorver a energia suficiente

Page 36: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 36

Einstein: Efeito Fotoeléctrico (1905)

Teoria “Partícula/Onda”

Electrões ejectados

Luz

Fonte de tensão

Medidor de corrente

Superfície Metálica

Luz Camara de ejecção

Electrão ejectados

Terminal positivo

Nas experiências com o efeito fotoeléctrico, observou-se que havia um comprimento de onda máximo para a emissão de electrões.

Foi chamada de frequência de limiar. E a emissão era independente da intensidade da luz.

Observou-se também que a luz de alta frequência de uma fonte de emissão fraca, causava emissão de electrões sem qualquer tempo de retardo

Page 37: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 37

Einstein: Efeito Fotoeléctrico (1905)

Teoria “Partícula/Onda”

Explicação de Einstein

A energia de um fotão de luz é directamente proporcional à sua frequência.Inversamente proporcional ao seu comprimento de onda.A constante de proporcionalidade é chamada a constante de Planck, (h),

e tem o valor 6,626 x 10-34 J ∙ s

Einstein propôs que a energia luminosa era entregue aos átomos em pacotes, chamados quanta ou fotões .

ch

hE

Um fotão, na frequência limiar, tem apenas energia suficiente para fazer um

electrão escapar do átomo. Energia de ligação, .

para frequências mais elevadas, o electrão absorve mais energia do que a necessária para escapar…

Este excesso de energia se transforma em energia cinética do electrão ejectado.

Energia Cinética = Efotão – Eligação EC = hn - f

Page 38: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 38

Seu filho, George Thomson ganhou o prémio Nobel por descrever a natureza ondulatória do electrão….

Teoria “Partícula/Onda”

JJ Thomson ganhou o prémio Nobel, por descrever o electrão como uma partícula…

JJ Thomson – Nobel 1906

The electron is a particle!

George Thomson – Nobel 1937

The electron is an energy wave!...

A luz

Page 39: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 39

Dalton

Thomson

Rutherford

Newton

Maxwell

Plank

Einstein

Matéria

Luz

? Bohr &de Broglie

Colisão de ideias

Teoria “Partícula/Onda”

Page 40: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 40

Louis de Broglie, sugeriu que a dualidade onda-partícula que se aplica à radiação EM. também se aplica a partículas de matéria. Ele propôs que cada tipo de partícula tem tanto propriedades de onda com de partícula. Assim, os electrões podem ser considerados tanto como partículas ou ondas.

O impacto da proposta de De Broglie foi de grande alcance. O impacto imediato foi o de fornecer uma interpretação física da quantização de Bohr dos estados estacionários dentro do átomo. O seu impacto seguinte era fornecer uma nova maneira de descrever a natureza da matéria, o que ajudou muito no desenvolvimento da mecânica quântica. Erwin Schrodinger, em 1926, usou as ideias de De Broglie em ondas de como a base de sua mecânica de ondas, uma de várias formulações equivalentes da mecânica quântica.

Louis De Broglie (1924)

Broglie fundamentou que, assim como os fotões de energia electromagnética têm um momentum relacionado com o seu comprimento de onda (p = h / l), as partículas de matéria devem ter um comprimento de onda relacionado com o seu momentum:

Einstein, Planck

Luz

hE maspcE

h

p mv

h

entãokg10ms,J10h 31

e34 ~~

where p = momentum of particle, m = mass of particle, v = velocity of particle and h = Planck’s constant.

Teoria “Partícula/Onda”

Page 41: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 41

Vejamos como a proposta “partícula-onda” de De Broglie ,explica a quantização dos estados estacionários de Bohr (Níveis). O segundo postulado de Bohr afirma que:

Um electrão pode ocupar apenas certas órbitas permitidas ou estados estacionários, em que o momento angular orbital, L, do electrão é um múltiplo inteiro da constante de Planck (h) dividida por 2. Matematicamente, isto pode ser escrito como: L = n h / 2

De Broglie propôs que as órbitas permitidas de Bohr, correspondem ao raio onde os electrões formaram ondas estacionárias ao redor do núcleo.

A condição de formação da onda estacionária, dependia de um número inteiro, n, em que o comprimento de onda de Broglie () , deve caber à volta da circunferência de uma órbita de raio r.

n  L = 2 r Substituindo da relação de Broglie, temos:mv

h

 n (h / mv) = 2 r

m v r = n h / 2 De Broglie foi então capaz de explicar a estabilidade das órbitas dos electrões no átomo de

Bohr. Quando um electrão está numa das órbitas permitidas ou estados estacionários, ele se comporta como se fosse uma onda estacionária, e não uma partícula experimentando aceleração centrípeta. Assim, o electrão não emite radiação electromagnética, quando está num estado estacionário dentro do átomo.

Teoria “Partícula/Onda”Louis De Broglie (1924)

Page 42: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 42

O comprimento de onda de um electrão de Broglie é:

)/(mvh

)/(2 mvnhr

nmvr

Este argumento reforçou a teoria da partícula-onda.

r

.)1,2,3, (nnr2 ..

n=1n=2

n=3

Uma vez que (mvr) é a expressão correcta para o momento angular orbital, L, do electrão em órbita ao redor do núcleo, De Broglie tinha conseguido mostrar que as órbitas permitidas de Bohr (ou estados estacionários) são aquelas para as quais a circunferência da órbita pode conter exactamente um número inteiro de comprimentos de onda de De Broglie. Assim, o primeiro estado estacionário de energia (n = 1) corresponde a uma órbita permitida contendo um comprimento de onda completo dos electrões, o segundo estado estacionário (n =2) corresponde a uma órbita permitida contendo dois comprimentos de onda completos dos electrões, e assim por diante.

Louis De Broglie (1924)

Teoria “Partícula/Onda”

Page 43: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 43

Como sabe que este vaso é azul?A Luz é energia. Ela propaga-se em ondas, cada uma com a sua frequência e comprimento de onda…

Comprimento de onda: () Distância entre pontos correspondentes nas ondas sucessivas.

Frequência: (f) Número de ondas que passam por um ponto no espaço de tempo de um segundo.

Os Átomos podem absorver energia: Mas apenas se a onda transporta a frequência certa para excitar o átomo. A Maior parte das ondas passam através do cobalto , o pigmento do vaso….

Os átomos ficam excitados e um dos seus electrões, salta para um nível de energia mais alto

Energia com um comprimento de onda de cerca de 475 nm (cerca de 4.75 mil milhões de ondas por centímetro) é absorvida.

O electrão depois regressa ao seu nível de energia inicial …

… O quer causa a emissão de um fotão com a mesma frequência…

… O fotão é captado pelo olho humano que interpreta a vibração como cor azul…

… O nosso cérebro processa milhares de milhões de informações por segundo, outros materiais no vaso enviam informações sobre textura, reflectividade, espessura, etc.,

Teoria “Partícula/Onda”

Page 44: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 44

Louis De Broglie (1924)

Teoria “Partícula/Onda”

Comportamento ondulatório dos electrões

De Broglie propôs que as partículas podem ter comportamento ondulatório.

Porque sendo tão pequenos, o comportamento ondulatório dos electrões é significativo.

Um feixe de electrões disparado contra uma fenda mostra um padrão de interferência.

O electrão interfere com a sua própria onda.

De Broglie previu que o comprimento de onda de uma partícula era inversamente proporcional à sua quantidade de movimento.

)()

2

-1

2

sm(kg

s

mkg

mvelocidademassa

h

Page 45: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 45

As ideias de De Broglie não tinham evidências experimentais na época, e Einstein foi quem chamou a atenção para elas.

5 anos mais tarde, em 1929, a quantidade de resultados de experiências motivadas pela ideias de De Broglie, que confirmavam as suas hipóteses era tão grande e tão fortes, que ele ganhou o Prémio Nobel de Física.

A Confirmação experimental da proposta de De Broglie da teoria “partícula-onda” foi alcançada em 1927 por Clinton Davisson e Lester Germer nos EUA e por George Thomson na Escócia. Davisson e Germer realizaram um experiência em que os electrões de um feixe, produziam o mesmo padrão de difracção que os raios-X quando eles eram dispersos por um pequeno cristal de níquel.

Louis De Broglie (1924)

Teoria “Partícula/Onda”

Page 46: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 46

(1892-1987)

1929

19231913ÓRBITAS 3º

MODELO

1911ELECTRÃO 2º MODELO

18971876V IIIELEMENTOS

18751803 18691850

ELETRÓLISE

1º MODELO 1ª TABELA PERIÓDICA

RAIOS CATÓDICOS

1895PROTÃO

RAIOS XNÍVEIS DE ENERGIA

1905

RELATI-VIDADE

Efeito Compton

1924

Aplicando esta suposição ao modelo de Bohr ele supôs que o electrão teria uma onda associada ao longo de sua órbita em torno do núcleo. Mas apenas algumas órbitas seriam possíveis para que a onda não interferisse destrutivamente consigo mesma. Essas órbitas especiais eram exactamente as propostas por Bohr.

Importante para a explicação dos sucessos da teoria de Bohr, e que abriria as portas para a uma teoria consistente, foi dado pelo físico francês Louis De Broglie.

Na sua tese de doutoramento, em 1924, De Broglie fez uma proposição de simetria baseada em uma teoria de Einstein de 1905 de que a luz pode, em algumas condições, se comportar como uma partícula. Não poderiam as partículas apresentar um comportamento de ondas?

Teoria “Partícula/Onda” Louis De Broglie (1924)

Page 47: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 47

Segundo o Princípio da Incerteza do alemão Heisenberg, não se pode conhecer com precisão absoluta a posição ou o momento (e, portanto, a velocidade) de uma partícula. Isto acontece porque para medir qualquer um desses valores acabamos alterando-os, e isto não é uma questão de medição, mas sim de física quântica e da natureza das partículas.

O princípio da incerteza é equacionado através da fórmula:

No seu nível mais fundamental, o princípio da incerteza é uma consequência da dualidade partícula-onda e do princípio de Broglie. Se uma partícula se encontra numa região com erro ∆x, então seu comprimento de onda natural deve ser menor que ∆x, o que requer um momento elevado, variando entre -h/Δx e h/Δx. Aí está a incerteza! O raciocínio é análogo para a indeterminação do momentum.

2

hΔxΔp

Heisenberg (1901-1976),

Professor Fabiano Ramos Costa

Princípio da Incerteza Heisenberg (1926)

"Não se pode determinar simultaneamente a posição e o momentum de um electrão“.

Você pode descobrir onde o electrão está, mas não para onde ele vai... Ou … Você pode descobrir para onde o electrão vai, mas não onde ele está!

Page 48: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 48

x

y

x2

Vamos considerar uma onda num plano dB, que descreve o movimento de um electrão com um momentum bem definido p (ao longo de y). Para determinar a posição do electrão ao longo do eixo x, usamos uma tela com uma fenda x.

Devido à difracção, a onda do electrão, dispersa-se num cone de 2 por detrás da fenda:

A incerteza no momentum ao longo de x:

Assim, se medirmos x com a incerteza x, no próximo momento não vai ser possível determinar px com uma precisão melhor do que px.

.. ΔxsenΔx

hΔpΔxp

ΔpΔx x

x ..

.pΔp x

Princípio da Incerteza Heisenberg (1926) – Difracção do electrão

Nós não podemos atribuir sempre, uma posição no espaço, a um electrão, num dado momento, nem segui-lo na sua órbita… de modo que não podemos assumir que as órbitas planetárias postuladas por Niels Bohr, na verdade, existam…

Luz

Page 49: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 49

Lente

X

x

f

D

px

d

y

x

e- em repouso

e- desviado

Princípio da Incerteza Heisenberg (1926) – Microscópio

A difracção de tamanho limitado da imagem de um ponto objecto:

Os fotões desviados são recolhidos dentro de um angulo :D

ffΔX ..

Fotão desviado

'hp' /

d

D

f

d

Δx

ΔX

Fotão incidente

/hp

cm

hcosθ1

cm

h'

ee ..

21cos

2

e

2

2

22

e2e m

h

cm

hch

'

'ch

'

chch'k

...

..

..

..

h

km2p eex ..

d

DhhpΔp xx .

h

f

d

Df

d

DhΔxΔpx

....

Page 50: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 50

Princípio da Incerteza Heisenberg (1926) – Medir a posição e a velocidade dum electrão…

Electrão

Fotão incidente

Antes da Colisão fotão/electrão

A Luz brilhante incide nos electrões e a luz reflectida é detectada através de um microscópio.

Incerteza mínima na posição é dada pelo comprimento de onda da luz.

Assim, para determinar a posição do electrão com maior precisão, é necessário usar uma luz com um comprimento de onda mais curto.

Depois da Colisão fotão/electrão

Electrão desviado

Fotão reflectido

Pela lei de Planck E = hc / λ, um fotão com um comprimento de onda mais curto, tem mais energia…

Assim, iria provocar um desvio maior no electrão..

Mas, para determinar com precisão a sua velocidade, esse desvio (momentum), deveria ser pequeno….

Isso significa usar luz de comprimento de onda mais longo!..

Page 51: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 51

Princípio da Incerteza Heisenberg (1926) – Medir a posição e a velocidade dum electrão…

Implicações

É impossível saber com precisão a posição e a velocidade exacta, ou seja, x = 0 e p = 0;

Estas incertezas são inerentes ao mundo físico e não tem nada a ver com a habilidade do observador.

Porque h é tão pequeno, essas incertezas não são observáveis em situações cotidianas normais.

J.s101.054h 34

Papel de um observador na Mecânica QuânticaO observador não é objetivo nem passivo.O acto de observação altera o sistema físico de forma irrevogável. Isto é conhecido como realidade subjectiva…

No Mundo ClássicoO observador é objetivo e passivo.

Os eventos físicos acontecem independentemente da existência ou não de um observador…

Isto é conhecido como realidade objetiva.

Page 52: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 52

O Principio da Incerteza... não é um bug, mas é uma característica ...

Princípio da Incerteza Heisenberg (1926)

Não é causado pelo processo de medição, é um aspecto intrínseco da natureza ondulatória dos “quantuns”.

Ele reflecte as propriedades de estados “quantum” em vez das limitações sobre a precisão das medições. Em contraste com a crença generalizada, o P.I. não limita a precisão das medições.

Podem-se realizar as medições num conjunto de partículas idênticas: Para alguns delas, x é medido, para outras - p, no entanto, as variações destas medidas iriam satisfazer a condição (x2).(p2)>h2/4, apesar do facto de apenas um tipo de medida ter sido foi feito em cada partícula.

As grandezas mecânicas, tais como a posição, velocidade, etc., devem ser representadas não por números ordinários, mas por estruturas matemáticas abstratas chamadas de "matrizes" e Heisenberg formulou a sua teoria em termos de equações matriciais.

Em 1941, Heisenberg tentou convencer Neil Bohr para desenvolver e construir uma bomba nuclear para apoiar a Alemanha, mas por razões morais Bohr não aceitou.

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 53

d2Ydy2

d2Ydx2

d2Ydz2

+ +8p2me

h2(E-V(x,y,z)Y(x,y,z) = 0+

Como y varia no espaço

Massa do electrão

Energia quantizada total, do sistema atómico

Energia potencial em x,y,zFunção Onda

Mecânica Quântica

Erwin Schrodinger (1927)

Erwin Schrodinger(1887-1961)

Utiliza equações matemáticas do movimento das ondas para gerar uma série de equações para descrever o comportamento dos electrões, no átomo.

As equações de onda ou funções de onda, são designadas pela letra grega ψ.

Em 1927, desenvolveu a equação de onda:

Onde Ψ, é chamada função de onda, em função das coordenadas cartesianas x, y, z; E é a energia total do electrão e V a energia potencial.

Page 54: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 54

Schrödinger começou a pensar em explicar o movimento de um electrão no átomo, como uma onda. Em 1926 ele publicou o seu trabalho, fornecendo uma base teórica para o modelo atômico que Niels Bohr havia proposto, com base em provas de laboratório.

Mecânica Quântica

Erwin Schrodinger (1927)

A equação essencial da sua publicação ficou conhecida como equação de onda de Schrödinger, em substituição da visão clássica dos electrões como partículas. Esta foi a segunda explicação teórica dos electrões num átomo, após a mecânica matricial de Werner Heisenberg. Muitos cientistas preferiram a teoria de Schrödinger, uma vez que pode ser visualizada, enquanto que a de Heisenberg era estritamente matemática.

O átomo de Schrõdinger é um modelo matemático que descreve os átomos de uma forma muito semelhante ao de Bohr-Sommerfeld, mas com uma diferença notável, a saber: pelo princípio de incerteza, perde sentido a palavra órbita e surge a palavra orbital. Um orbital é uma zona, (não uma linha) do espaço onde é mais provável encontrar-se um electrão.

A divisão entre os físicos ameaçava, mas Schrödinger logo mostrou que as duas teorias eram idênticas, apenas se expressavam de forma diferente.

Page 55: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 55

Um orbital é uma região, dentro de um nível de energia, em que existe maior probabilidade de encontrar um electrão. Este é um diagrama de probabilidades para o orbital s no primeiro nível de energia …

Pro

babi

lidad

e (r

2 )

Distância do núcleo (r)

As formas dos orbitais são definidas como a superfície que contém 90% da probabilidade total de electrões.

Configuração Electrónica: Orbital

Mecânica Quântica

Erwin Schrodinger (1927)

y

z

xr

EVdx

d

m

h2

2

e2

2

.8

Equação das probabilidades de um electrão ser encontrado ao longo de um eixo simples(x-axis)

Ψ² dx * dy * dz = Ψ²dv

Page 56: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 56

Mecânica Quântica

Erwin Schrodinger (1927)Energias relativas para Orbitais: A solução da equação de Schrödinger leva a números

quânticos que fornecem o endereço dos electrões num átomo. O que se segue é um modelo do átomo baseado nesta teoria.

No modelo quântico o conceito clássico de trajetcória, característico das partículas macroscópicas (por exemplo: bola de ténis), é assim substituído pelo conceito de “nuvem de probabilidade”, que designamos por orbital para os electrões.

As contribuições de Erwin foram a mecânica ondulatória e a mecânica quântica. Ele escreveu artigos sobre mecânica ondulatória, que o levaram à mecânica quântica.

Na descrição do átomo no contexto da mecânica quântica, substitui-se o conceito da órbita pelo orbital atómico. Um orbital atómico é a região do espaço em torno do núcleo, em que a probabilidade de encontrar um electrão é mais elevada. Cada orbital tem um valor associado de Ψ2 e um certo valor de energia.

Page 57: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 57

1s 2pz 3pz

3dx,y 3dz2

Mecânica Quântica Erwin Schrodinger (1927)

Onde H é um operador matemático chamado Hamiltoniano e E, é a energia dos níveis permitidos. A função de onda Ψ não tem significado físico em si. mas o seu quadrado de uma região de espaço Ψ2 é um indicador da probabilidade de encontrar um electrão nesta região espacial.

Cada solução da equação de onda de Schrödinger, descreve um possível estado do electrão, chamado de orbital atómico, um conceito análogo à órbita no modelo de Bohr.

O baixo valor da constante de Planck h = 6,626 · 10-34 J/s impede de perceber o comportamento ondulatório da matéria em objetos grandes ou cotidianos, já que como o comprimento de onda associado é tão pequeno, que tal comportamento é indetectável.

Page 58: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 58

Muitos físicos passaram a assumir que o electrão não estaria necessariamente em lugar nenhum, até que fosse detectado em um experimento. As informações que podem ser obtidas passam a ser em qual região do espaço é mais provável encontrar o electrão. Esta probabilidade estaria relacionada com o módulo da função de onda associada ao electrão para uma dada energia.

Mecânica Quântica

Erwin Schrodinger (1927)

Na formulação de Schrödinger não é possível determinar a trajetcória de uma partícula, o que levou a interpretações que vão totalmente além de nossa concepção macroscópica. Este resultado já havia sido apresentado no trabalho de outro fundador da Teoria Quântica, Werner Heisenberg.

Usando uma formulação diferente, mas equivalente á de Schrödinger, determinou o chamado princípio da incerteza. Segundo este, quanto maior a precisão na determinação experimental da posição de um electrão, menor a precisão na determinação de sua velocidade, e vice-versa. Como ambos são necessários para definir uma trajetória, este conceito teria que ser descartado.

O resultado mostrou-se correcto, mas levou também a um conflito, pois passou-se de uma formulação determinista para uma estatística. Não se determina mais onde o electrão está, mas qual a probabilidade de que esteja numa região do espaço.

Page 59: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 59

Erwin Schrödinger (1887-1961)

Modelo Atómico Actual

1933

192719241913ÓRBITAS 3º

MODELO

1911ELECTRÃO 2º MODELO

18971876V IIIELEMENTOS

18751803 18691850

ELETRÓLISE

1º MODELO 1ª TABELA PERIÓDICA

RAIOS CATÓDICOS

1895PROTÃO

RAIOS XNÍVEIS DE ENERGIA

PARTÍCULA-ONDA

1905

RELATI-VIDADE

Mecânica Quântica

Pelo seu trabalho, ganhou o prémio Nobel da física em 1933…

Embora a mecânica quântica deixe claro que não se pode saber onde se encontra um electrão, ele define a região em que se pode encontrar em qualquer momento. O quadrado da função de onda Ψ2 define a distribuição da densidade de electrões em torno do núcleo. Este conceito de densidade de electrões dá a probabilidade de encontrar um electrão numa certa região do átomo, chamada orbital. As regiões de alta densidade de eletrões representam a maior probabilidade de encontrar um electrão.

Page 60: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 60

1924 – Louis de Broglie: Dualidade da Matéria Toda e qualquer massa pode se comportar como onda.

1926 - Heisenberg: Princípio da IncertezaÉ impossível determinar ao mesmo tempo a posição e a velocidade do electrão.

1927 - Schrödinger: Orbitais O electrão, como onda, pode ser encontrado ao redor do núcleo em regiões de máxima probabilidade (orbital).

Modelo Atómico Actual (Orbital ou Quântico)

1929

1932

1933

Mecânica Quântica

Page 61: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 61

O Modelo atómico actual, é um modelo matemático-probabilístico que se baseia em três princípios tendo por base o Modelo de Bohr:

A ideia de órbita é questionada – Heisenberg -Princípio da Incerteza de : é impossível determinar com precisão a posição e a velocidade de um electrão, num mesmo instante.

O movimento do Electrão - Louis de Broglie - Princípio da Dualidade da Matéria: Se as ondas electromagnéticas se comportam como partículas, uma partícula em movimento deve ter características ondulatórias – O electrão apresenta características Duplas, ou seja, comporta-se como matéria e como energia, sendo portanto, uma “partícula-ondulatória”.

Então… Se não há órbita – Schrodinger – Orbital: existe uma região em torno do núcleo, na qual a probabilidade de encontrar um electrão é máxima.

A mecânica quântica do Átomo : As divergências acabaram através da descoberta das propriedades ondulatórias dos electrões e no desenvolvimento não relativista e, mais tarde, a mecânica quântica relativista como referencial teórico para lidar com o comportamento de caracter duplo onda/partícula do electrão…

Estas teorias desenfatizaram a localização exacta e velocidade do electrão como uma partícula e englobam versões mais naturais, mas mais elaboradas da quantização do momentum angular do electrão…

Mecânica Quântica

Page 62: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 62

Baseball vs. ElectrãoUma bola de basebol comporta-se como uma

partícula, e segue um percurso previsível.

Mas…

Um electrão comporta-se como uma onda, e seu caminho é imprevisível.

Tudo o que podemos fazer é calcular a probabilidade de o electrão seguir um caminho específico.

Mecânica Quântica

Page 63: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 63

Baseball vs. Electrão

Mecânica Quântica

Exemplo da bola de Baseball

Um arremessador atira uma bola de 0,1 kg a 40 m/s.

Assim o impulso (momentum) é de 0,1 x 40 = 4 kg m/s.

Supondo que o movimento é medido com uma exactidão de 1%, isto é:

Δp = 0.01 p = 4 x 10-2 kg m/s…

A incerteza na posição é então:

m101.3Δp4

hΔx 33

Não é de admirar que não se possam observar os efeitos do princípio da incerteza na vida cotidiana!

Page 64: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 64

Baseball vs. ElectrãoE se uma bola de basebol se comportar como um electrão?

10%

20%

50%

= h /(mv)Massa Veloc.

Caracteristicas do comprimento de onda ()

baseball 10-34 m electrão 0.1 nm

Então, tudo o que podemos prever é .....

Mecânica Quântica

Page 65: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 65

“determinista” “probabilística”

Conceito Clássico de Trajectória

Velocidade da bola

Trajetcória

Posição da bola

Força da bola(Gravidade)

Trajectória Clássica Mecânica Quântica(Mapa da distribuição de probabilidades)

Mecânica Quântica

Page 66: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 66

Modelo de Bohr vs. Mecânica Quântica

e-

e-

e-

434 nmViolet

486 nmBlue-Green

657nmRed

______n=1

______n=2

______n=3

______n=4

Modelo de Bohr Mecânica Quântica

O movimento dos electrões não pode ser conhecido com precisão.Nós só podemos mapear as probabilidades de encontrar o electrão em vários

locais fora do núcleo.O mapa de probabilidades é chamado de orbital.O orbital é calculado para confinar 99% da faixa de electrões.A Energia do electrão é quantizada em subníveis.

Mecânica Quântica

Page 67: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 67

Dalton

Thomson

Rutherford

Newton

Maxwell

PlankEinstein

Matéria

Luz

Schrödinger

Heisenberg

MecânicaOndulatória

MecânicaQuânticaBohr &

de Broglie

Mecânica Quântica"A teoria de maior sucesso do século 20"

Page 68: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 68

Mecânica Quântica

A amplitude é a altura da onda. A distância entre a crista e o nó. Nó ou depressão da onda.A amplitude na luz, é uma medida de quanto a luz é intensa - quanto maior for a

amplitude, maior o brilho da luz.

O comprimento de onda, (l) é uma medida da distância coberta pela onda. A distância entre cristas ou nós alternados.

A frequência, (v) é o número de ondas que passam num ponto num dado período de tempo.

O número de ondas = número de ciclos.As unidades são: hertz (Hz) ou ciclos/s = s-11 Hz = 1 s-1.

A energia total é proporcional à amplitude e frequência das ondas.quanto maior for a amplitude da onda, mais energia tem.Quanto mais frequentemente a ondas incidirem maior energia total.

Comportamento ondulatório da luz

Page 69: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 69

Amplitude

Comprimento de onda ()

A relação entre Comprimento de onda e frequência:Para as ondas que viajam à mesma velocidade, quanto mais curto for o comprimento de

onda, mais frequentemente elas passam.isto significa que o comprimento de onda e a frequência das ondas electromagnéticas são

inversamente proporcionais.Uma vez que a velocidade da luz é constante, se soubermos o comprimento de onda,

podemos encontrar a frequência, e vice-versa.

csν s

m-1

Mecânica QuânticaComportamento ondulatório da luz

Page 70: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 70

A Cor : a cor da luz é determinada pelo seu comprimento de onda.ou frequência.

A luz branca é uma mistura de todas as cores de luz visível.O espectro.RedOrangeYellowGreenBlueViolet

Quando um objecto absorve alguns dos comprimentos de onda da luz branca, enquanto refletindo os outros, aparece colorido.

a cor observada tem a tonalidade das cores refletidas.

Diferentes amplitudes, diferentes brilhosDiferentes comprimentos de

onda, diferentes cores

Mecânica QuânticaComportamento ondulatório da luz

Page 71: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 71

A interação entre as ondas é chamada de interferência.

Quando as ondas interagem de modo a que elas se acrescentem e façam uma onda maior, é chamada de interferência construtiva;

as ondas estão em fase.Quando as ondas interagem de modo que elas se anulam mutuamente, é

chamada de interferência destrutiva; as ondas estão em oposição de fase.

Onda 1

Onda 2

Resultante

Mecânica QuânticaComportamento ondulatório da luz

Page 72: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 72

Quando as ondas que se propagam num meio, e encontram um obstáculo ou abertura numa barreira que tem aproximadamente o mesmo tamanho que o comprimento de onda, dobram-se em torno dele - isto é chamado de difracção.

partículas em movimento não se difractam.

A difracção da luz por meio de duas fendas separadas por uma distância comparável com o comprimento de onda, resulta num padrão de interferência das ondas difractadas.

O padrão de interferência é uma característica de todas as ondas luminosas.

Ondas Partículas

Mecânica QuânticaComportamento ondulatório da luz

Page 73: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 73

Difracção em fenda dupla

Mecânica QuânticaComportamento ondulatório da luz

Page 74: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 74

A mecânica quântica demonstra as naturezas inseparáveis de onda e partícula da luz e de outras partículas quânticas. Uma fonte de luz coerente, ilumina uma fina placa com duas ranhuras cortadas em paralelo, e a luz passando através das ranhuras vai projectar-se numa tela a frente. A natureza de onda da luz causa que as ondas de luz ao passarem através das duas ranhuras, interfiram uma na outra, criando um padrão de bandas de luz e sombra na tela. Porém se a luz passar somente através de uma ranhura, na tela nota-se uma absorção (desvanecimento) da luz como se ela fosse feita de partículas!...

d

L

x

L

x

d

Mecânica QuânticaComportamento ondulatório da luz

Page 75: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 75

Partículas, como os fotões, também têm um comprimento de onda dado por:

Alguém poderia perguntar:"Se a luz pode comportar-se como uma partícula,

podem as partículas agir como ondas "?

SIM !

O comprimento de onda de uma partícula depende da seu momentum, exactamente como um fotão!

A principal diferença é que as partículas de matéria têm massa, e os fotões não!

Mecânica QuânticaComportamento ondulatório da luz

Page 76: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 76

Partículas como ondasCalcular o comprimento de onda de uma bala de 10 [g], movendo-se a 1000 [m/s].

λ = h/mv = 6.6x10-34 [J s] / (0.01 [kg])(1000 [m/s])

= 6.6x10-35 [m]

Isto é imensuravelmente pequeno!...

Para "objectos comuns“ do dia a dia, não damos importância a isso!

A matéria pode se comportar como uma onda!...

Mecânica QuânticaComportamento ondulatório de partículas

Page 77: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 77

Comprimento de onda versus Tamanho

Bactérias, visualizadas usando luz visível

Image is in the public domain

Com um microscópio de luz visível, estamos limitados por resolução, a visualizar objectos, com dimensões mínimas até cerca de:

0.5*10-6 m = 0.5 μm = 500 nm de dimensãoIsto ocorre porque a luz visível, com um comprimento de onda de ~ 500 nm não pode

visualizar os objetos cujo tamanho é menor do que o seu comprimento de onda…

Image is in the public domain

Bactérias, visualizadas usando electrões

Mecânica QuânticaComportamento ondulatório de partículas

Page 78: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 78

Microscópio Electrónico

Image in the Public DomainPonto Importante:Partículas de energia mais elevada, podem ser usadas para revelar a estrutura da matéria!...

Comprimento de onda versus Tamanho

O microscópio electrónico é um dispositivo que utiliza o comportamento ondulatório dos electrões, para visualizar imagens que são demasiado

pequenas para a luz visível!

Esta imagem foi tirada com um Microscópio de Varredura Electrónica

Scanning Electron Microscope (SEM)

O SEM tem características de resolução tão pequena quanto 5 nm. Isto é cerca de 100 vezes melhor do que o

pode ser visualizado com microscópios de luz visível!

Mecânica QuânticaComportamento ondulatório de partículas

Page 79: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

SEM cabeça de formiga

Image in the Public Domain

Page 80: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 80

dr-quantum_Luz 2Fendas.wmvhttp://www.youtube.com/watch?v=lytd7B0WRM8

Mecânica Quântica

Dualidade onda/partícula

Page 81: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 81

Quântica

A Energia do Electrão é quantizada

Matemática das ondas para definir orbitais(mecânica ondulatória)

Mecânica

Descreve a energia, disposição e espaço ocupado por electrões no átomos.

Modelo de Mecânica Quântica

Mecânica Quântica

Page 82: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 82

James Chadwick

A James Chadwick, Físico Britânico, colaborador de Ernest Rutherford, foi atribuída a tarefa de rastrear evidências da partícula "par protão-electrão" ou neutrão, referido por Rutherford.

Em 1920, Ernest Rutherford postulou que no núcleo dos átomos existiam partículas massivas neutras. Esta conclusão surgiu da disparidade entre o número atómico do elemento (protões = electrões) e a massa atómica (normalmente massa em excesso, em relação ao número de protões presentes conhecidos)…

Raciocínio: A massa de um átomo é maior do que a massa dos seus protões e electrões.

Portanto, deve haver uma outra partícula no átomo que tem massa… Essa partícula adicional, não deve ter qualquer carga, porque se tivesse carga, o

átomo já não seria electricamente neutro.

Em 1932, encontrou a nova partícula elementar, o terceiro componente básico do núcleo.Ele não só bombardeou os átomos de hidrogénio em parafina com as emissões de berílio, mas também usou hélio, azoto e outros elementos, como alvos. Ao comparar as energias das partículas com carga, recolhidas a partir de diferentes alvos, provou que as emissões de berílio continham um componente neutro com uma massa aproximadamente igual à do protão, a que ele a chamou de Neutrão.

1891 – 1974

A Descoberta do Neutrão (1932)

Page 83: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 83

O arranjo experimental montado por Chadwick, seguindo os passos de investigadores anteriores, como Walther Bothe, e o casal Frédéric Joliot e Irène Curie, que não conseguiram identificar a estranha radiação emitida belo Berílio quando bombardeado com partículas alfa, foi esquematicamente o seguinte:

Uma fonte radioativa de polónio emite partículas alfa que incidem sobre uma placa de Berílio. O Berílio bombardeado pelas alfas, produz uma radiação neutra desconhecida. Para descobrir a natureza dessa radiação, Chadwick captou-a numa câmara de ionização. Como o nome indica, a passagem da radiação pela câmara, ioniza átomos de um gás que serão, então, capturados por uma placa metálica electricamente carregada. Desse modo, impulsos de corrente saem da placa e produzem deflexões no ponteiro de um oscilógrafo. Chadwick observou que, colocando a fonte de radiação bem junto do detetor, já surgiam 4 deflexões por minuto no oscilógrafo.

Essa contagem se mantinha mesmo quando uma chapa de chumbo com 2 centímetros de espessura era colocada entre o berílio e o detector, demonstrando que a radiação desconhecida era bastante penetrante.

A seguir, observou que, colocando uma placa de parafina entre o berílio e o detector, as contagens no oscilógrafo aumentavam para cerca de 10 por minuto.

James Chadwick

A Descoberta do Neutrão (1932)

Page 84: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 84

Isso indicava claramente que a radiação desconhecida induzia a produção de outro tipo de radiação a partir da parafina. Alguns teste simples logo mostraram que essa nova radiação era formada de protões. Chadwick conseguiu medir a energia desses protões e logo ficou claro que eles não poderiam ser produzidos por raios gama.

James Chadwick (Cont.)

Uma comparação elementar utilizando a conservação da energia num choque frontal entre partículas, mostrou que uma radiação gama não seria capaz de arrancar protões da parafina com a energia observada. Foi então que Chadwick supôs que a radiação fosse composta de partículas neutras com peso semelhante ao peso do protão.

Levando em conta essa hipótese, Chadwick usou a radiação neutra do berílio para bombardear vários gases diferentes.

Desse modo, medindo a energia dos átomos desses gases após serem atingidos pela radiação, conseguiu calcular a massa das partículas neutras. Obteve um valor um pouco maior que a massa do protão, como era de se esperar.

A Descoberta do Neutrão (1932)

Page 85: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 85

BerílioCâmara de ionização

(Nitrogénio)

Caixa de Chumbo

Polónio

Parafina

Oscilógrafo

=?

9

4Be + 4

2 C6

12+ n1

0

James Chadwick

Em 1932, o cientista James Chadwick descobriu o neutrão através do bombardeamento do isótopo 9 do Berílio com partículas alfa.Arranjo experimental montado por Chadwick:

Protões

A Descoberta do Neutrão (1932)

Na colisão o átomo de berílio adiciona a partícula alfa e transmuta-se no elemento químico carbono, com seis protões e sete neutrões, número de massa treze (13) e que por ser instável, elimina um neutrões e transmuta-se no carbono estável de número de massa doze (12).

Page 86: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 86

Material radioactivo

+2

Vácuo

Placas com caga Eléctrica

Folha de Be

Placa fotográfica

A Descoberta do Neutrão (1932)

a +2

p+n0

e-

Page 87: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 87

Sem carga elétrica, os neutrões dividem com os protões o espaço do núcleo atómico.

Por esta época, os cientistas começaram a usar aceleradores de partículas a fim de bombardear núcleos atômicos, na esperança de dividir átomos e criar energia. Inicialmente, eles obtiveram sucesso muito limitado - os primeiros acelerados de partículas disparavam protões e partículas alfa, ambos portadores de carga positiva.

O panorama mudou em 1934, quando o físico italiano Enrico Fermi concebeu a ideia de usar neutrões nos bombardeios. Como os neutrões não têm carga elétrica, eles podem atingir sem rejeição o núcleo de um átomo. Fermi bombardeou diversos elementos com sucesso e criou elementos novos, radiativos, como resultado de suas experiências. Fermi, sem que o soubesse, havia descoberto o processo de fissão nuclear.

James Chadwick (Cont.)

Mesmo em alta velocidade, essas partículas eram facilmente repelidas pelos núcleos dotados de carga positiva, e figuras como Rutherford, Albert Einstein e Niels Bohr acreditavam que fosse quase impossível desenvolver uma forma de controlar a força do átomo

A Descoberta do Neutrão (1932)

Núcleo – Protões+Neutrões

Page 88: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 88

Átomo Núcleo

Electrões e(carga negativa)

Núcleo

Aproximadamente 10 -10 m Aproximadamente 10 -15 m

Z - Protões p

Neutrões no

(carga Positiva)

(carga Neutra)

Representação de um Átomo

Nuvem electrónica

A= Protões + Neutrões

Em 1932, James Chadwick mudou a composição de elementos para sempre. Sua maior conquista foi provar a existência de neutrões, e assim alterou a representação do átomo..

A Descoberta do Neutrão (1932)

Page 89: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 89

Protões (carga eléctrica +), p Electrões (carga eléctrica –), e

Neutrões (sem carga), n Protão e Neutrão têm a mesma massa.

O Electrão tem 2000 vezes menos massa do que o Protão.

Forças Eléctricas produzem atracção entre Electrões e Protões no núcleo do átomo (eles têm cargas opostas).

Nuvem de probabilidades de posicionamento do electrão

10-10 m

Núcleo:6 protões

6 ou 7 neutrões

Carbono tem 6 protões

note: scale is wrong(nucleus greatly exaggerated)

Os elementos químicos são definidos pelo número de protões no núcleo do átomo.

Hidrogénio: 1 protão & 1 electrão

Representação de um Átomo

Núcleo

A Descoberta do Neutrão (1932)

Page 90: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 90

Definições:

Átomo - É a menor partícula em que um elemento químico pode ser dividido, conservando as propriedades químicas elementares.

Constituição do átomo: Núcleo (Protões + e Neutrões +-) e Electrões) distribuídos por órbitas ou camadas e com carga negativa.

Cada órbita: pode conter um número máximo de electrões que se pode determinar pela expressão 2n2, em que n é o número de ordem do nível correspondente à órbita a partir do núcleo, sendo 7 o número máximo de níveis.

Um átomo completo, ou neutro: tem o mesmo número de electrões de carga negativa como de protões de carga positiva, e portanto tem uma carga total de zero,… neutro!

Ião positivo: Átomo que perdeu um ou mais electrões.

Ião negativo: Átomo que ganhou electrões.

Molécula: É a combinação de dois ou mais átomos que formam a menor parte de um composto, isto é, a menor partícula em que um composto pode ser dividido permanecendo a mesma substância.

Representação de um Átomo

A Descoberta do Neutrão (1932)

Page 91: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 91

Experimentos feitos no final dos anos 1960 e início dos anos 1970 mostrou que os neutrões são feitos de outras partículas chamadas quarks. Os neutrões são feitos de um quark 'up' e dois quarks “down".

Os Neutrões não têm carga eléctrica. Os Neutrões não precisam de superar qualquer barreira de Coulomb. 1.675×10−27 kg Duração 881.5 segundos

Acredita-se que um dos blocos básicos de construção da matéria. Quarks foram descobertos em experiências feitas no final dos anos 1960 e início dos anos 1970.

A Descoberta do Neutrão (1932)James Chadwick

O neutrão descoberto por Chadwick foi logo usado para bombardear átomos de urânio, experiências que conduziram à descoberta de fissão nuclear e ao desenvolvimento da bomba atómica e da energia nuclear.

Porque o neutrão era relativamente maciço, mas neutro, e dificilmente afectado pela nuvem de electrões em torno do núcleo ou pela barreira eléctrica positiva do próprio núcleo, poderia penetrar no núcleo do átomo de qualquer elemento.

Isto não só mudou a nossa visão do núcleo, mas também forneceu um novo meio, relativamente barato de sondar o núcleo. Era de se esperar, portanto, que os neutrões fossem mais adequados para produzir novos Isótopos, do que as partículas alfa até aí usadas…

Page 92: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 92

NúcleoTamanho 10-14m

Em 1964, o norte-americano Murray Gell-Mann , que ganharia o Prémio Nobel de 1969, sugeriu que: a matéria poderia ser subdividida em partes ainda menores, chamadas por ele de quarks, cuja existência foi confirmada em 1994.

ÁtomoTamanho 10-10m

ElectrãoTamanho 10-18m

NeutrãoTamanho10-15m

ProtãoTamanho10-15m

QuarkTamanho10-19m

O tamanho dos protões e neutrões da figura, seriam na ordem dos 10 cm, enquanto que os quarks e electrões seriam na ordem de 0,1 mm. Todo o conjunto do átomo teria cerca de 10 Km de diâmetro .

Estrutura interna do átomo

 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Neutron_QCD_Animation.gif.

Page 93: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 93

Descoberta do Neutrão: James Chadwick

James Chadwick (1891-1974)

1935

1932192619241913ÓRBITAS 3º

MODELO

1911ELÉTRON 2º MODELO

18971876V IIIELEMENTOS

18751803 18691850

ELETRÓLISE

1º MODELO 1ª TABELA PERIÓDICA

RAIOS CATÓDICOS

1895PRÓTON

RAIOS XNÍVEIS DE ENERGIA

PARTÍCULA-ONDA

PRINCÍPIO DA INCERTEZA

1905

RELATI-VIDADE

Tornou-se professor de Física na universidade de Liverpool e, durante a Segunda Guerra Mundial, integrou o Projeto Manhattan nos Estados Unidos , tendo sido conselheiro científico de Robert Oppenheimer, o director do Projeto, que deu origem á primeira Bomba Atómica... em 1945.

O neutrão, ao atravessar um campo eléctrico, não sofre desvio, permitindo concluir que o neutrão é uma partícula que não possui carga eléctrica, mas que possui massa praticamente igual a do protão…

Em 1935 recebeu o Prémio Nobel de Física por este trabalho.

A Descoberta do Neutrão (1932)

Page 94: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 94

Mecânica Quântica

As teorias da MECÂNICA QUÂNTICA, definidas por Planck, De Broglie, Schrödinger e Heisemberg, dentre outras, auxiliaram na identificação dos electrões no átomo.

Números Quânticos

Os electrões têm energias discretos, não porque eles estão em níveis de energia, mas porque eles só podem ter certos comprimentos de onda.

As linhas espectrais não são devidas aos electrões saltarem de nível para nível (como no modelo de Bohr) ...sendo, em vez disso, devido aos electrões se transformarem de um comprimento de onda, para outro.

Cada electrão é uma onda ( )y que pode ser descrita por uma série de "números de quantum“.

Há quatro números quânticos: n, l, ml, ms.

A combinação dos 3 primeiros define uma "orbital“.

A racionalidade para os números quânticos nem sempre é clara. Esses números vêm de um pouco de matemática bastante avançada. Você não tem que saber por que usar certas fórmulas para determinar os números quânticos.

Você tem que saber o que as fórmulas são, quando usá-los, e quais são os números quânticos resultantes e o que representam.

Page 95: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 95

Mecânica QuânticaNúmeros Quânticos

Os números quânticos descrevem as energias dos electrões nos átomos e são de enorme relevância quando se trata de descrever a posição dos electrões nos átomos, e são os seguintes:

1. Números Quânticos Principal (n);

2. Números Quânticos Secundário/Azimutal (l);

3. Números Quânticos Magnético (ml);

4. Números Quânticos Spin (ms);

Page 96: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 96

Números Quânticos: Número Quântico Principal (n)

Mecânica Quântica

Neils Bohr teorizou que a energia quantizada que Max Planck sugeriu, Einstein propôs, e Rydberg calculou, poderia ser a razão porque certas frequências de luz foram vistas no espectro do hidrogênio. Ele pensou que os electrões do hidrogênio só poderiam ocupar determinados níveis de energia dentro do átomo. A Luz que equalizava a diferença dos níveis, poderia causar o electrão “saltar” para um nível superior. Quando o electrão caia para a sua órbita original, a mesma frequência de luz seria emitida.

Os electrões eram agora vistos. como estarem em órbita ao redor do núcleo. Como mencionado, os electrões só poderiam orbitar em certas distâncias que representam os níveis de energia diferentes (níveis quânticos). Estes níveis de energia foram rotulados de n= 1, n= 2, n= 3 e assim por diante. E foram chamados de números quânticos principais.

O NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL foi deduzido independentemente por Bohr e Schrödinger, pela fórmula:

22

242

.

..

hn

Zem2E

E = energia de uma camada; m = massa de um elétron; e = carga de um elétron;

Z = número atômico; h = constante de Planck; n número quântico principal;

1 2 3 4 5 6 7

Page 97: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 97

Números Quânticos: Número Quântico Principal (n)

Mecânica Quântica

n - Define o tamanho da orbita, e o período da Tabela periódica. Quanto maior n, mais afastada do núcleo é a órbita

Como nos átomos conhecidos o número máximo de camadas é igual a 7, o NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL varia de 1 a 7, ou KLMNOPQ.

Camada Número Quântico Principal

(n)

Número máximo de electrões (Teórico)

(2n2)

Número máximo de electrões (Prática)

(2n2)

K 1 2.12 = 2 2

L 2 2.22 = 8 8

M 3 2.32 = 18 18

N 4 2.42 = 32 32

O 5 2.52 = 50 32

P 6 2.62 = 72 18

Q 7 2.72 = 98 2

O cientista Sueco Johannes Robert Rydberg definiu o número máximo de electrões nas camadas era = 2n2.

Page 98: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 98

Números Quânticos: Número Quântico Principal (n)

Mecânica Quântica

Caracteriza a energia do electrão num determinado orbital. Corresponde aos níveis de energia de Bohr.

n pode ser um número inteiro 1.

Quanto maior for o valor de n, tanto mais energia tem o orbital.

As energias são definidas como sendo negativas.

um electrão teria E = 0, no instante em que escapa do átomo.

Quanto maior for o valor de n, maior será o orbital.

Á medida que n fica maior, a quantidade de energia entre os orbitais fica menor.

218

n n

1J10-2.18E -

Para um electrão num átomo de H

Page 99: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 99

Números Quânticos: Número Quântico Principal (n)

Mecânica Quântica

Principais Níveis de Energia do hidrogénio

Page 100: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 100

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/azimutal (l)

Mecânica Quântica

Também conhecido como número quântico de momento angular do orbital. Caracteriza uma subdivisão de energia dentro de cada camada, revelando, desta maneira, a existência de Subníveis de Energia. l = 0; 1; 2; ...; n - 1

n = 1l = 0 (s)

n = 2l = 0 (s)l = 1 (p)

n = 3l = 0 (s)l = 1 (p)l = 2 (d)

n = 4l = 0 (s)l = 1 (p)l = 2 (d)l = 3 (f)

Quanto maior for o número quântico azimutal, mais elíptico e achatado será o orbital. Quando vale zero, o orbital e circular. Quando vale um, é ligeiramente elíptico. Se dois, é mais achatado; se três, ainda mais …

Page 101: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 101

Camada Subníveis Existentes na Camada Quantidade de Subníveis na Camada

K (n = 1) s (l = 0); 1

L (n = 2) s (l = 0); p (l = 1) 2

M (n = 3) s (l = 0); p (l = 1); d (l = 2); 3

N (n = 4) s (l = 0); p (l = 1); d (l = 2); f (l = 3) 4

O (n = 5) s (l = 0); p (l = 1); d (l = 2); f (l = 3) 4

P (n = 6) s (l = 0); p (l = 1); d (l = 2); 3

Q (n = 7) s (l = 0); 1

l = 0 indica o subnível s

l = 1 indica o subnível p

l = 2 indica o subnível d

l = 3 indica o subnível f

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l)

Mecânica Quântica

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d

Page 102: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 102

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l) - Orbitais

Mecânica Quântica

Cada Camada pode representar um ou mais orbitais, sendo que, O NÚMERO MÁXIMO DE ORBITAIS É CALCULADO PELA EXPRESSÃO:

2l + 1l =0 subnível s um só orbital s (0)

l =1 subnível p três orbitais p (-1) (0) (+1)

l =2 subnível d cinco orbitais d (-2) (-1) (0) (+1) (+2)

l =3 subnível f sete orbitais f (-3) (-2) (-1) (0) (+1) (+2) (+3)

Nome Valor de “l” 

Capacidade:

2 (2 l + 1)

“p” (principal) 1 6

“f” (fundamental)… 3 14

2 10“d” (diffuse)

“s” (sharp) 20

O número máximo de electrões em cada subnível é dado por :

2.(2l + 1)s

p

d

f

Total = 32

O Número máximo de electrões em cada

nível/camada é de 32.

ORBITAIS

Page 103: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 103

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l) - Orbitais

Mecânica Quântica

O número máximo de electrões em cada subnível é dado por : 2.(2l + 1)

2 L 2s 2p 8 electrõesL =1

1 K 1s 2 electrõesL =0

3 M 3s 3p 3d 18 electrõesL =2

4 N 4s 4p 4d 4f 32 electrõesL =3

5 O 5s 5p 5d 4f 32 electrõesL =3

6 P 6s 6p 6d 18 electrõesL =2

7 Q 7s 2 electrõesL =0

Page 104: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 104

n = 1

n = 2

n = 3

n = 4

s s p s p ds p d f

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l) - Orbitais

Mecânica Quântica

Um orbital é uma região, dentro de um nível de energia, em que existe maior probabilidade de encontrar um electrão.

Page 105: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 105

+

n = 1n = 2

n = 3

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l =0)

Mecânica Quântica

1s

2s

3sO orbital s tem uma forma esférica e pode conter no máximo dois

Electrões.

Há um orbital s em cada nível de energia.

O orbital de menor energia, dentro de um

nível ou camada.

Número de nós = (n-1).

Page 106: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 106

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l =0)

Mecânica Quântica

1s 2s 3s

Probabilidades de se encontrar um eléctrao = 2

Nós 2 =0

Schrödinger 1927

Page 107: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 107

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l =0)

Mecânica Quântica

Probabilidades de se encontrar um eléctrao = 2

2s, n = 2,l = 0

3s,n = 3,l = 0

Page 108: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 108

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l =1)

Mecânica Quântica

O orbital p existe a partir da segunda

camada (n1 )

É um conjunto de três pares de lóbulos,

orientados nos 3 eixos px, py, e pz

( ml=-1,0,+1).

Cada um deste orbitais pode ter no máximo dois

electrões com spins opostos . Pelo que um orbital p completo pode

ter no máximo 6 electrões.

Dois lóbulos. Nodo no núcleo, num total de n

nós

2p

3p

Page 109: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 109

http://www.dlt.ncssm.edu/core/Chapter8-Atomic_Str_Part2/chapter8-Animations/P-orbitalDiagram.html

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l =1)

Mecânica Quântica

Page 110: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 110

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l =2)

Mecânica Quântica

O orbital d aparece a partir do terceiro nível (n2) - (ml = -

2, -1, 0, +1, +2). 4 dos 5 orbitais estão

alinhados num plano diferente. O quinto está alinhado com o eixo z- dz2.dxy, dyz, dxz, dx2-y2. Quatro lóbulos principais e um

é dois lóbulos com um toróide. Nós planares. Os níveis

principais mais altos também têm nódulos esféricos.

Em cada um de estes cinco orbitais pode haver um máximo

de 2 electrões e com spins opostos, pelo que num orbital d

completo, pode haver até 10 electrões.

Page 111: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 111

O orbital f aparece a partir do quarto nível (n3) e é um conjunto de 7 orbitais, (ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3).Com oito lóbulos principais, sendo dois com toróide.Nós planares. Os níveis principais mais altos também têm nódulos esféricosEm cada um de estes sete

orbitais pode haver um máximo de 2 electrões, pelo que num orbital f completo pode haver até 14 electrões.

Números Quânticos: Número Quântico Secundário/Azimutal (l =3)

Mecânica Quântica

Page 112: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 112

Números Quânticos: Orbitais

Mecânica Quântica

Page 113: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 113

Números Quânticos: Número Magnético (ml)

Mecânica Quântica

Determina a orientação do orbital em que existe a probabilidade de se encontrar o elétroes.

O número quântico magnético assume valores positivos e negativos desde – l a + l

l = 0 (2.0 +1) = 1 - corresponde ao subnível s

l = 1 (2.1 +1) = 3 - corresponde ao subnível p

l = 2 (2.2 +1) = 5 - corresponde ao subnível d

l = 3 (2.3 +1) = 7 - corresponde ao subnível f

s

ml = 0

d

ml = -2, -1, 0, 1, 2f

ml = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

p

ml = -1, 0, 1

foi introduzido quando foi descoberto que as linhas espectrais de um gás são divididas em várias linhas espaçadas, quando o gás é colocado num campo magnético forte (efeito Zeeman).

Page 114: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 114

Números Quânticos: Número Spin (ms)

Mecânica Quântica

De acordo com a mecânica quântica um elétrão tem dois estados de spin, rotação sobre si mesmo, representados pelas setas sendo que estas setas só podem assumir dois valores +1/2 e -1/2, no sentido horário e no sentido anti-horario .

http://www.dlt.ncssm.edu/tiger/Flash/structure/ElectronSpin.html

Foi introduzido quando foi descoberto que as linhas espectrais de um gás estão realmente divididas em duas de linhas espaçadas (estrutura fina), mesmo sem um forte campo magnético devido á rotação dos electrões.

Page 115: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 115

Cada electrão num átomo é “identificado” por um conjunto de números quânticos:

Principal n NívelDistância em

relação ao núcleo

1, 2, 3, 4, 5, 6, ...

Azimutal(secundário) l Subnível Forma do orbital 0, 1, 2, 3, ... (n-1)

Magnético ml OrbitalOrientaçãodo orbital - l, ..., 0, ..., + l

Spin ms Spin Spin + 1/2, - 1/2

“Não existem dois electrões num átomo com o mesmo conjunto de números quânticos (Princípio da Exclusão de Pauli)”.

Números Quânticos

Mecânica Quântica

Nome Característicaespecificada

Informaçãofornecida

Valores possíveis

Representação

Page 116: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 116

Distribuição na Tabela periódica

Números Quânticos

Mecânica Quântica

Page 117: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 117

Mecânica QuânticaEstudo dos Orbitais

Princípio de Exclusão de PauliWolfgang

Pauli(1900-1958)

“Dois electrões ocupando o mesmo orbital, têm que ter “Spins” opostos…”

Princípio de Construção Aufbau

Depois de conhecer os orbitais atómicos de um átomo, só precisamos saber como eles estão ocupados por electrões no estado fundamental ou de menor energia. Este processo chama-se encontrar a configuração de electrões num átomo. Para fazer isso, temos seguir um conjunto de regras:

1925,Cada orbital pode ter um máximo de dois electrões com spins anti-paralelos. Num átomo não pode haver dois electrões com os mesmos quatro números quânticos…

No estado fundamental de um átomo, os electrões ocupam os orbitais atómicos de tal modo que la energia global do átomo seja mínima..A ordem é a seguinte:

Page 118: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 118

Os subníveis eletrônicos só existem na teoria, as camadas eletrônicas na verdade não necessitam desses subníveis, para a distribuição de seus electrões em orbitais ao redor do núcleo. No entanto para se ter uma explicação racional sobre o comportamento dos orbitais e seus electrões, é que se leva em consideração uma regra que se pareça mais plausível até que se confirme essa ideia ou se prove o contrário.

No entanto seguindo essa regra percebemos que há subníveis que permanecem incompletos, como no caso da distribuição eletrônica do urânio, que no subnível “f” da quinta camada ele tem apenas três electrões para três orbitais, os outros orbitais desse sub-nível permanecem vazios ou inexistentes. No nível seis, o subnível “d” possui apenas um elétron permanecendo os outros vazios ou inexistentes

Essa regra, juntamente com o princípio da exclusão de Pauli, é utilizada no principio da construção (distribuição dos electrões nos diagramas de orbitais). Dessa forma, os orbitais são preenchidos electrão a electrão (nunca adicionando dois electrões por vez e com mesmo spin no orbital). Se mais de um orbital numa subcamada estiver disponível, adiciona-se electrões com spins paralelos aos diferentes orbitais daquela subcamada até completá-la, antes de emparelhar dois electrões em um dos orbitais.

Os electrões numa mesma subcamada, tendem a permanecer desemparelhados (em orbitais separados), com spins paralelos. Portanto, haverá uma menor repulsão interelectrónica.

Mecânica QuânticaEstudo dos Orbitais: Regra de Hund

Page 119: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 119

Em cada orbital só há, no máximo, 2 electrões, representados por uma seta para cima e uma seta para baixo (spins). Os electrões obrigatoriamente têm de possuir spins opostos.

2s

6p

10d14f

Para colocar os subníveis em ordem crescente de energia nas camadas utilizaremos o Princípio de Aufbau (não existe diagrama de Pauli.

Mecânica Quântica

Estudo dos Orbitais: Princípio de Aufbau/ Klechkowski / Madelung

Os orbitais se combinam formando os subníveis.

Tem maior energia o electrão que apresenta a maior soma dos números quânticos principal

e secundário ( n + l). Se o resultado for o mesmo, terá maior energia aquele que tiver o número quântico principal “n”.

Os subníveis se combinam formando as camadas.

Page 120: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 120

1s

2s

3s

4s

5s

6s

7s

2p

3p

4p

7p

3d5d

6d5f

6f

6p

5p

4d

Nív

el

de

En

erg

ia

os orbitais são preenchidos electrão a electrão (nunca adicionando dois electrões duma vez e com mesmo spin no orbital). Se mais de um orbital numa subcamada estiver disponível, adicionam-se electrões com spins paralelos aos diferentes orbitais daquela subcamada até completá-la, antes de emparelhar dois electrões num dos orbitais.

Princípio de Exclusão de Pauli: Num orbital há no máximo dois electrões com spins opostos.

A regra de Hund: os electrões numa mesma subcamada tendem a permanecer desemparelhados (em orbitais separados), com spins paralelos.

Pauli

Hund

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau

Page 121: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 121

7p 7s

6d 6p 6s

5f 5d 5p 5s

4f 4d 4p 4s

3d 3p 3s

2p 2s

1s

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau

s=+½ s=+½

2p2 n=2, l=1

m=+1m=-1 m=0x y z

n=1, l=0,m=0

1s2

s=+½,-½

2s2 n=2, l=0,m=0

s=+½,-½

1s2 2s2 2p1x 2p1

y 2pz

Carbono

1s

2s

2p

Observe os eixos x, y, e z. Os 3 primeiros electrões do orbital p alinham-se com cada eixo. O Carbono tem apenas dois electrões no orbita p.

Note que o número quântico m começa com o negativo do número quântico l. Uma vez que estamos no l = 1 número quântico (p orbital), os números quânticos m começam como “-1”, de seguida “0” para o próximo electrão, e “+1” no terceiro electrão.

21s 22s 22 p

Page 122: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 122

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau

n=1, l=0,m=0

1s2

s=+½,-½

2s2 n=2, l=0,m=0

s=+½,-½

1s2 2s2

Oxigénio

7p 7s

6d 6p 6s

5f 5d 5p 5s

4f 4d 4p 4s

3d 3p 3s

2p 2s

1s

1s

2s

2p

s=+½,-½ s=+½

2p4 n=2, l=1

m=+1m=-1 m=0x y z

s=+½

2p1x 2p1

y 2pz

21s 22s 42 p

Os 4 primeiros electrões estão nos dois primeiros orbitais s. Os outros 4 estão no orbital p. O último electrão é forçado a compartilhar um dos orbitais p com um outro electrão ali existente. Eu poderia colocá-lo no eixo z, mas, sendo a regra de Hund deve ficar no eixo x mas com spin oposto.

Observe o número quântico m aumentou para 1 para o terceiro electrão no eixo z. No entanto, eles devem ter spins opostos para compartilhar o mesmo espaço. As orientações dos dois electrões desemparelhados em m = 0 e m =1, são responsáveis pelas propriedades magnéticas de oxigênio.

Page 123: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 123

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau Neon

n=1, l=0,m=0

1s2

s=+½,-½

2s2 n=2, l=0,m=0

s=+½,-½

1s2 2s2 2p2x 2p2

y 2p2z

s=+½,-½

2p6 n=2, l=1

m=+1m=-1 m=0x y z

s=+½,-½ s=+½,-½

22s21s 62 p

1s

2s

2px

2py

2pz

7p 7s

6d 6p 6s

5f 5d 5p 5s

4f 4d 4p 4s

3d 3p 3s

2p 2s

1s

No Néon, todos os orbitais p estão preenchidos. Ele tem três orientações (x, y, e z) que são preenchidos com 2 electrões cada. Esta configuração é muito estável com oito electrões nas orbitais 2s e 2p. Você pode conhecê-lo como o famoso octeto que muitos elementos tentam alcançar. Assim, vemos que todos os electrões do orbital p têm o mesmo número quântico principal n = 2 e o mesmo número quântico azimutal l = 1 . Os pares de electrões de rotações opostas estão alinhados ao longo dos eixos x, y, e z, e números quânticos magnéticos. indicado por m = 1, m = 0 e m = -1.

Page 124: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 124

Coloca os subníveis em ordem crescente de Energia do Kripton com 36 electrões.

7p 7s

6d 6p 6s

5f 5d 5p 5s

4f 4d 4p 4s

3d 3p 3s

2p 2s

1s

21s 22s 2632 sp26 43 sp 610 43 pd

Cerne:[Ar]3d10 4s2 4p6

102 3 4 ds

64 p

2

8

18

8

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau

Page 125: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 125

Fazer a configuração eletrônica do Crómio, possuidor de 24 electrões na sua electrosfera.

7p 7s

6d 6p 6s

5f 5d 5p 5s

4f 4d 4p 4s

3d 3p 3s

2p 2s

1s21s 22s 2632 sp

26 43 sp 43d

53d

14s

2 4 1 5s d s d

Cerne: [Ar] 3d5 4s1

2

8

13

1

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau

Page 126: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 126

Fazer a configuração eletrónica do Cádmio, possuidor de 48 electrões na sua electrosfera.

7p 7s

6d 6p 6s

5f 5d 5p 5s

4f 4d 4p 4s

3d 3p 3s

2p 2s

1s21s 22s 2632 sp

26 43 sp

Cerne; [Kr] 5s2 4d102

8

18226 543 spd

10d418

225s 10d4

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau

Page 127: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 127

Fazer a configuração eletrónica do Cobre, possuidor de 29 electrões na sua electrosfera.

7p 7s

6d 6p 6s

5f 5d 5p 5s

4f 4d 4p 4s

3d 3p 3s

2p 2s

1s21s 22s 2632 sp

26 43 sp 93d

103d14s

2 9 1 10s d s d

2

8

18

1

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau

Page 128: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 128

7p 7s

6d 6p 6s

5f 5d 5p 5s

4f 4d 4p 4s

3d 3p 3s

2p 2s

1sCobre 2. 8.18.1

Cu

3d

10

3p

6

3s

2

2p

6

2s

2

1s

2 1

4s

21s 22s 26 3s2p16 4s3p 103d

Fazer a configuração eletrónica do Cobre, possuidor de 29 electrões na sua electrosfera.

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau

1019 3d4s3d4s 2

Page 129: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 129

7p 7s

6d 6p 6s

5f 5d 5p 5s

4f 4d 4p 4s

3d 3p 3s

2p 2s

1s

21s 22s 2632 sp26 43 sp 63d

Fazer a configuração eletrónica do Ferro, possuidor de 26 electrões na sua electrosfera.

2

8

15

71 3 4 ds

7162 dsds

1

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau

Page 130: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 130

http://herramientas.educa.madrid.org/tabla/anim/configuracion4.swf

Mecânica QuânticaConfiguração dos Orbitais: Princípio de Aufbau

Page 131: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 131

Número Atómico

Massa Atómica

Símbolo Químico

Nome

Distribuição Electrónica por níveis de Energia

Configuração Electrónica

Estados de Oxidação

Representação de um Átomo de um elemento(SÓ A PARTIR DE 1932)

Ponto de Ebulição 0C

Ponto de Fusão 0C

Densidade

Um elemento é um material composto por apenas um tipo de átomo.

No centro do átomo, Protões e Neutrões formam o pequeno mas pesado núcleo.Protões têm carga positiva;Neutrões não têm carga, isto é, são neutros;Protões e neutrões têm a mesma massa;Electrões são carregados negativamente e quase que não têm massa;Electrões ocupam muito do espaço “vazio” do átomo.

Mecânica Quântica

Page 132: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 132

           

Hidrogénio Hélio Lítio

Átomo: é a menor partícula que ainda caracteriza um elemento químico. Ele apresenta um núcleo com carga positiva apresenta quase toda sua massa (mais que 99,9%) e electrões numa nuvem que determina o seu tamanho.

Elemento: é uma substância feita de átomos de um tipo. Existem cerca de 82 elementos que ocorrem naturalmente e cerca de outros 31 elementos criados artificialmente como listados na Tabela Periódica.

Uma molécula: é formada quando átomos do mesmo ou diferentes elementos se combinam. A molécula é a menor partícula de uma substância que pode normalmente existir de maneira independente.

Número de Massa : de um elemento é a soma do número de protões e neutrões no núcleo de um átomo.

Número Atómico: de um elemento é o número de protões no núcleo de um átomo. Como átomos são eletricamente neutros, o número de protões é igual ao número de electrões.

Peso Atómico: (massa atómica relativa) de um elemento, é o número de vezes que um átomo daquele elemento, é mais pesado que um átomo de hidrogénio. O peso atómico do hidrogénio é tomado como sendo a unidade [1].

Mecânica Quântica O Átomo

H H

O

H2O - Água

Page 133: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 133

Z Número total de protões no núcleo de um átomo.

A Número de Massa: Indica a massa relativa de um átomo.- É calculada através da soma do total de protões com o total de neutrões no núcleo do átomo.

Mecânica Quântica

Região Partículas Carga Massa Electrosfera Electrões -1,60217733 ×10-19 C 9.1 x 10-31 Kg

Núcleo Protões +1,60217733 ×10-19 C 1,672 623 x 10-27 kg

Núcleo Neutrões 0 1,674 928 x 10-27 kg

A = Z+N

N Número de Neutrões no núcleo.

O Átomo

Se se altera o número de:

Afetará E o resultado será:

Protões

Electrões

Neutrões

A identidade do átomo. Um átomo completamente diferente.

A Carga. Um ião.

A Massa Um Isótopo

Page 134: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 134

Mecânica Quântica

argA C aZ XA = Z+N

Isotopos – Quando dois ou mais átomos do mesmo elemento possuem o mesmo número atómico, Z, mas um número de massa diferente, A, recebem o nome de isótopos e ocupam o mesmo lugar na tabela periódica.As suas propriedades químicas são praticamente iguais e as suas propriedades físicas são um tanto diferentes. A maioria dos elementos que se encontram na Natureza são uma mistura de isótopos desse elemento.

O Átomo: - Isótopos

"A" é o símbolopara o número de massa(# protões + # neutrões)

Z "é o símbolo para Número atómico (Número de protões no núcleo)

"X" será osímbolo do elemento

Escrever notação Azx para um isótopo que possui 17 protões e 18 neutrões.

35

17ClIsótopo estável de Cloro, número 17 da Tabela Periódica

Z = 19

A = 39 nº = 20

p+ = 19 e- = 18 Total de protões > total de electrões. Ião Positivo = Catião e- = Z(P) – carga, e-=19-1=18

12919 K

Z = 16

A = 32 nº = 16

p+ = 16 e- = 18 Total de protões < total electrões. Ião Negativo = Aniãoe- = Z(P) – carga, e-=16-(-2)=18

23216 S

Page 135: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 135

Mecânica Quântica

Isótopos – átomos diferentes do mesmo elemento que diferem no número de neutrões apresentando, por isso, diferente número de massa.

Todos os átomos com o mesmo número atómico pertencem ao mesmo elemento químico.

1.Prótido - Próprio hidrogénio (1H) ou (H): o isótopo mais comum do elemento de hidrogénio, com um protão e sem neutrões.

2.Deutério - (2H) ou (D): outro isótopo estável do hidrogénio, mas com o dobro da massa

3.Trítio (3H) ou (T): Um raro isótopo radioactivo de hidrogénio com massa atómica de três e meia-vida de 12,5 anos, preparado artificialmente para uso como marcador e como componente de bombas de hidrogênio.

O Átomo: - Isótopos

Isótopos de Hidrogénio

Page 136: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 136

Carbono 12 Carbono 13 Carbono 14

Protão

Neutrão

Electrão

Isótopos de Carbono

Mecânica Quântica O Átomo: - Isótopos

Método da Datação com Carbono-14Este método é usado para determinar a idade de plantas e animais fósseis, de

múmias, etc. e se baseia no processo a seguir descrito.

O isótopo carbono-14, forma-se a partir do N14 (nitrogénio), pela acção dos raios cósmicos que vêm do espaço sideral, atravessam a atmosfera e arrancam neutrões do ar. Estes, ao penetrarem na atmosfera, incidem sobre núcleos de nitrogénio, transformando-os em C14 radioactivo, cuja meia-vida (*) é de 5 600 anos.

(*) Tempo de decaimento radioactivo em que a sua radioactividade cai para metade (T=½ )

Page 137: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 137

Radiação cósmicaOs raios cósmicos entram na atmosfera terrestre e colidem com um átomo. criando um neutrão energético.

quando o neutrão colide com um átomo de nitrogénio-14 (sete protões e sete neutrões) o átomo transforma-se num átomo de Carbono-14.

Neutrão captura o neutrão

C-14, com outros isótopos de carbono (C-12, C-13), reage com o oxigénio para formar CO2.

As plantas absorvem os três isótopos de carbono, CO durante a fotossíntese. Animais absorver C-14 quando consomem plantas.

A ingestão de C-14, pára quando o organismo morre. Depois de morrer e serem enterrados, os ossos e a madeira perdem C-14, que se transforma em N-14 através do decaimento beta.

Partícula

Protão

Decaimento beta

Restos mais velhos têm menos C-14 que os mais novos.

Mecânica Quântica Método da Datação com Carbono-14

Page 138: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 138

Mecânica Quântica

Método da Datação com Carbono-14

Como a meia-vida do carbono 14 é de 5.600 anos, ela só é confiável para datar objetos de até 60 mil anos. No entanto, o princípio usado na datação por carbono 14 também se aplica a outros isótopos. O potássio 40 é outro elemento radioactivo encontrado naturalmente em seu corpo e tem meia-vida de 1,3 bilião de anos.

Deste modo, medindo a radioactividade residual do fóssil, podemos calcular a sua idade. A grande dificuldade está no facto de essa radioactividade ser muito fraca.

São necessários, pois, contadores de grande proporção e, ainda por cima, isolados da influência de raios cósmicos e dos seus subprodutos que chegam com frequência à superfície da Terra. Com outras precauções, podemos efetuar datações de até 40 000 anos, com erros da ordem de 200 anos.

Outros radioisótopos úteis para a datação radioactiva incluem o urânio 235 (meia-vida = 704 milhões de anos), urânio 238 (meia-vida = 4,5 biliões de anos), tório 232 (meia-vida = 14 biliões de anos) e o rubídio 87 (meia-vida = 49 biliões de anos).

Page 139: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 139

O uso de radioisótopos diferentes, permite que a datação de amostras biológicas e geológicas sejam feitas com um alto grau de precisão. No entanto, a datação por radioisótopos pode não funcionar tão bem no futuro. Qualquer coisa que tenha morrido após os anos 40, quando bombas nucleares, reactores nucleares e testes nucleares em céu aberto, começaram a causar mudanças, será mais difícil de se datar com precisão.

Mecânica Quântica

Método da Datação com Carbono-14

P = 5.600 anos

147N

01

Uma fórmula usada para calcular a idade de uma amostra usando a datação por carbono 14 é:

t = [ ln (Nf/No) / (-0,693) ] x t1/2

Em que In é o logaritmo neperiano, Nf/No é a percentagem de carbono 14 na amostra comparada com a quantidade em tecidos vivos e t1/2 é a meia-vida do carbono 14 (5.600 anos).

Por isso, se você tivesse um fóssil com 10% de carbono 14 em comparação com uma amostra viva, o fóssil teria:

t = [ln (0,10)/(-0,693)] x 5.600 anos t = [(-2,303)/(-0,693)] x 5.700 anos t = [3,323] x 5.600 anos t = 18.608 anos de idade

Page 140: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 140

19491932192619241913ÓRBITAS 3º

MODELO

1911ELÉTRON 2º MODELO

18971876V IIIELEMENTOS

18751803 18691850

ELETRÓLISE

1º MODELO 1ª TABELA PERIÓDICA

RAIOS CATÓDICOS

1895PRÓTON

RAIOS XNÍVEIS DE ENERGIA

PARTÍCULA-ONDA

PRINCÍPIO DA INCERTEZA

NEUTRON1938

FISSÃO NUCLEAR

1905

RELATI-VIDADE

Willard F. Libby (1908-1980)

1960

Mecânica QuânticaMétodo da Datação com Carbono-14

um físico-químico americano conhecido pelo seu papel no desenvolvimento em 1949 da datação por radiocarbono, um processo que revolucionou a arqueologia. Pelas suas contribuições para a equipa que desenvolveu este processo, Libby foi agraciado com o Prémio Nobel de Química em 1960.

Os raios cósmicos, que vem do espaço sideral, atravessam a atmosfera terrestre e arrancam neutrões dos átomos do ar. Os neutrões têm uma meia-vida curta (certa de 13 min); a 17 km de altitude a concentração de neutrões é máxima; na superfície da Terra, porém, chega a apenas 2,4 neutrão/cm².s. Com o oxigénio do ar os neutrões não reagem; com o nitrogénio porém há reacção formando Carbono-14.

Page 141: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 141

Mecânica Quântica

Page 142: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 142

Mecânica Quântica

A Fissão nuclear: Einstein – Teoria da Relatividade (1905)

Antes de Einstein, entidades, tais como tempo, espaço e massa e energia estavam separadas. Trazendo estes elementos, aparentemente não relacionados, pela primeira vez, numa relação no conceito de espaço-tempo e imediatamente a seguir na equação de relacionamento, Einstein completou a sua teoria da relatividade especial.

E = mc2Einstein demonstrou que massa e energia são duas quantidades equivalentes e podem ser relacionadas pela famosa expressão:

kg1,1.101,0joule

joules109,01kg17

16

Em E = mc2 Einstein concluiu que a massa (m) e energia cinética (E) são iguais, uma vez que a velocidade da luz (C2) é constante. Por outras palavras, a massa pode ser transformada em energia (energia nuclear), e a energia pode ser transformada em massa (aceleração de partículas).

Esta ideia induziu nos cientista da época que se a matéria (partículas – núcleo do átomo) fosse quebrada, quantidades enormes de energia seriam libertadas, isto é a matéria se transformava em energia, lançando os cientista numa corrida frenética a fim de conseguir tal feito:

Um quilo de matéria daria muitíssima energia…

Page 143: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 143

Mecânica Quântica

A Fissão nuclear: Enrico Fermi (1934)

As partículas alfa são boas para estudar um átomo. Ernest Rutherford usou-as para chegar ao seu modelo de átomo, e á teoria a de que os átomos dos elementos radioativos se desintegram lentamente, emitindo radiações e se transformam noutros elementos químicos.

Mas, para estudar um núcleo, as alfas não são a melhor opção. São pesadas e, o que é pior, têm carga elétrica positiva. Como qualquer núcleo também tem carga positiva, se a alfa quiser se aproximar dele vai sofrer uma tremenda repulsão e ser desviada antes de chegar muito perto.

Em 1934, o grande físico italiano Enrico Fermi teve a ideia de usar os neutrões, que tinham acabado de aparecer na cena da física, descobertos por James Chadwick, como projéteis para penetrar nos núcleos e fornecer informações do que se passava lá dentro. Os neutrões são neutros, logo não sofrem da mesma rejeição que as alfas, por parte dos núcleos. A única desvantagem é que as alfas são mais fáceis de serem obtidas, usando materiais radioativos. Para obter neutrões, Fermi usou as próprias partículas alfa incidindo sobre um filme de berílio, tal como Chadwick. O berílio, ao ser atingido por alfas, emite neutrões.

Bombardeando núcleos de urânio com neutrões, Fermi achou que o urânio se transformava em algum outro elemento mais pesado, um "transurânico".

A princípio, ele desconfiou da formação de elementos com número atómico maior que 92 (elementos transurânicos).

Page 144: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 144

Mecânica Quântica

A Fissão nuclear: Enrico Fermi (1934) Acontece que Fermi, ao bombardear núcleos, descobriu que neutrões de baixa velocidade (os chamados

"neutrões térmicos") penetram com mais eficiência no núcleo que neutrões rápidos. A partir dessa observação, ele sempre fazia seu feixe de neutrões passar por um "moderador", antes de usá-los para bombardear amostras. O moderador pode ser uma fina placa metálica ou algum líquido ou sólido conveniente.

Alguns anos mais tarde, os cientistas na Alemanha e nos Estados Unidos estariam loucos para descobrir qual o melhor material para servir de moderador num reator nuclear ou, eventualmente, numa bomba atómica.

Enquanto isso, Fermi, já nos Estados Unidos, concluiu que o grafite (esse mesmo que é usado em lápis) é um dos melhores moderadores, além de ser muito fácil de produzir…

Não tendo regressado a Itália indo antes para os EUA, tendo sido nomeado mais tarde para chefiar uma equipa de pesquisa como parte de um projecto secreto “Manhattan Project” para desenvolver uma bomba atómica. A tarefa de Fermi, no entanto, foi a de criar uma reacção nuclear controlada, isto é, dividir o átomo sem criar uma explosão atómica dando sim um reactor nuclear para produção de energia eléctrica …

Enrico Fermi recebeu o Prémio Nobel em 1938 pela "sua descoberta de novos elementos radioactivos produzidos por irradiação de neutrões e pela descoberta de reacções nucleares provocadas por neutrões lentos." Fermi e a sua família aproveitaram a oportunidade oferecida pela sua viagem à Suécia para as cerimónias de galardoação para ir para os Estados Unidos onde Fermi aceitou uma posição como professor de física na Universidade de Columbia.

Page 145: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 145

Partículas de movimento lento

Partículas de movimento rápido

Mecânica Quântica

A Fissão nuclear: Enrico Fermi (1934) Bombardeamento de núcleos com partículas.

Novo Elemento

A transmutação, velho sonho dos alquimistas, consiste em transformar um elemento em outro. A primeira transmutação artificial foi realizada em 1919 por Rutherford, que colocou uma amostra de um material radioactivo (polónio) num frasco contendo nitrogénio. Após um certo tempo, verificou que o frasco continha oxigénio e não mais nitrogénio. Então, concluiu que o nitrogénio transformara-se em oxigénio. O polónio emite partículas alfa, as quais bombardeiam os núcleos de nitrogénio transformando-os em núcleos de oxigénio..

Em 1934, Irene Joliot-Curie, filha do casal Curie, conseguiu transformar núcleos de alumínio em núcleos de fósforo, também através de bombardeamento com partículas alfa.

Page 146: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 146

Quando um elemento é muito instável, o seu tempo médio de vida, é curto. Dependendo do isótopo considerado, o tempo médio de vida pode ir de frações de segundo, a biliões de anos. O tempo médio de vida de um elemento estável é infinito por definição. …

Mecânica Quântica A Fissão nuclear: Enrico Fermi (1934)

Um núcleo pesado , com muitos protões e neutrões, tende a ser instável. Na tentativa de recuperar a sua estabilidade, o núcleo emite alfas ou betas e perde a identidade, virando outro elemento. Esse processo pode ser rápido ou lento, dependendo da estabilidade do núcleo.

É aí que entra outro conceito importante: o tempo médio de vida do núcleo.

É muito fácil entender o que esse tempo significa. Suponha que você tem uma amostra com 100 átomos de um elemento radioativo X. E digamos que, depois de 1 hora, metade desses átomos tenham se transformado, por radioatividade, em átomos de outro elemento Y. Pois bem, diremos que o tempo de vida médio desse elemento X é 1 hora. Em palavras: o tempo de vida médio de um elemento é o tempo necessário (em média) para que metade de uma amostra desse elemento se transforme em outro, por radioatividade…

Page 147: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 147

Mecânica Quântica

A Fissão nuclear: Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassmann (1935)

Em Berlim, resolveram repetir as experiências que Fermi fazia na Itália. Pois vejam como o famoso fenómeno "Maria vai com as outras" também pode ocorrer no selecto clube dos cientistas: os alemães reproduziram as observações de Fermi e concordaram inteiramente com ele, inclusive na crença de que estavam produzindo elementos transurânicos.

Os núcleos bombardeados pareciam ficar extremamente instáveis, emitindo uma verdadeira cascata de partículas alfa e beta e se transformado seguidamente em outros tipos de núcleos. Com as teorias aceitas na época, Lise Meitner tentava justificar toda essa atividade nuclear mas os modelos estavam ficando tão complexos que passaram a ser suspeitos…

Irene e Frederico Joliot-Curie, estavam examinando as propriedades químicas dos elementos que obtinham bombardeando núcleos com neutrões. Verificaram que as propriedades de alguns desses produtos das reações eram muito semelhantes às propriedades de elementos bem mais leves que o urânio.

Se eles tivessem sido mais perspicazes (e audaciosos) teriam desconfiado que estavam, na verdade, quebrando os núcleos bombardeados em pedaços menores. As evidências estavam bem à frente de seus olhos e ninguém se apercebeu do que era óbvio. Com isso, perderam outro prémio Nobel…

Ida Noddack, descobridora do elemento rénio , um ano antes (1934), já tinha sugerido que um neutrão poderia partir núcleos pesados em pedaços menores. Ninguém prestou atenção no que ela disse, nem ela mesma, pois não levou sua própria ideia avante.

Page 148: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 148

Mecânica Quântica

A Fissão nuclear: Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassmann (1938)

Depois de tanto tiro no escuro, finalmente, em 1938, Hahn e Strassmann começaram a suspeitar que algo estranho estava acontecendo com os produtos das reações de núcleos e neutrões que faziam em seu laboratório. Nessa época, Lise Meitner já estava na Suécia, fugindo de Hitler. Os alemães pediram ajuda à ex-colaboradora e ela, juntamente com seu sobrinho Otto Frisch, tiveram o estalo…

Lise sabia de cor, todos os números e fórmulas que precisava para ajustar o modelo de Bohr ao processo que estava considerando. Calculou, rapidamente, a energia liberada no processo de quebra do núcleo, usando a famosa equação de Einstein, E = m c2, e verificou que essa energia deveria ser muito grande. Concluiu, também, que pelos menos dois neutrões seriam ejectados e que, se um dos pedaços era o bário, o outro deveria ser o criptónio….

a fissão nuclear tinha sido descoberta.

Desconfiaram que a única explicação era admitir que o núcleo de urânio estava se partindo em pedaços, um deles sendo um núcleo de bário. Como o neutrão não tem energia para espatifar um núcleo, como uma bala espatifa um tijolo, o processo deveria ser diferente. Imediatamente, começaram a fazer cálculos usando o modelo da gota líquida de Bohr. Imaginaram que o neutrão desencadearia uma vibração interna na gota (isto é, no núcleo), esticando e afinando até que acabaria se partindo em dois ou mais pedaços.

U23592 n1

0 Ba13756 Xe84

36 n10 Energia+ +15+ +

Page 149: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 149

Mecânica Quântica

A Fissão nuclear: Reacção em cadeia

U23592

U23592

U23592

U23592

U23592

U23592

U23592

Ba14056

Ba14056

Ba14056 Ba140

56

Ba14056

Ba14056

Kr9336

Kr9336

Kr9336

Kr9336

Kr9336

Kr9336

10n + 235

92U → 14256Ba + 91

36Kr + 3 10n

No processo de fissão ocorre uma reação em cadeia. Teoricamente, bastaria apenas um neutrão para iniciar o processo, mas na prática exige-se uma massa mínima para que isto ocorra. Essa massa mínima, acima da qual haverá detonação com reação em cadeia, é denominada massa crítica. Para o urânio-235, essa massa vale cerca de 40 kg.

Page 150: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 150

N : número de núcleos não decaídosN0 :número de núcleos existentes inicialmente.

t : tempoT : período de meia vida

Transformação espontânea de um nuclídeo em outro diferente ou do mesmo nuclídeo, em busca da estabilidade. Deste processo resulta a diminuição, ao longo do tempo, do número de átomos radioativos originais de uma amostra.

Mecânica Quântica

A Fissão nuclear: Decaimento Radioactivo

N   =   N0 ·   2-t/T

Page 151: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 151

Lise Meitner (1878-1968)

Otto Frisch (1909-1974)

19381932192619241913ÓRBITAS 3º

MODELO

1911ELÉTRON 2º MODELO

18971876V IIIELEMENTOS

18751803 18691850

ELETRÓLISE

1º MODELO 1ª TABELA PERIÓDICA

RAIOS CATÓDICOS

1895PRÓTON

RAIOS XNÍVEIS DE ENERGIA

PARTÍCULA-ONDA

PRINCÍPIO DA INCERTEZA

NEUTRON1905

RELATI-VIDADE

Em 1938, Hahn e Strassmann começaram a suspeitar que algo estranho estava acontecendo com os produtos das reações de núcleos e neutrões, que faziam em seu laboratório. Nessa época, Lise Meitner já estava na Suécia, fugindo de Hitler. Os alemães pediram ajuda à ex-colaboradora e ela, juntamente com seu sobrinho Otto Frisch, tiveram o estalo: a fissão nuclear tinha sido descoberta.

Otto Frisch deu o nome de "fissão nuclear" a esse processo, em analogia ao conhecido processo de fissão celular.

Mecânica QuânticaFissão Nuclear

Page 152: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 152

Lise Meitner (1878-1968)

1938

Otto Hahn (1879-1968)

Enrico Fermi (1901-1954)

Fritz Strassmann (1902-1980)

Mecânica Quântica

1932192619241913ÓRBITAS 3º

MODELO

1911ELÉTRON 2º MODELO

18971876V IIIELEMENTOS

18751803 18691850

ELETRÓLISE

1º MODELO 1ª TABELA PERIÓDICA

RAIOS CATÓDICOS

1895PRÓTON

RAIOS XNÍVEIS DE ENERGIA

PARTÍCULA-ONDA

PRINCÍPIO DA INCERTEZA

NEUTRON1905

RELATI-VIDADE

Fissão Nuclear

Para começar, o potencial militar da fissão nuclear fez com que o tema passasse a ser matéria de sensibilidade estratégica. Tanto os aliados quanto os alemães logo vislumbraram a possibilidade de fazer uma bomba atómica aproveitando a enorme energia libertada no processo. ..

Com os trabalhos iniciais de Enrico Fermi, através do bombardeamento de átomos com neutrões, que posteriormente levaram ás descobertas de Otto Hahn e Fritz Strassmann, juntamente com a explicação teórica de Lise Meitner e Otto Frisch causaram imediata sensação no mundo científico mas, a partir desse ponto, a coisa complicou-se.

Otto Hahn prémio Nobel em 1945, depois de Hiroxima e Nagasaki…

Page 153: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 153

A colaboração entre Lise e Otto Hahn foi ocultada com a desculpa de não por em perigo os cientistas alemães e seu laboratório em Berlim uma vez que ela era judia.

Durante a Segunda Guerra Mundial, Lise Meitner foi convidada pelos americanos para participar do projeto de fabricação da bomba atômica. Mas, Lise era pacifista e não aceitou o convite. Depois da guerra, o seu valor foi reconhecido e ela ganhou vários prêmio importantes, como o prémio Fermi, a medalha Max Planck e a medalha Leibnitz.

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica Alemã…

Em 16 de Setembro de 1939 foi dado o inicio ao projecto de bomba atómica nazi, quando alguns físicos da Ordem de Armas se reuniram em Berlim. Dez dias depois uma segunda reunião foi realizada, dessa vez contando com a presença de Werner Heisenberg, Hans Geiger, Walther Bothe, Paul Harteck e Otto Hahn, Klaus Clusius…

O projecto nazi teve, em princípio pouco interesse, quer pelo director do projecto , Heisenberg, pelo financiamento escasso, pois Hitler estava mais interessado em desenvolver armas de tecnologia sofisticada, mas com explosivos conhecidos, misseis e aviões a jacto… e um erro de cálculo que levou o projecto alemão, a desenvolver com o moderador da reacção em cadeia a “água pesada” (óxido deutério), substância cara e de difícil concretização….

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 154

Massa crítica: A massa crítica para uma reação em cadeia é o número de átomos necessários para que os neutrões produzidos pela reação inicial não saiam do corpo antes de colidirem com outro átomo. Se um átomo bombardeado está rodeado de poucos átomos, é provável que os nêutrons produzidos na fissão venham a escapar da amostra sem causar outra fissão. Com átomos suficientes é possível produzir a reação em cadeia.

Mecânica Quântica

Dificuldades

Entretanto em junho de 42 Heisenberg, director do projecto alemão, fez uma palestra sobre os avanços das pesquisas na "máquina de urânio". Quando foi questionado sobre o mínimo de urânio necessário para a reação em cadeia, ele respondeu que era algo como uma bola de futebol, uma quantidade bem próxima à que foi utilizada em Hiroxima, o que leva a acreditar que Heisenberg tinha uma boa ideia sobre esse problema.

A discussão sobre a quantidade de urânio 235 necessária para uma reação em cadeia foi extensa. Bohr chegou a dizer que se precisaria de uma quantidade tal que não era possível utilizara a bomba por avião, ou seja, teria que ser transportada por um navio.

A Fissão Nuclear: Bomba Atómica Alemã…

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 155

Enriquecimento: Na natureza, o urânio é encontrado em dois isótopos basicamente, o 238 e o 235. O urânio 235 é encontrado em uma percentagem um pouco menor que 1%. Era necessário separar o urânio 235 do restante. A ideia básica era a centrifugação gasosa repetida utilizando a fórmula de separação de Clusius. A possibilidade da utilização do plutônio como combustível foi atrapalhada pelo facto do cientista responsável pela pesquisa, Fritz Houtermass, estar tentando atrasar o processo de construção da bomba…

Moderador: A fusão do urânio 235 só acontecia, até onde se tinha observado, com neutrões lentos, ou seja, com neutrões com pouca energia, mas quando da fissão, os neutrões emitidos tinham muita energia. Era necessária a diminuição da energia dos mesmos e a ideia de Heisenberg era fazer com que os neutrões colidissem com outras partículas que não seriam afetadas pela colisão, e o material perfeito na Alemanha, segundo os cálculos (errados) de Walther Bothe concluiu que o melhor moderador era a chamada "água pesada".

Mecânica Quântica

Dificuldades

A Fissão Nuclear: Bomba Atómica Alemã…

A água pesada é a água normal (2H2O) com os hidrogénios trocados por deutérios (D2O). Os alemães foram nessa onda e começaram a produzir água pesada, trabalho difícil, caro e demorado.. (No projecto americano foi usada grafite, muito mais barata e fácil de fabricar…)

Graças ao êxodo de cérebros, os alemães não puderam chegar à mais decisiva de todas as armas de então, a bomba atómica…

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 156

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica Americana “Manhattan Project”

“Manhattan Project”, Foi o nome de código, do projecto americano para desenvolver a primeira bomba atómica do mundo durante a segunda guerra mundial.

O projecto envolveu cerca de 600.000 pessoas, e custou mais de $2 biliões de USD, e permaneceu “Top Secret”, durante a WWII, tendo o processo de pesquisa e produção sido desenvolvido em vários locais, tendo sido construídos, secretamente laboratórios e fábricas de enriquecimento de uranio por todos dos Estados Unidos da América, propositadamente para o projecto.

Em 1939, após as descobertas de Otto Hahn, Albert Einstein escreveu uma carta ao Presidente americano Franklin Roosevelt, avisando que a Alemanha tinha já em andamento um projecto secreto , de desenvolvimento de uma bomba atómica e era urgente , que os Estados Unidos, seguissem o mesmo…

Roosevelt escreveu a Einstein, informando-o de que iria imediatamente cria um comité para iniciar pesquisas atómicas sobre o assunto…Tendo sido deliberado que os Estados Unidos da América não poderiam correr o risco , de permitir Hitler ter o poder de desenvolver a primeira Bomba Atómica…

O projecto envolveu administradores, pesquisadores, cientistas.. Como o General Leslie Groves, director militar do projecto, Albert Einstein, Leo Szilard, Frank Spedding, J. Robert Oppenheimer, Enrico Fermi, Ernest Lawrence, Neils Bohr, James Chadwick,…e Klaus Fuchs, alemão, informador russo…outros investigadores e cientistas “capturados“ em Pinamude (Vemork - Noruega) ao regime nazi, a quando da queda de Hitler na Europa…Porém os russos chegaram primeiro a Berlim que os americanos…

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 157

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica Americana “Manhattan Project”

The Trinity TestA 16 de Julho, de 1945, a primeira bomba atómica era detonada, na base

aérea de Alamogordo, perto de Albuquerque, NM.Uma bola de fogo ergueu-se rapidamente, seguida por uma nuvem em

forma de cogumelo com uma extensão até cerca de 40.000 pés, tendo sido gerado um poder explosivo equivalente a 20.000 toneladas de TNT.

O teste Trinity, foi um grande sucesso. Foi a primeira explosão atómica do mundo.

Depois do Presidente Harry Truman ter recebido a notícia, ele sabia que a bomba atómica criaria uma grande vantagem na WWII. E aí… no final da guerra com a Alemanha, começou logo a usar o seu poder…o inimigo passou a ser o recém aliado… a URSS… Nesta foto, o único que não sabia… era Staline…

Churchill via já um meio de eliminar todos os centros industriais soviéticos e todas as regiões de forte concentração de população. Ele estava embriagado por uma magnífica imagem, como único detentor dessas bombas, capaz de lançá-las onde quisesse e, portanto, tornava-se o Todo-Poderoso, capaz de ditar as suas vontades a Staline….

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 158

… e uma bomba de plutónio, chamada de “Fat Boy” , lançada sobre Nagasaki a 9 de Agosto de 1945, para demonstrar o seu poder e conseguir a rendição incondicional do Japão e impôr uma nova ordem mundial, liderada pelos Estados Unidos da América.. . Que ainda hoje continua…e é por isso que não a quer permitir a que outos a possuam…

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica Americana “Manhattan Project”

Entretanto, na guerra com o Japão, que hoje sabe-se já estaria vencido, foi finalmente decidido, usar a bomba atómica na guerra, pelo que foram construídas mais duas bombas criadas pelo projecto. Uma bomba de urânio, chamada “Little Boy”, lançada sobre Hiroshima a 6 de Agosto de 1945

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 159

1) Estabilizador2) Tambor de aço3) Detonador4) Explosivo (pólvora)5) Projétil de Urânio-235(peso total 26 kg)6) Entradas para o instrumento de medição e barômetro7) Fuselagem8) Fusível9) Cano de aço de 10 cm de diâmetro e 2 m de comprimento10)Cabos para o fusível11)Urânio-235 alvo com 38 kg12)Refletor de nêutrons de Carboneto de tungstênio13)Iniciador de neutrões14)Antenas do radar15)Cavidade para receber o cilindro de boro de segurança

“Little Boy”

11

12

1415

13

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica Americana “Manhattan Project”

10n + 235

92U → 14256Ba + 91

36Kr + 3 10n

Bomba Atómica de Urânio

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 160

1. Fusível de segurança;2. Radar;3. Bateria usada para produzir detonadores da explosão;4. X-Unit , uma unidade de gestão dos detonadores;5. Dobradiças para movimentar a bomba;6. Explosivo pentagonal (12 unidades ao redor do núcleo,

formado por explosivos rápido e lento);7. Explosivo hexagonal (20 unidades ao redor do núcleo,

formado por explosivos rápido e lento);8. Cauda de alumínio estabilizador;9. Carcaça Dural diâmetro de 140 cm;10.Cones contendo o núcleo;11. Células rápidas (explosivo rápido e lento);12. A calçadeira de U-238, o fosso de Plutônio-239 e o

iniciador de berílio-polónio;13. Placa com os instrumentos (barómetro, radar e relógios);14. Barotube Collector.

A bomba de Plutónio “Fat Man”, contendo um núcleo de aproximadamente 6,4kg de plutónio-239, 2,34 metros de comprimento e 1,52 metros de diâmetro foi largada sobre Nagasaki explodindo a 469 metros do solo….

“Fat Man”

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica Americana “Manhattan Project”

1112

13

14

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 161

A decisão do presidente Harry Truman, que havia substituído havia poucos meses no cargo, o falecido Franklin Roosevelt, de lançar a bomba atómica é uma das questões mais controversas na história americana. O lançamento da bomba atômica ajudou a trazer um fim à Segunda Guerra Mundial com o Japão já vencido… e sobretudo uma rendição incondicional … eliminar adversários industriais, e sobretudo impôr uma nova ordem Mundial…

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica Americana “Manhattan Project”

A escolha dos alvos, de Hiroshima e Nagasaki não foram escolhidos ao acaso, pois na época tratavam-se dos maiores centros industriais do japão….

O número de mortes civis directas deste dois bombardeamentos foi de cerca de 200.000.

“As bombas lançadas eram as únicas de que os americanos dispunham, e a velocidade de sua fabricação era muito lenta naquele tempo”, escreveria o Secretário de Defesa dos Estados Unidos, Stimson….

É evidente que com os bombardeios atómicos de cidades japonesas não se perseguiu nenhum objetivo militar importante. O general MacArthur, que durante a guerra teve sob o seu comando as tropas aliadas no oceano Pacífico, reconheceria em 1960:

Não havia nenhuma necessidade militar de empregar a bomba atómica em 1945,A polémica de quem deve possuir ou não, o poder de deter uma bomba atómica, ainda hoje

continua… Especialmente os Estados Unidos da América.. Que foram os únicos que as usaram para matar pessoas… em nome da moralidade(?!)… não deixam que outos as tenham…..

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Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 162

A Bomba AtómicaFatMan

LittleBoy

1932192619241913ÓRBITAS 3º

MODELO

1911ELÉTRON 2º MODELO

18971886V IIIELEMENTOS

18751803 18691850

ELETRÓLISE

1º MODELO 1ª TABELA PERIÓDICA

RAIOS CATÓDICOS

1895PRÓTON

RAIOS XNÍVEIS DE ENERGIA

PARTÍCULA-ONDA

PRINCÍPIO DA INCERTEZA

NEUTRON19451905

RELATI-VIDADE

1-) O início da explosão de uma bomba atômica corresponde ao início da reação em cadeia que ocorre em pleno ar. Ao ser detonada atinge temperaturas da ordem de milhões de graus Celsius.

2-) Após 10/4 segundos, a massa gasosa em que se transformou a bomba emite elevadas quantidades de raio X e raios ultravioletas, podendo destruir a retina e cegar pessoas que olharem diretamente.

3-) Entre 10/4 e 6 segundos, a radiação já foi totalmente absorvida pelo ar ao redor, que se transforma numa enorme bola de fogo cuja expansão provoca a destruição de todos os materiais inflamáveis num raio médio de 1 km, assim como queimaduras de primeiro, segundo e terceiro graus. 

4-) Após 6 segundos, a esfera de fogo atinge o solo iniciando uma onda de choques e devastação que se propaga através de um deslocamento de ar comparável a um furacão com ventos de 200 a 400 km/h.

5-) Após 2 minutos a esfera de fogo já se transformou completamente num cogumelo que atinge a estratosfera. As partículas radioativas se espalham pela atmosfera levadas pelos ventos fortes e acabam se precipitando em diversos pontos da Terra durante muitos anos.

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica

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Modelos Atómicos 5: Modelo Atómico Actual

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 163

A Bomba Atómica - Hiroshima

1932192619241913ÓRBITAS 3º

MODELO

1911ELÉTRON 2º MODELO

18971886V IIIELEMENTOS

18751803 18691850

ELETRÓLISE

1º MODELO 1ª TABELA PERIÓDICA

RAIOS CATÓDICOS

1895PRÓTON

RAIOS XNÍVEIS DE ENERGIA

PARTÍCULA-ONDA

PRINCÍPIO DA INCERTEZA

NEUTRON19451905

RELATI-VIDADE

"Meu primeiro pensamento foi que aquilo era igual ao inferno, sobre o qual eu já havia lido. Nunca vira nada parecido antes. Mas achei que, se existia o inferno, era aquilo ali" - de um sobrevivente de Hiroshima, 1945.

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 164

Pela sua própria natureza de bomba, toda a reação em cadeia ocorre rapidamente num tempo menor do que um milésimo de segundo, da mesma forma que num explosivo comum. Um tanque de gasolina também pode explodir, mas em geral ele é usado de forma controlada, "queimando-se" a gasolina aos poucos dentro do motor…

O mesmo pode ocorrer com o urânio, numa reação em cadeia; ou ele "explode", isto é, "queima" rapidamente, ou então "queima" lentamente. A quantidade total de energia produzida é a mesma, mas ela se manifesta de formas diferentes. No primeiro caso é a fantástica explosão nuclear, com produção de quantidades assombrosas de luz, calor e outras radiações capazes de matar centenas de milhares de pessoas. No segundo caso a "queima" do urânio produz basicamente calor, que aquece as barras nas quais se encontra o urânio.

o urânio 235 que pode explodir facilmente, mas é difícil obtê-lo de forma pura. Para isto é necessário "enriquecer" o urânio natural, ou seja aumentar a proporção de átomos de urânio 235 na mistura. Este enriquecimento precisa de elevar a proporção de átomos de urânio 235 a 80% ("enriquecimento a 80%"). Os Reactores nucleares, para a produção de eletricidade em geral, usam urânio enriquecido a apenas 3%. Isto pode ser conseguido através de processos muito caros e complicados. Só alguns poucos países dominam a tecnologia necessária para isso. É possível, porém, obter um outro explosivo nuclear que é o plutônio. Ele é formado por uma transformação do urânio 238 - que é inerte do ponto de vista explosivo - em plutônio 239…

Texto escrito pelo Dr. José Goldenberg e adaptado por Alberto Ricardo Präss

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 165

O urânio ou plutónio são montados na forma de uma esfera oca no interior da qual se coloca uma fonte de neutrões ("iniciador"). A esfera de urânio é envolvida por outra esfera oca de berílio que é um bom "refletor" de neutrões que devolve os neutrões originados no "iniciador" que conseguiram escapar, para o centro. Por sua vez, este refletor é coberto por umas cargas de explosivo comum (TNT), dispostas simetricamente, que podem ser accionadas por detonadores alimentados por uma corrente eléctrica.

Texto escrito pelo Dr. José Goldenberg e adaptado por Alberto Ricardo Präss

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica

Esta transformação ocorre num reator nuclear: colocando uma camisa de urânio natural em torno de um reator nuclear, ele aos poucos vai absorvendo neutrões e se transformando em plutónio. Desta forma é possível obter vários quilos de plutónio por ano, usando um reator de pequeno porte. Por esta razão, bombas atómicas construídas com plutónio são denominadas "bombas atómicas dos pobres".

O TNT é disposto de forma que a sua detonação dirija a força explosiva para o centro, esmagando a esfera de urânio ou de plutónio; ao ocorrer isto, ele sofre a reacção em cadeia descrita anteriormente, numa "explosão nuclear".

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 166

Com 5 ou 6 kg de urânio enriquecido a 80%, ou quantidade equivalente de plutónio, é possível fazer uma bomba de poder explosivo equivalente a 10.000 toneladas de TNT, capaz de destruir uma cidade inteira. Isto é o que ocorreu em Hiroshima e Nagasaki…

23892U + 1

0n → 23992U

23992U → 239

93Np + 0-1β t1/2= 23.5 min

23993Np → 239

94Pu + 0-1β t1/2= 2.35 dias

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Bomba Atómica

Esfera oca de urânio ou Plutónio

Reflector de neutrões (Berílio)

Fonte de neutrões

… Espoletas e cargas

explosivas

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 167

Mecânica Quântica

A preocupação do homem, principalmente na segunda metade do século XX, foi, e continua a ser, a obtenção de energia. Todos nós sabemos da enorme quantidade de energia que pode ser obtida de um processo nuclear. De onde esta provém? A resposta é dada pela equação de Einsten: E= m.C2 , baseada na ideia de que a massa pode ser convertida em energia e vice-versa ou, melhor, massa e energia são diferentes, mas são manifestações convertíveis da mesma coisa. Essa energia nuclear tão poderosa pode ser obtida através das reacções de fissão e fusão nucleares, porque há perda de massa, que é convertida em energia.

Equacionando o processo temos:

n3KrBaUnU 10

9136

14236

2392

10

23592 6 + Energia

4.6x109 Kcal

A Fissão nuclear é, portanto, a quebra do núcleo de um átomo, em núcleos menores, com libertação de uma quantidade enorme de energia devido a perda de massa.

Neutrão

Urânio 235 Urânio 236

Bário

Crípton

Neutrões

A Fissão Nuclear: História da Energia Nuclear

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 168

Mecânica Quântica

A fissão nuclear não é usada apenas para bombas nucleares, pode também ser usada em reatores nucleares, produtores de energia elétrica.

Neutrão

Massa superior á Massa Crítica

Reacção em Cadeia

Neutrão

Massa inferior á Massa Crítica

Reacção não sustentada

Reactor Nuclear: O reactor nuclear do tipo PLUR (Pressurized Water Reactor) é um sistema em que a reacção de fissão em cadeia é mantida sob controlo, e a energia libertada na fissão é usada como fonte de calor para ferver água, cujo vapor acciona uma turbina geradora que produz electricidade como uma máquina térmica convencional. Tem-se, então, uma central geradora de electricidade, onde a fornalha convencional é substituída pelos núcleos em fissão. É o que chamamos de Central Termonuclear.

A Fissão Nuclear: História da Energia Nuclear

Page 169: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 169

A 2 de Dezembro de 1942, pesquisadores, sob a liderança de Enrico Fermi, parte do projecto Manhattan, conseguiram manter a primeira reacção nuclear em cadeia controlada, num dispositivo experimental chamado “Chicago Pile 1”. Foi através de um composto muito grande de urânio e de grafite. A reacção foi mantida durante 28 minutos.

Nos primeiros anos após a descoberta da reação em cadeia, a energia nuclear foi usada apenas para fins militares. Só depois da guerra foi o desenvolvimento se virou na direcção do uso pacífico da energia nuclear para a produção de electricidade. 

Em Dezembro de 1951 as quatro primeiras lâmpadas eléctricas foram iluminadas pela eletricidade produzida pelo reator nuclear EBR-1, em Idaho Falls, nos Estados Unidos. Este foi o primeiro reactor gerador experimental.

Havia um desenvolvimento paralelo do reactor de água pressurizada, que foi projectado pela primeira vez, para a propulsão de submarinos. Ele foi testado com sucesso em 1953. Os primeiros submarinos nucleares foram o Nautilus e o Seawolf.

Em 1954, em Obininsk na União Soviética, a primeira Central nuclear do mundo, foi iniciada com êxito: a APS-1. Produzia apenas 5 MW de energia eléctrica. Era moderada com grafite, e marcou o início dos reactores do tipo RBMK posteriores.

Em 17 de julho 1955, o reactor de ebulição experimental BORAX-III, produziu pela primeira vez eletricidade suficiente para iluminar a cidade de Arco, em Idaho, Estados Unidos….

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: História da Energia Nuclear

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 170

http://www.basemilitar.com.br/forum/viewtopic.php?f=4&p=15680

Funcionamento de uma Centrifugadora de urânio

0 metal é triturado e transformado num concentrado de pó, amarelo, chamado “yellowcake”.

Mistura-se flúor ao “yellowcake” para a obtenção de um gás.

O gás de urânio é colocado em numa centrifugadora de alta velocidade.

A Força centrífuga força os isótopos U238 e U235, mais pesados, para fora da máquina. Os mais leves, permanecem…

O urânio enriquecido, com uma concentração maior é expelido pela força centrifuga…

O processo é repetido numa sequência de centrifugadoras, num processo chamado de enriquecimento, até que se alcance o nível de enriquecimento de 3,5% para reactores nucleares ou 90% para armas nucleares.

Motor

Rotor

Urânio empobrecido

U-238

U-238

U-235

http://www.clarin.com/mundo/Enriquecimiento-uranio_CLAFIL20120216_0001.jpg

Motor

Urânio empobrecido

Motor

O urânio natural tem um grande quantidade do isótopo U-238 (99%) e 1% do isótopo de U-235 ( que é utilizado par produção de energia nuclear, pelo que tem que ser enriquecido…

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Energia Nuclear

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 171

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Energia Nuclear

As Centrais Nucleares são utilizadas há vários anos em muitos países, sendo o país que mais as usa, a França. Em Portugal essa questão nunca foi posta, mas poderia ser considerada, dada as reserva de urânio existentes…. A Central Nuclear mais próxima é a Central de Almaraz, no rio Tejo, em Espanha…

1 g de madeira → 0,0018 kWh → energia para iluminar 1 lâmpada de 100 W, durante 1 min.

1 g de carvão → 0,0037 kWh → energia para iluminar 2 lâmpadas de 100 W, durante 1 min.

1 g de 235U → 150 000 kWh → energia para iluminar uma cidade de 500 000 habitantes durante 1 hora.

Disparidades de Energia

235U – 7g 3,5 Barris 807 Kg 481 m3

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 172

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Central Nuclear

Além das Centrais Nucleares para produção de electricidade, os reactores nucleares podem ser instalados em navios, submarinos e satélites. O circuito primário compreende o reactor, onde ocorrerá a reacção de fissão nuclear, que é a "quebra" dos átomos de U235 através do choque de nêutroes nos átomos de urânio.

Bomba Bomba

Bomba

Água quente

Água fria

Vapor

Circuito primário de arrefecimentondo

núcleo

Barras de controlo

Combustível de Urânio

Reactor Nuclear

Gerador de Vapor

Turbina Gerador

Electricidade

Torre de Refrigeração

http://2012books.lardbucket.org/books/general-chemistry-principles-patterns-and-applications-v1.0m/section_24.html

Barras de controlo(Cádmio)

Varetas de Zircónio: Revestimento das pastilhas de combustível, resistem a temperaturas de 1400ºC

Cerâmica: As pastilhas de combustível só se fundem a

2800ºC

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 173

É uma fonte mais concentrada na geração de energia. Uma pequena quantidade de urânio pode abastecer um cidade inteira, fazendo assim com que não sejam necessários grandes investimentos e recursos.

Não causa nenhum efeito de estufa ou chuvas ácidas.O combustível é fácil de transportar.Tem uma base científica extensiva para todo o ciclo.É uma fonte de energia segura, pois o número de acidentes ocorridos até à

data é extremamente reduzido…Permite reduzir o défice comercial.Permite aumentar a competitividade.

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Vantagens

A energia nuclear é uma energia não renovável, que como todas as outras tem as suas vantagens e desvantagens. Começando pelas suas vantagens:

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 174

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Desvantagens

Ser uma energia não renovável, como referido anteriormente, torna-se uma das desvantagens, visto que o recurso utilizado para produzir este tipo de energia se esgotará futuramente.

As elevadas temperaturas da água utilizada no aquecimento causa a poluição térmica pois esta é lançada nos rios e nas ribeiras, destruindo assim ecossistemas e interferindo com o equilíbrio destas mesmas.

O risco de acidente, visto que qualquer falha humana, ou técnica poderá causar uma catástrofe sem retorno. Apesar de atualmente existirem sistemas de elevada segurança, de modo a tentar minimizar e evitar que estas falhas (humanas ou técnicas) aconteçam.

A formação de resíduos nucleares perigosos e a emissão casual de radiações causam a poluição radioativa. Os resíduos são um dos principais inconvenientes desta energia, visto que actualmente não existem planos para estes resíduos, quer de baixo ou de alto nível de radioatividade. Estes podem ter um período de vida de até 300 anos após serem produzidos podendo assim prejudicar as gerações vindouras.

Pode ser utilizada para fiz bélicos, para a construção de armas nucleares. Esta foi uma das primeiras utilizações da energia nuclear. É uma das grandes preocupações a nível mundial, porque projetos nucleares como o do Irão, ameaçam a estabilidade económica e social.

O investimento inicial, e a manutenção das energias nucleares são de elevados custos. 

Apesar das suas vantagens esta energia também tem as suas desvantagens tal como:

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 175

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear: Perigos e inconvenientes

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 176

Através da fissão nuclear, podemos obter importantes isótopos radioativos, denominados radioisótopos, que apresentam muitas aplicações pacíficas no mundo moderno. Na indústria, os isótopos radioativos são usados no controlo de qualidade de chapas de metal e de outros materiais. Na medicina, os radioisótopos são usados no diagnóstico e no tratamento de uma série de doenças. Na agricultura, eles são usados para estudar o grau de absorção de fertilizantes, na obtenção de cereais mais resistentes e na destruição de insectos e fungos. A idade dos fósseis e da Terra pode também ser determinada através do estudo das radiações…

Mecânica Quântica A Fissão Nuclear/Energia Nuclear

http://www.profpc.com.br/radioatividade.htm

Radiologia;Tomografia;Ressonância;Radioterapia...

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 177

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Energia Nuclear

A Fusão Nuclear é um processo físico que, ao contrário da Fissão Nuclear, promove a junção de dois núcleos atómicos leves, obtendo como produto, a formação de um núcleo atómico pesado, que sendo instável, tem que libertar energia, na ordem de 100 vezes superior á fissão nuclear..

As reacções de fusão ocorrem no Sol e nas outras estrelas. O Homem tenta utilizá-las, de uma forma controlada, nos laboratórios para a produção de energia de fusão, que possa ser utilizada na geração de energia eléctrica;

Os Reatores de Fusão Nuclear estão no topo das listas de tecnologias energéticas definitivas para a humanidade, constituindo uma fonte de energia isenta de carbono;

Potencial de geração de 1 Gigawatt de eletricidade de apenas alguns quilogramas de combustível por dia;

A combustão entre os reagentes não poderá ocorrer de forma descontrolada, pois a cessação das reações de fusão poderá ocorrer quando não se injectar mais combustível no reator, terminado os processos em uma fracção de segundos;

Os problemas com os resíduos do processo são limitados, pois não existem subprodutos radioactivos oriundos dos mesmos, sendo que o tratamento dos gases emitidos no processo poderá ser feito no local;

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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A reacção mais fácil de obter num laboratório é a que envolve D-T. Mesmo assim, os reagentes devem estar a temperaturas da ordem dos 10-20 keV.

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Principais reacções de fusão nuclear

D + T He4 + n + 17.6 MeV

D + D He4 + n + 3.27 MeV

D + D T + H + 4.03 MeV

D + He3 He4 + H + 18.3 MeV

A melhor reacção é sem dúvida a que envolve D+He3 porque liberta a maior quantidade de energia, e não produz neutrões. Contudo, esta reacção não pode ser conseguida num laboratório pois os átomos têm de possuir uma energia muito elevada, e o He3 é um elemento que não existe na Terra.

D + T

D + D

D + He3

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 179

TrítioM=(3 – 0,006284)

DeutérioM=(2 – 0,000994)

Neutrão M=(1 + 0,001378)+14,1MeV

Hélio M= 3,972596He+ 3,5 MeV

Energia

FusãoM=4,98125

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Deutério/Trítio

A mais promissora das reacções de fusão do hidrogénio, é a fusão de deutério e trítio. A reacção produz 17,6 MeV de energia, mas exige uma temperatura superior a 10 milhões ºC, para ultrapassar a barreira de Coulomb e provocar a fusão. O combustível deutério e trítio, é abundante, mas deve ser produzido a partir da água pesada ou a partir de Lítio.

17,59MeVnHeHH 10

42

31

21

Deuterium-tritium fusion: 4.5 x 107 K

Três fases da reação de fusão nuclear entre núcleos de deutério e trítio:  1 – Os núcleos de deutério e trítio são acelerados até uma velocidade que permita o início da reacção. 2 – É criado um núcleo instável de 5He. 3 - A ejecção de um neutrão e a expulsão de um núcleo de 4He. 

E = M c2 = 0,01875 M c2

E = 2,818 x 10-12 J = 17,59 MeV

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 180

Este Ciclo de fusão (que tem a taxa de reação mais rápida) ó o que mais interessa para a Produção de Energia

Deutério - da água (0,02% de todo o hidrogénio é hidrogénio pesado ou deutério).

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Energia Nuclear

Trítio - do lítio (um metal leve, comum na crosta da Terra).

Deutério+ Lítio → Hélio + Energia

D + T → 4He + n

THenLi 46

nTHenLi 47

Produção

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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A abundância isotópica do deutério, a fonte de deuterões para esta reacção, é de apenas uma parte em 6700, mas este isótopo do hidrogénio pode ser extraído em quantidades praticamente ilimitadas da água do mar. Os defensores da energia nuclear argumentam que, depois que os combustíveis fósseis se esgotarem, teremos apenas duas escolhas para gerar energia: “queimar pedra” (fissão do urânio extraído de rochas) ou “queimar água” (fusão do deutério extraído da água).

No entanto, na reacção mostrada, os protões em cada núcleo tenderão a se repelir por terem a mesma carga (positiva). Assim, para obter a fusão, é necessário criar condições especiais para vencer esta barreira coulombiana entre os protões. 

A seguir, apresentaremos as condições para tornar possível a fusão. 

a) Alta temperatura: o plasma deve estar muito quente, caso contrário os núcleos de deutério e trítio não terão energia suficiente para vencer a barreira de Coulomb que tende a mantê-los afastados. 

Deutério e Trítio – Elementos leves que quando interagem em fusão, possuem a menor barreira Coulombiana, em torno de 0,1 MeV.  Para romper este valor de 0,1 MeV é necessário que o sistema termonuclear seja elevado a uma temperatura de 100 milhões de graus Kelvin (aproximadamente seis vezes mais quente que o núcleo do sol). 

Nessas temperaturas, tanto o deutério como o trítio estarão totalmente ionizados (perdem o seu electrão), formando um plasma (gás ionizado e condutor) de deuterões, tritões e electrões. O facto de o plasma ser constituído por partículas carregadas faz com que ele possa ser confinado por campos magnéticos. 

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear:

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 182

b) Alta concentração de partículas: a concentração de partículas carregadas (número de deuterões por unidade de volume, por exemplo) deve ser suficiente para assegurar um grande número de colisões por unidade de tempo. Eles devem estar a 1x10-15 metros um do outro para que ocorra a fusão.

O sol utiliza a sua massa e a força da gravidade para comprimir os deuterões e aumentar a concentração. Em reactores a fusão nuclear, é necessário agrupar os deuterões e electrões usando intensos campos magnéticos (ímãs supercondutores), potentes lasers ou feixes de iões.

c) Um longo tempo de confinamento : um problema difícil é conter o plasma durante um tempo suficiente para que as reacções de fusão ocorram. O tempo de confinamento de energia é uma medida de quanto tempo a energia do plasma é mantida antes de ser perdida. É evidente que nenhum recipiente sólido poderia suportar as altas temperaturas necessárias para a fusão, de modo que é preciso usar outras técnicas de confinamento, duas das quais serão discutidas a seguir.

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Condições para tornar possível a fusão. 

Que é o critério de Lawson, que mostra que temos uma escolha entre confinar muitas partículas por pouco tempo ou poucas partículas por muito tempo.

É possível demonstrar que, para um reactor termonuclear baseado na reação deuterão-tritão produzir mais energia do que consome, é preciso que: 

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Plasma

As temperaturas de 10-20 keV necessárias para que os núcleos de D e T se possam fundir, vencendo a força de repulsão dos seus núcleos, o Deutério e o Trítio são ionizados (átomos divididos em iões e electrões), no estado de plasma (quarto estado da matéria).

Um plasma é um meio ionizado, quase neutro, com comportamento colectivo.

Quase neutro significa que, em qualquer volume do plasma, as cargas positivas e negativas são praticamente iguais.

Comportamento colectivo significa que o movimento das partículas carregadas é influenciado por forças de longo alcance, do tipo da Lei de Coulomb.

Há três processos principais para obrigar os átomos de D e T a fundirem-se:Confinamento magnético Confinamento inercialConfinamento gravitacional

gravitacional InercialMagnético

Tokamak

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 184

Mesmo que se consiga gerar as extremamente altas temperaturas necessárias para iniciar as reacções de fusão nuclear, não existe qualquer recipiente de material que possa resistir a tal temperatura.

A solução para este dilema é manter o plasma quente fora do contacto com as paredes do recipiente, mantendo-o em movimentos circular ou helicoidal, por meio da força magnética sobre as partículas carregadas.

Uma abordagem para o confinamento magnético é a abordagem tokamak, usado no Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), de geometria toroidal, um dispositivo desenvolvido pela primeira vez na URSS. Esse projeto já está concluído, e actualmente esta em marcha um grande consórcio internacional o ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), para desenvolver ainda mais a fusão por confinamento magnético com o objectivo de produção de energia.

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Confinamento Magnético

Os campos magnéticos obrigam as partículas carregadas a movimento espiral em torno das linhas de campo. Apenas algumas partículas de plasma são perdidas para as paredes dos vasos, por difusão relativamente lenta, ao longo das linhas de campo.

Os campos magnéticos em

direção observador

Paredes do Recipiente,

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 185

1. Combustível - O reactor é alimentado por deutério e trítio, elementos produzidos a partir do hidrogénio contido na água .

2. Túnel magnético - A mistura de deutério e trítio forma um plasma que circula rapidamente no interior do núcleo do reactor .

3. Revestimento - As paredes revestidas de ímãs aceleram o plasma, que chega a uma temperatura de 100 milhões de graus Celsius .

4. Rejeitos - O resultado da reacção nuclear são simples átomos de hélio, um gás inócuo, normalmente usado para encher balões em festas de criança .

5. Estímulos - Injecções de átomos e de ondas de alta frequência ajudam a manter a temperatura elevada no núcleo .

6. Arrefecimento - Um circuito de resfriamento por líquido de alta pressão sai do reactor e gera eletricidade  num turbogerador.

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Confinamento magnético - Reactor de fusão nuclear - tokamak

Para a fusão sustentada ocorrer por confinamento magnético, as seguintes condições de plasma precisam ser mantidas (simultaneamente):

Temperatura do Plasma: (T) 100 milhões de Kelvin; Tempo de confinamento na temperatura acima: () 4-6sDensidade de plasma: (n) 1-2 x 1020 partículas m-3. Note que em altas densidades de plasma, o tempo de confinamento necessário será menor.

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 186

Mecânica Quântica

Confinamento Magnético

A Fusão Nuclear: Reactor de fusão nuclear - tokamak

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 187

Mecânica Quântica

Funcionamento A Fusão Nuclear: Reactor de fusão nuclear - tokamak

Existe em Portugal um Tokamak de secção circular. Encontra-se montado desde 1990 no Centro de Fusão Nuclear do Instituto Superior Técnico em Lisboa, com este reator Portugal integra o projecto ITER, desde 1998.

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 188

Central elétrica de fusão será inerentemente segura  A operação de rotina de uma central eléctrica de fusão não requer o transporte de material

radioactivo fora do reactor.As reacções de fusão podem ser quase instantaneamente interrompidas, dado que os

combustíveis entram para o reactor à medida que vão sendo utilizados.  A existência de neutrões de elevada energia (14MeV) conduz á activação das paredes de um

reactor de fusão. Com o desenvolvimento de novos materiais, é de se esperar que os componentes de um reactor de fusão percam a sua actividade num máximo de 30 a 40 anos.

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Central eléctrica de fusão

Depois de sair da turbina, o vapor é transformado novamente em água em um condensador antes de voltar para o permutador de calor.

O calor gerado na camada de lítio, que envolve o núcleo do reator é transferido para um circuito fechado de água. Para extrair o máximo de calor possível, a água é mantida a uma temperatura elevada, na ordem de  300oC.

Para evitar que a água entre em ebulição, o que ocorre a 100oC à pressão ambiente (1 atmosfera), a água é pressurizada a mais de 150 atmosferas.

A água quente é bombeada para um permutador de calor, onde o calor é transferido para a água que circula em um segundo sistema fechado. O calor transferido para o segundo sistema produz vapor (gerador de vapor), que é usado para mover uma turbina. A turbina está acoplada a um gerador de electricidade (dínamo), que é enviada para fora da usina por meio de linhas de transmissão de alta tensão.

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 189

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Confinamento Inercial

A Fusão por confinamento inercial (ICF), é um conceito que tem a intenção de iniciar as reacções de fusão nuclear por aquecimento e compressão de um alvo de combustível, tipicamente na forma de uma pastilha que contém na maioria das vezes uma mistura de deutério e trítio, usando Laser , raios X ou outras partículas, incluso antimatéria.

No confinamento inercial, uma pequena esfera de uma mistura de deutério e trítio é bombardeada de todos os lados por raios laser de alta intensidade, que fazem o material da superfície evaporar. Esta evaporação provoca uma onda de choque que comprime a parte central da esfera, aumentado drasticamente a densidade e a temperatura do material. 0 processo é chamado de confinamento inercial porque o que impede que o plasma escape da região de confinamento é a inércia do material utilizado como fonte de plasma. Os cientistas estão estudando esta abordagem experimental na National Ignition Facility do Laboratório Lawrence Livermore nos Estados Unidos.

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 190

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Confinamento Inercial

1) Formação Ambiental: Feixes Laser rapidamente aquecem a superfície do centro de fusão formando uma envolvente de plasma circundante.

2) Compressão: O combustível é comprimido pela implosão tipo foguete do material quente da superfície.

3) Ignição: Durante a parte final do impulso laser, o núcleo de combustível atinge 20 vezes a densidade de chumbo e inflama a 100 milhões graus Celsius.

4) Queima: A queima Termonuclear espalha-se rapidamente através do combustível comprimido, produzindo muitas vezes a energia de entrada.

Energia Laser

Implosão

Energia direccionada para o interior

Densidade do impulso explosivo ~ até 1000 g/cc Tempo de confinamento ~10 -10 s

100 Milhões atmosferas

200 Milhões atmosferas

50MºC/ - 104T /m3 no núcleo

sCRE 4/

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 191

O National Ignition Facility (20 Mega Joules com 192 Lasers), na Califórnia, nos Estados Unidos entrou em operação em 2009

O confinamento inercial está sendo pesquisado na França (Laser Megajoule, em Bordeaux), na União Europeia (High Power laser Energy Research facility - HiPER) e nos Estados Unidos (National Ignition Facility, na Califórnia).

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Confinamento Inercial

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 192

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Confinamento gravitacional

Confinamento gravitacional - A força gravitacional nas estrelas comprime a matéria, em sua maior parte composta de hidrogênio, a níveis de densidade e temperatura muito elevados no centro das estrelas, fazendo com que o processo de fusão encontre seu ponto de ignição. Este mesmo campo gravitacional compensa as enormes forças de expansão térmica fazendo, desta forma, com que as reações termonucleares numa estrela, assim como no Sol, ocorram de maneira controlada e estável. No entanto isso é impossível de conseguir na Terra…

Este processo é o que ocorre no Sol, onde núcleos de hidrogênio leve (prótio) se fundem, formando núcleos de hélio com liberação de alta quantidade de energia

Entretanto, em 1952, os cientistas conseguiram realizar a fusão-controlada, envolvendo não só prótio, mas também deutério, trítio e até mesmo núcleos de hélio.

Cientistas preveem a construção de reactores de fusão com muitas vantagens sobre os reactores de fissão. As principais vantagens de um reator de fusão seriam a sua economia e a virtual ausência de detritos radioactivos e, portanto, não-poluentes. O maior problema que se encontra neste tipo de reactor está, não somente em se reproduzirem as temperaturas necessárias à fusão, mas também em se conseguir um meio que suporte tais temperaturas… lá para 2040!...

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 193

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: A Bomba de Hidrogénio

O homem conseguiu reproduzir na Terra uma reacção semelhante á que acontece no Sol, que é a que ocorre na bomba de hidrogénio, que se baseia no processo de fusão e é detonada por uma pequena homba atómica, que fornece as altas temperaturas necessárias, para a fusão.

Este tipo de bomba ainda não foi usada com fins bélicos, porém, a nível experimental, pelo menos 20 bombas de hidrogénio já foram lançadas.

nHeHH 10

42

21

31

Uma bomba de hidrogénio, designação mais adaptada ao seu significado é bomba termonuclear, é uma bomba que consegue ser até 750 -1000 vezes mais forte do que qualquer bomba nuclear a fissão.

Em 1961, a URSS experimentou a bomba mais poderosa até então concebida (apelidada de  Bomba Tsar), à qual foi atribuída uma força de 57 megatoneladas.

O húngaro Edward Teller e o matemático polaco Stanislaw Ulam, sob protestos de Fermi e Szilard, chefiaram o desenvolvimento da bomba de fusão de hidrogénio, que utiliza uma bomba de fissão como gatilho para iniciar a colisão do deutério com o trítio. A bomba de hidrogénio, ”Ivy Mike” (com intensidade equivalente à detonação de 10,4 megatoneladas de T.N.T.) foi testada a 31 de Outubro de 1952, em Eniwetok nos EUA.

A primeira bomba de hidrogênio explodiu durante uma experiência feita pelos Estados Unidos em 1952. Detonou com uma força de dez megatons, igual à explosão de dez milhões de toneladas de TNT, um forte explosivo convencional. A potência desta terrível arma mostrou ser 750 vezes superior à das primeiras bombas atômicas e suficiente para arrasar qualquer grande cidade.

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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O primeiro engenho baseado neste princípio foi detonado nos Estados Unidos no teste nuclear "Ivy Mike", em 1952. Na União Soviética, este desenho era conhecido como a "Terceira Ideia" de Andrei Sakharov. Foram desenvolvidos engenhos similares no Reino Unido, China e França, embora nenhum nome de código seja conhecido para os seus desenhos. O mais poderoso engenho nuclear alguma vez testado foi a Bomba  Tsar , arma nuclear soviética de 50 megatoneladas.

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: A Bomba de Hidrogénio

Construção Básica tipoTeller-UlamO desenho de Teller-Ulam é um desenho de arma nuclear que é usado em armas

nucleares com potências de megatoneladas, sendo coloquialmente referido como "o segredo da bomba de hidrogénio".

Esta configuração recebeu o nome dos seus principais contribuidores, o físico húngaro Edward Teller e o matemático polaco Stanisław Ulam, tendo sido desenvolvida por ambos em 1951. O conceito diz respeito, especificamente, à implementação de um "gatilho" de fissão junto a uma determinada quantidade de combustível de fusão (mecanismo de faseamento), e à utilização de "implosão radiativa" para comprimir o combustível de fusão antes de o inflamar. Foram propostas, por diferentes fontes, várias adições e alterações a este conceito básico.

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 195

2009 vewzone.com

O lítio irá absorver um neutrão e transformar-se em trítio, em seguida, o trítio e deutério se fundem para formar hélio e um neutrão livre, libertando 17,6 MeV de energia.

Lítio-deutérido (DT)

Um pó seco contendo lítio(6) e deutério. Este é o combustível real vai criar a fusão.

O refletor, geralmente de U238, impede que o calor atinja o cilindro secundário antes de os neutrões e raios-x poderem detoná-lo.

O detonador primário (de ignição) é uma pequena "bomba atómica", usada para gerar neutrões de alta energia e pressão térmica.

Berílio Forro refletor de neutrões.

A detonação primária de fissão liberta raios-x e neutrões, que são refletidos pelo forro de berílio o que faz com que a espuma de isolamento térmico (styrofoam) se transforme em plasma.

O plasma, neutrões e raios-x, comprimem então o cilindro de urânio, fazendo com que o lítio-deutério iniciem uma reacção de fusão.

StyrofoamIsolamento Térmico

Cilindro de U238

O núcleo de PlutónioTambém comprime e inflama o lítio-deutérido do centro do cilindro, por uma reacção de fissão.

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: A Bomba de Hidrogénio

Hélio

Trítio

42He

31H

6Lin21H

Deutério

42He

Hélio

n17,6MeV

Neutrão

Lítio

Neutrão

Pri

ria

de

Fis

o

Se

cu

nd

ári

a

de

Fu

o

Construção Básica tipoTeller-Ulam

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 196

Reflector de neutrões geralmente feito de berílio, envolvendo uma esfera de plutônio ou de urânio.

O reflector de neutrões reduz significativamente a quantidade de plutónio 239 ou urânio 235 necessários para atingir a massa Super crítica.

Cargas cuneiformes de altos explosivos, que cercam o núcleo, são detonadas em simultâneo, comprimem o reflector de neutrões e a esfera de Plutónio

Esfera oca de plutônio 239 ou urânio 235 preenchida com uma mistura de gás de hidrogénio comprimido na forma de deutério e trítio.

Uma esfera típico é desde 4,5 a 6 polegadas de diâmetro e é feita de 4 a 6 kg de plutónio com apenas 4 gramas de gás de trítio.

O espaço vazio entre a esfera e o reflector de neutrões tem um efeito de "martelo", quando os explosivos compressão explodem.

Espaço de vácuo.Fios de Alumínio suspendem a esfera dentro do espaço de vácuo.

Uma "bomba atómica" de fissão - o "detonador inicial" de uma Bomba -H

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: A Bomba de Hidrogénio

Construção Básica tipoTeller-Ulam

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 197

Ogiva antes do disparo.Na parte superior o detonador inicial (bomba de fissão). Na parte inferior, suspensa em espuma de poliestireno, a bomba de fusão.

Ignição Inicial.A bomba atómica primária é detonada, por altos explosivos comprimindo o núcleo de Plutónio para massa super crítica, iniciando a reacção de fissão.

Explosão de fissãoA explosão, produz raios-x, que são reflectidos pelo forro interior, para espuma de poliestireno.

PlasmaA espuma de poliestireno transforma-se em plasma, comprimindo ainda mais o ignitor de Plutónio que entra em fissão.

Explosão de fusãoComprimido e aquecido, o combustível Iítio-6/deutéricocomeça a reacção de fusão, o fluxo de neutrões adultera a fissão. Uma bola de fogo começa a formar-se…

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: A Bomba de Hidrogénio

1945 – EUA = bomba atómica

1949 – URSS = bomba atómica

1952 – EUA = bomba de Hidrogénio

1953 – URSS = bomba de Hidrogénio

 Na bomba de hidrogênio, a espoleta utilizada não é um explosivo convencional, mas uma bomba atómica como a de Hiroshima. O momento da explosão dessa carga, é determinado por meio de um controlo remoto.

Eficiência: a eficiência das armas de fissão é apenas uma fração do material físsil que realmente fissiona. A eficiência máxima é calculada para ser de 25%. Mas, para a “Little Boy” foi apenas de 1,4% e de 14% para a “Fat Man”. As bombas de fusão, são 750 a 1000 vezes mais potentes…

Escalada de Armamentos

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 198

MIR

V

Ogiva W-87

Misseis Balísticos Trident D-5

Gerador de Neutrões

Rai

os X

Esponja

Invólucro de U238

Explosivo Químico

Berílio

Deutério/Trítio (gás)

PU 239

U 235

Lítio deuterídeo(fusível)

U 238/235

Ign

ito

r d

e F

iss

ão

Bo

mb

a d

e F

us

ão

300.000 T TNT

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: A Bomba de Hidrogénio em ogivas

2009 vewzone.com(c) 1999 San Jose Mercury Hews, by Reid Brown, Karl Kahler, and Dan Stober

1.A bomba de fissão, a "Primária", cria o calor e pressão para detonar o segundo dispositivo. A forma oval, um avanço decisivo em miniaturização reduz o diâmetro para melhor ajuste no cone da ogiva.

2.A bomba de fusão, de forma esférica, a “Secundária", é a mais potente. A quantidade enorme de calor e raios –X da primeira explosão, comprimem e aquecem o combustível de fusão, da segunda cápsula, que explode…

3.Uma camada de U-235 enriquecido em envolve o segundo dispositivo, fissiona-se e provoca uma terceira explosão…

Protecção de reentradaProtege do calor da reentrada na atmosfera depois do lançamento

Altos ExplosivosFazem a ignição da bomba de fissão.

Trítio deutério (gás)Isótopos de hidrogénio.

Plutónio 239Combustível de fissão.

Urânio 235A “vela de ignição”.

Urânio 235Cria a terceira explosão.

Lítio deutéricoConvertido pela explosão do trítio, um isótopo de hidrogénio; daí a "Bomba de hidrogênio."

Reservatório de GásInvólucro de U-238

Reflector de Neutrões (Be)

Ogiva W-88

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

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Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: A Guerra Fria e a corrida ao armamento nuclear

Lembro-me de o presidente Kennedy disse uma vez ... que os Estados Unidos tinham a capacidade de mísseis nucleares para acabar com a União Soviética, duas vezes, enquanto a União Soviética tinha bastante armas atómicas para acabar com os Estados Unidos apenas uma vez ... Quando os jornalistas me pediram para comentar ...

Respondi: "Sim, eu sei o que Kennedy afirma, e ele está certo. Mas eu não estou reclamando ... Estamos satisfeitos de ser capaz de acabar com os Estados Unidos na primeira vez. Uma vez é o suficiente. O que é que tem de bom aniquilar um país duas vezes?

“-Nós não somos um povo sedento de sangue." Nikita Khrushchev - 1974 A situação relativamente á proliferação nuclear tem suscitado há alguns anos acesa discussão. Se uns

têm, porque é que outos não podem ter?... Afinal quem decide sobre a segurança de um país? Os outros ou o próprio? Uma coisa é certa, os que as têm, não querem deixar de as ter… durante a guerra fria entre os EUA e a URSS… o medo foi sempre o principal dissuasor… existe a Agência Internacional de Energia Atómica (IAEA), directa ou indirectamente controlada pelos EUA, mas há-de haver sempre países que não vão subscrever o tratado de não proliferação nuclear TNP , engenheiros como Adbul Quadeer Khan (engenheiro paquistanês, que estudou na Holanda – daí tenha copiado os segredos que mais tarde venderia, ao regressar ao seu país em meados da década de 80, foi encarregue de desenvolver o programa nuclear paquistanês, no qual obteve sucesso, ao detonar a primeira bomba atómica no fim da década de 90, mas também tenha sido condenado por espionagem por um tribunal alemão) e a sua rede tenha sido desmantelada pela CIA em 2003…. Ou organizações como a Al-Qaeda… Segurança não existe… Existe é medo…. Até porque ultimamente tem desaparecido material!

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 200

A bomba de neutrões é a última variante da bomba atómica. Em geral, é um dispositivo termonuclear pequeno, com corpo de níquel ou crómio, onde os neutrões gerados na reacção de fusão intencionalmente não são absorvidos pelo interior da bomba, mas se permite que escapem. As emanações de raios-X e de neutrões de alta energia são o seu principal mecanismo destrutivo. Os neutrões são mais penetrantes que outros tipos de radiação, de tal forma que muitos materiais de proteção que bloqueiam os raios gama são pouco eficientes contra eles. A bomba de neutrões tem acção destrutiva apenas sobre organismos vivos, mantendo, por exemplo, a estrutura de uma cidade intacta. Isso pode representar uma vantagem militar, visto que existe a possibilidade de se eliminar os inimigos e apoderar-se dos seus recursos…

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: A Guerra Fria e a corrida ao armamento nuclear

A bomba de neutrões geralmente é creditada a Samuel Cohen do Laboratório Nacional de Lawrence Livermore, que desenvolveu o conceito em 1958. Embora inicialmente contrária pelo Presidente John F. Kennedy, a sua prova foi autorizada e levada a cabo em 1963 em uma instalação de testes subterrânea no Nevada. O seu desenvolvimento foi adiado subsequentemente pelo Presidente Jimmy Carter em 1978, devido aos protestos dos partidários contra os planos da sua administração para desenvolver ogivas de combate de neutrões na Europa. O Presidente Ronald Reagan reiniciou a produção em 1981…

A última bomba de neutrões americana, foi desmantelada em 2003, devido ao fim da Guerra Fria e ás negociações SALT com a Rússia… Mas entretanto não se sabe bem o destino das de França, China, Israel…

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 201

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: A Guerra Fria – Bomba de Neutrões

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 202

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Fusão á temperatura ambiente “Cold Fusion”

Desde o anúncio inicial, a pesquisa da fusão a frio continuou por uma pequena comunidade de investigadores, comprometidos ou convencidos de que essas reações acontecem, e na esperança de ganhar maior reconhecimento pela sua evidência experimental, ou por teorias de conspiração, como as de Nikola Tesla, e outras investigações, especialmente no campo da química/fisica de produção de energia eléctrica, investigações que não interessam aos interesses mundiais do capitalismo estabelecido…

A fusão nuclear ocorre em temperaturas na casa das dezenas de milhões de graus. Há mais de 100 anos, que tem havido especulações de que a fusão nuclear pode acontecer a temperaturas muito mais baixas por fusão de hidrogénio absorvido por um catalisador de metal. Em 1989, uma reivindicação por Stanley Pons e Martin Fleischmann (então uns dos principais electroquímicos do mundo) de que tal fusão a frio havia sido observada, causando uma breve sensação nos média, antes que outros cientistas comprovassem a sua afirmação, vindo depois a ser considerada como sendo incorreta, após muitos não conseguirem replicar o processo, que nunca foi bem explicado pelos próprios.

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 203

Mecânica Quântica A Fusão Nuclear: Fusão á temperatura ambiente “Cold Fusion”Experimento Pons / Fleischmann

Como o hidrogénio e deutério são tão semelhantes (diferindo apenas por um neutrão), a mesma reacção ocorre com o deutério - também pode ser sugado por paládio em surpreendentemente grandes quantidades. Fleischmann verificou que, como o deutério é absorvido pelo paládio, sofre uma redução dramática de volume (por um factor de cerca de 900), os átomos de deutério deveriam ser comprimidos dentro do paládio. Ele começou a se perguntar se um processo semelhante poderia ser usado para forçar os átomos de deutério a ficarem perto o suficiente para se fundirem e liberar a energia ...

A ideia por trás de sua experiência de fusão a frio foi provocado por outro de estudos de Fleischmann. No final da década de 1960, Fleischmann estava usando paládio, um metal raro, como um ingrediente-chave para separar o hidrogénio do deutério. Nesses experimentos, viu em primeira mão como o paládio pode absorver invulgarmente grandes quantidades de hidrogénio - cerca de 900 vezes o seu próprio volume. Isso é um pouco como o uso de uma única esponja de cozinha para acabar com 30 litros de leite derramado!

Este poder de absorção é surpreendente, devido a uma reacção química na superfície do paládio que absorve o hidrogénio para dentro do metal.

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 204

A Fusão Nuclear: Fusão á temperatura ambiente “Cold Fusion”Experimento Pons / Fleischmann

D2O

OD-

Líquido a temperatura constante

Água pesada2H2O

Na maioria do tempo, a entrada de energia para a célula era igual à potência calculada deixando a célula dentro de precisão de medição, e a temperatura da célula era estável a cerca de 30 ° C. Mas então, em algum ponto (em algumas das experiências), a temperatura subiu de repente a cerca de 50 ° C sem alterações na potência de entrada. Estas fases de alta temperatura teriam a duração de dois dias ou mais, repetiram-se várias vezes numa determinada experiência, desde que tenham ocorrido uma vez. A potência saindo da célula calculada, era significativamente maior do que a potência de entrada durante estas fases a altas temperaturas. Eventualmente, as fases de alta temperatura não mais ocorreram dentro de uma célula em particular ... Noutras experiências…..

Fleischmann e Stanley Pons através da hipótese de que a alta taxa de compressão e mobilidade de deutério que pode ser alcançada dentro de metal paládio, através da eletrólise, podia resultar em fusão nuclear

Para investigar, eles realizaram experimentos de eletrólise usando um cátodo de paládio e de água pesada dentro de um calorímetro, num tanque isolado projectado para medir o calor do processo.

cátodoânodo

Corrente eléctrica foi aplicada continuamente durante muitas semanas, com a água pesada, sendo renovada em intervalos regulares. Algum deutério, pensaram, iria ser acumulado no cátodo, mas a maioria iria borbulhar para fora da célula, juntando-se o oxigénio produzido no ânodo.

Mecânica Quântica

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 205

Em janeiro de 2011 o inventor Andrea Rossi, juntamente com o pesquisador Sergio Focardi da Universidade de Bologna, alegaram ter demonstrado com sucesso, a fusão a frio, comercialmente viável, num dispositivo chamado Catalisador de Energia. Outros inventores e empresas fizeram alegações semelhantes no passado, no entanto os dispositivos comerciais nunca estiveram disponíveis no mercado ....Talvez teoria da conspiração!... Ou não!... Entretanto o mundo desespera por energia limpa e barata…. Seja qual for a fusão…

A Fusão Nuclear: Fusão á temperatura ambiente “Cold Fusion”

Mecânica Quântica

http://www.youtube.com/watch?v=f6d2q-YxVvk

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 206

Na década de 30 as partículas fundamentais conhecidas eram: electrão, protão e neutrões. --Apenas 3 blocos construtores da Natureza?…

O neutrão é estável? Dentro dos núcleos o neutrão é estável, mas livres eles decaem com

vida média de 887s (14,8 minutos). Decaimento do neutrão livre:

- que é denominado de decaimento β.

Neutrino Positron

6 Protões4 Neutrões

Carbono -10

5 Protões5 Neutrões

Boro -10

Β+

Β

Carbono -14

6 Protões8 Neutrões

Nitrogénio-14

7 Protões87Neutrões

Anti-NeutrinoElectrão

Decaimento β negativo (-) (minus)

Decaimento β positivo (+) (plus)

n→p+e− +νe

Mecânica Quântica Ficaremos por aqui?

Em 1961 Murray Gell-Mann e Kazuhiko Nishijima - os protões e neutrões são compostos por quarks…

Em 1932 Carl D. Anderson usou uma Câmara de Wilson para detectar o pósitron (e+), a anti-partícula do eléctrão…

Neutrino, partícula proposta por Wolfgang Pauli em 1930, e confirmado em 1956 por Frederick Reines

Será que apenas essas 3 partículas elementares explicam toda a matéria que temos no Universo?

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 207

Movimento browniano

Movimento browniano

Radiação térmica

Radiação térmica

“A eletrodinâmica dos corpos em

movimento”

“A eletrodinâmica dos corpos em

movimento”

EletromagnetismoEletromagnetismo

MecânicaMecânica TermodinâmicaTermodinâmica

RelatividadeRelatividadeMecânica Quântica

Mecânica Quântica

Mecânica Estatística

Mecânica Estatística

A Revolução da Física Moderna

Mecânica Quântica Ficaremos por aqui?

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 208

http://apod.nasa.gov/apod/image/1203/scaleofuniverse_huang.swf

Escalas do Universo

Mecânica Quântica Ficaremos por aqui?

Page 209: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 209

Quais as escalas que temos no universo?

Como observar objectos com tamanhos tão diferentes?

Como classificamos hoje as partículas sub-atómicas?

Mecânica Quântica Ficaremos por aqui?

NOVO!--- Modelo de partículas

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 210

Dúvidas?

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 211

Obrigado!

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 212

Bibliografiahttp://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/brian_yarmak/physics.html

www.agracadaquimica.com.br/quimica/arealegal/slides/218.

http://herramientas.educa.madrid.org/tabla/anim/configuracion4.swf

http://aprendendoquimicaonline.blogspot.pt/2011/06/distribuicao-eletronica.html

http://www.profpc.com.br/radioatividade.htm

https://plus.google.com/photos/106481465324783803071/albums/5474518503896509969?banner=pwa&sort=5

http://ciencia.hsw.uol.com.br/projeto-manhattan1.htm

http://www.powershow.com/view/917df-ZDJjM/Lecture_7_Heisenberg_Uncertainty_Principle_powerpoint_ppt_presentation

http://ocw.mit.edu MIT OpenCourseWare

http://www.chemistryland.com/CHM151W/07-Atomic%20Structure/Spectra/ModernAtom151.html#

http://www.100ciaquimica.net

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/4974/5093961/lecture_ppts/Chapter07_LEC.ppt.

http://www.searadaciencia.ufc.br/donafifi/donafifi.htm

http://undsci.berkeley.edu/article/cold_fusion

http://www.plasma.inpe.br/LAP_Portal/LAP_Sitio/Texto/Confinamento_de_Plasma.htm

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/16309/05_teoria_frame.htm

http://www.cfn.ist.utl.pt

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermonuclear_weapon

Modelos Atômicos . ppt do Professor Fabiano Ramos Costa

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 213

Outra Equações

Modelo de Bohr (1913)

hc

hE Energia e Frequência:

hKE Efeito fotoeléctrico:

mv

h

p

h Comprimento de onda de De Broglie:

f2 Frequência angular:

2

h Constante de Planck:

2

k Vector Onda:

VΨΨ2mt

Ψi 2

2

Equação deSchrödinger:

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 214

OUTROS DADOS:

Atmosfera normal 1,013 · 105 N/m2  (Pa) Densidade ar (CN) 1,293 kg/m3

Velocidade som 331,4 m/s Constante solar 1.340 W/m2

R. Equador Terra 6,378 · 106 m R. polar Terra 6,357 · 106 m

Volume Terra 1,087 · 1021 m3 R. médio Terra 6,371 · 106 m

Massa Terra 5,983 · 1024 kg V. media orbital 107.172 km/h

V. angular Terra 7,29 · 10-5 rad/s Densidade Terra 5.522 kg/m3

R orbital Terra 149 · 106 km Massa solar 329.390 MT

Raio solar 695.300 km Gravedad solar 28 gT

R orbital Lua 384 · 103 km Massa lunar 0,0123 MT

Gravidade lunar 0,17 gT Raio lunar 1.738 km

Fórmulas e tabelas

Page 215: Modelos atómicos 5 -Modelo atómico quântico

Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 215

Quantidade Símbolo Valor

Atmosfera padrão atm 101 325 Pa (definição)

Constante de estrutura fina α ="μ" 0e 2 c0/2h 7.297 353 08(33) x 10-3

Inverso da constante de estrutura fina α-1 137.035 989 5(61)

Raio de Bohr a0 5.291 772 49(24) x 10-11 m

Energia de Hartree Eh 4.359 748 2(26) x 10-18 J

Constante de Rydberg R∞ 1.097 373 153 4(13) x 10-7 m-1

Magneton de Bohr μB 9.247 015 4(31) x 10-24 J.T-1

Momento magnético do Electrão μe 9.284 770 1(31) x 10-24 J.T-1

Factor g de Lande para Electrões livres ge 2.002 319 304 386(20)

Magneton nuclear μN 5.050 786 6(17) x 10-27 J.T-1

Momento magnético de Protão μp 1.410 607 61(47) x 10-26 J.T-1

Raio giromagnético de Protão γp 2.675 221 28(81) x 108 s-1.T-1

Momento magnético de Protões em H20, μ'p μ'p/μB 1.520 993 129(17) x 10-3

Frequência de ressonância de Protão em H20 γ'p/2π 42.576 375 (13) M.Hz.T-1

Fórmulas e tabelas

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 216

Quantidade Símbolo Valor

Permeabilidade no vácuo μ 4π x 10-7 H.m-1 (definição)

Velocidade da luz no vácuo c 299 792 458 m.s-1 (definição)

Permissividade no vácuo ε0 ="/μ0c02" 8.854 187 816 ... x 10-12 F.m-1

Constante de Planck h 6.626 075 5(40) x 10-34 J.s

Constante de Planck normalizada *h ="h/2π" 1.054 572 66(63) x 10-34 J.s

Carga elementar e 1.602 177 33(49) x 10-19 C

Massa do Electrão em repouso me 9.109 389 7(54) x 10-31 kg

Massa do Protão em repouso mp 1.672 623 1(10) x 10-27 kg

Massa do Neutrão em repouso mn 1.674 928 6(10) x 10-27 kg

Unidade de massa atómica mu ="1u" 1.660 540 2(10) x 10-27 kg

Número de Avogadro L, NA 6.022 136 7(36) x 1023 mol-1

Constante de Boltzmann k 1.380 658(12) x 10-23 J.K-1

Constante de Faraday F 9.648 530 9(29) x 104 C.mol-1

Constante dos gases R 8.314 510 (70) J.K-1.mol-1

Volume molar, gás ideal, p = 1 bar, θ = 00C   22.711 08(19) L.mol-1

Fórmulas e tabelas

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 217

ELECTROMAGNETISMO

MAGNITUD S.I.

I Corrente Eléctrica A [ampere]

Q Carga Eléctrica A·s [coulomb]

s Dens-superficial-carga C/m²

E Inten-campo-eléctrico N/C

FE Fluxo_campo_eléctrico N m2/C

V Potencial-eléctrico J/C [volt]

j dens_corrite_eléctrico A/m²

e permitividad C²/(m²·N)

D esplazamiento_eléctrico C/m²

F flujo_eléctrico C

C capacidade C/V [farad]

P polarização dieléctrica C/m²

R resistência V/A [ohm]

G condutância 1/W [siemens]

r resistividade W·m

g condutividade 1/(W·m) [S/m]

B indução magnética N/(A·m) [tesla]

FB fluxo_camp_magnético Wb [weber]

L autoinductancia H [henry]

µ permeabilidad H/m

Fórmulas e tabelas

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Modelos Atómicos 5: Modelo Quântico

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 218

Quantidade Símbolo Valor

Constante de Stefan-Boltzmann σ 5.670 51(19) x 10-8 W.m-2.K-4

Constante primária de radiação c1 3.741 774 9(22) x 10-16 W.m2

Constante secundária de radiação c2 1.438 769 (12) x 10-2 m.K

Constante de gravitação universal G 6.672 59(85) x 10-11 m3.kg-1.s-2

Aceleração da gravidade gn 9.80665 m.s-2 (na terra)

Fórmulas e tabelas