DA TABELA PERIÓDICA AO MODELO PADRÃO
Nelson Studart
Programa
Átomos e Elementos A Tabela Periódica: Padrão dos elementos químicos
O elétron: a primeira partícula elementar Experiência de Thomson Experiência de Millikan
Dualidade Onda-partícula
Partículas elementares e o modelo padrão
As Interações da Natureza Elétrons e fótons Dentro do núcleo: Interações fortes e fracas
Estrutura do átomo Espectros de linha dos elementos químicos Modelo de Rutherford-Bohr A Tabela Periódica re-visitada
Átomos e Moléculas
John Dalton (1766-1844) Fundador da Teoria Atômica Moderna
1. Matéria é constituída de átomos individuais
2. Cada elemento químico é feito de átomos idênticos de um tipo particular
3. Átomos são imutáveis
4. Elementos químicos podem se combinar para formar compostos
5. Reações químicas re-arranjam átomos em diferentes compostos, mas não mudam os números de átomos de cada elemento
Conseqüência Imediata: A Lei das Proporções Múltiplas
New System of Chemical Philosophy (1808)
1 – Hidrogênio (H); 2 – Nitrogênio (N) ; 3 – Carbono (C)
4 – Oxigênio (O); 5 – Fósforo (P); 6 – Enxofre (S)
21 – Água (HO) – errado!
25 – CO; 28 – CO2;
23, 26, 27, 30 e 34 – Óxidos de Nitrogênio
• Os elementos, se dispostos de acordo com seus números atômicos, exibem uma evidente periodicidade de propriedades
• Elementos similares com relação às suas propriedades químicas possuem pesos atômicos que têm aproximadamente o mesmo valor (p. ex. platina, irídio, ósmio) ou aumentam regularmente (p. ex. potássio, rubídio e césio)
Mendeleev (1834-1907)
• Os elementos mais abundantes possuem números atômicos pequenos
• O arranjo dos elementos, ou dos grupos de elementos, na ordem crescente de seus pesos atômicos, corresponde às suas valências como também às suas distintas propriedades químicas
• A intensidade do peso atômico determina o caráter do elemento
• Deve-se esperar a descoberta de muitos elementos desconhecidos – por exemplo, elementos análogos ao alumínio e silício, cujos pesos atômicos encontram-se entre 65 e 75
Magnésio (1808)
Alumínio (1825)
Silício (1824) Fósforo (1669)
Cálcio (1808) ? Titânio (1791) Vanádio (1830)
Zinco (velho) ? ? Arsênico (velho)
Estrôncio (1808)
Ítrio (1843) Zircônio (1789) Nióbio (1801)
• Certas propriedades características dos elementos podem ser preditas a partir de seus pesos atômicos (errado!)
• O peso atômico de um elemento pode algumas vezes ser alterado através do conhecimento daqueles de elementos contíguos. O peso atômico do telúrio deve estar entre 123 e 126, mas não pode ser 128.
A Tabela Periódica
O ubíquo elétron: A primeira partícula “elementar” (1897)
"There is no other branch of physics which affords us so promising an opportunity of penetrating the
secret of electricity." J.J. Thomson, 1893
Joseph John Thomson (1856-1940)
Raios Catódicos
Conclusões dos experimentos de 1897 1. Raios catódicos são partículas carregadas (chamou de “corpúsculos”) 2. Estas partículas são constituintes do átomo (controvertida) 3. Estas partículas são as únicas constituintes dos átomos (Errado!)
Explorar a analogia entre o movimento balístico e o movimento do elétron sob a ação de campo elétrico uniforme
e/m = 1,8 x 1011 C/kg
A experiência de Millikan
Medida da velocidade terminal
Movimento unidimensional com atrito viscoso
Robert Millikan (1868-1953)
vRmgqEma 6
Espectro Contínuo da Radiação Eletromagnética
Com a luz solar, vemos todo o arco-íris
A região visível é uma pequena porção o espectro
Linhas Espectrais
Vindo de um elemento químico aquecido, a luz se decompõe em linhas brilhantes de certas cores
Átomos emitem apenas ondas com certas freqüências! É a “impressão digital” do elemento químico
Átomo de Rutherford
Átomo nucleado
Ernest Rutherford (1871-1937)
2
))((R
ZezeKF
A força age durantevR
t vR
Fp Momentum varia de
pp Deflexão a grandes ângulosRv
zZeKMv
2
2
2
MvzZe
KR
Estimativa do tamanho do núcleo
mR 14103,2
Modelos Atômicos
Energia de ligação EW
2
22 mvre
KW re
Kr
mv 22
r
eK
mvW
22
22
mKeW
feWe
Kr2
2/32
2)2(
2 Mas rvf 2/
(a) Thomson
(b) Clássico
(c) Bohr
Sendo W = 13,6 eV r = 5,3 x 10-11 m e f = 6,58 x 1015 Hz
Modelo de Bohr Estados Estacionários
A quantização do momento angular 2h
nmvrL
mKeL
reLme
KW2
2
2
42
2
22
442 12nh
emKWn
2
22
2
4n
mKeh
rn
hWW nn 12
O estado fundamental – W tem maior valor quando n = 1
Saltos quânticos
3
422
02
1
2
2
0
211h
emKnn
Níveis de Energia
Tabela Periódica Re-visitada O Mistério da Carga Nuclear
2A
Z
Espectroscopia de raios-XRaios - X
Wilhelm Röntgen (1845-1923)
Henry Moseley (1887-1915)
Espectro de Raios - X
22
2
0 21
11
)1(ZFreqüência da linha K
Dualidade Onda - PartículaRadiação Eletromagnética
Onda Campos Elétrico e Magnético Interferência - DifraçãoComprimento de onda Freqüência
Partícula – Fóton Produção e ConversãoMomento p Energia E
Elétron
Partícula (raios catódicos) - Onda (Difração)
h
phE
Mecânica Quântica - SchrödingerEquação de onda para o elétron no átomo de H: O espectro de Bohr
Estados quânticos: Orbitais + Spin
Princípio de Exclusão
Dentro do NúcleoRaios x
Ondas EletromagnéticasRadioatividade Natural
Raios Raios Raios
Núcleo Atômico: Z prótons e N nêutrons Número de Massa Atômica A = Z + N
Z Propriedades QuímicasA Isótopos
- (Z, A) (Z - 2, A - 4) + - (Z, A) (Z + 1, A) + e
- (Z, A)exc (Z, A) menos-exc +
Radioatividade Transmutação espontâneaProcesso randômico
Interações da Natureza
Interação Atuação Intensidade Alcance
Forte Manter o núcleo unido
1 10 -15 m
Eletromagnética Estabilidade dos átomos e moléculas; Atrito, Tensões, etc.
10 -2 infinito
Fraca Decaimento 10 -5 10 -15 m
Gravitacional Organizar o Universo 10 -40 infinito
Partículas Elementarese- p n
Carga, Massa, Spin
Hádrons Léptons (Bárions e Mésons)
u u d
p u d d
nu d s
e- e
QUARKS
u (up) (+ 2/3)
d (down) (- 1/3)
c (charm) (+ 1/3)
s (strange) (- 1/3)
t (top) (+ 2/3)
b (bottom) (- 1/3)
Eletrodinâmica Quântica
+ e- + e-
Cromodinâmica Quântica
• Quarks são férmions de spin ½ com número nucleônico N = 1/3• Cada bárion é feito de três quarks• Cada méson é feito de um quark e um antiquark• Cada antibárion é feito de três antiquarks• Quarks individuais não podem ser encontrados livres• Quarks aparecem em diferentes variedades: os sabores• Quarks possuem cores (como “carga elétrica”)
Vermelho Verde Azul• A força entre quarks é mediada por glúons sem massa de spin 1 (troca de cores)
Decaimento Beta – Interação Fraca
Interação fraca é mediada por bósons pesados W+ W- Z0
Unificação: A interação eletrofraca
Modelo Padrão
1. Cromodinâmica Quântica – mecanismo da interação forte: troca de glúons (s = 1, m = 0). Quarks trocam suas cores, mas mantém seus sabores.
2. Teoria Eletrofraca – mecanismo da interações fracas e eletromagnéticas: troca de fótons (s = 1, m = 0) e bósons massivos (s = 1).
3. Tabela Periódica dos Quarks e Léptons
Q = -1 Q = -1/3 Q = 0 Q = 2/3
1a. Família e- down e up
2a. Família - strange charm
3a. Família - bottom top
Referências1. Sheldon L. Glashow, From Alchemy to Quarks,
(Brooks/Cole Publ. Co. Pacific Grove, CA, 1993).2. R. P. Olenick, T. M. Apostol e D. L. Goodstein, A
Experiência da Gota de Óleo de Millikan, extraído de “The Mechanical Universe – Introduction to Mechanics and Heat”, (Cambridge U. P., New York, 1985).
3. Nelson Studart, A Radioatividade e os Modelos Atômicos, em “Notas de Aula de Física Moderna”, (UFSCar, São Carlos, 2000).
4. F. Ostermann, Um texto para Professores do Ensino Médio sobre Partículas Elementares, Revista Brasileira de Ensino de Física 21 (3), 415 (1999).
5. Fernanda Ostermann e Cláudio J. de H. Cavalcanti, Um Pôster para Ensinar Física de Partículas na Escola, Física na Escola 2 (1), 13 (2001).
6. Beatriz Alvarenga, A Relevância do Ensino da Física Atômica e das Partículas Elementares no Currículo do 2o. Grau, em “Do Átomo Grego à Física das Interações Fundamentais”, editado por F. Caruso e A. Santoro, 2ª edição (CBPF, Rio, 2000).
7. “Do Átomo Grego à Física das Interações Fundamentais”, editado por F. Caruso e A. Santoro, 2ª edição (CBPF, Rio, 2000).
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