A lampada fluorescente 36567

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A lâmpada fluorescente (Quantum e Plasma)

Prof. Luiz Ferraz Netto

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O 'plasma' na lâmpada fluorescente

No interior de uma lâmpada fluorescente ocorrem fenômenos físicos muito interessantes.

Aprendemos na escola que a matéria pode se apresentar em três estados físicos, a saber,

sólido, liquido e gasoso. Entretanto, existe um quarto estado da matéria que ocorre quando

ela se transforma numa mistura de íons e elétrons livres, justamente como no interior de

uma lâmpada fluorescente acesa. Analisemos melhor este fenômeno partindo da ilustração

abaixo.

No interior de um tubo temos dois eletrodos e um gás sob baixa pressão. Se nos eletrodos

for aplicada uma tensão suficientemente alta, acompanhada de uma componente de alta

freqüência, os átomos do gás são excitados a ponto de perderem parte de seus elétrons.

Temos então a formação de íons (átomos dotados de carga global positiva/negativa

resultante da perda/captação de elétrons) e elétrons livres. A tendência dos elétrons é

dirigirem-se em sentido ao eletrodo que esteja carregado positivamente, ou seja, o anodo,

enquanto que os íons dotados de cargas positivas dirigem-se em sentido ao eletrodo

carregado negativamente (denominado catodo).

Quando um íon é atraído para o catodo, o impacto que

ocorre provoca a liberação de elétrons. Esses elétrons

contribuem para a excitação de novos átomos,

formando assim novos pares elétrons/íons.

Quando um elétron incide no anodo ele também, pelo

impacto, provoca a liberação de novos elétrons

(secundá- rios) que aceleram o processo de ionização.

No entanto, como o anodo está carregado

positivamente, a maior parte dos elétrons liberados é

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atraída e recolhida.

Usando eletrodos aquecidos (filamentos) pode-se

facilitar a emissão dos elétrons e conseqüentemente o

processo de ionização, como ocorre nas lâmpadas

fluorescentes comuns.

Observe que a corrente que circula no interior do gás é

formada por portadores de cargas negativos (elétrons

livres) e positivos (tons do gás).

Nestas condições a mistura no interior do tubo, formada

por elétrons livres e íons corresponde ao que

denominamos "plasma".

Evidentemente, com a possibilidade de haver movimentação de cargas, o gás no interior do

tubo se torna condutor.

A mobilidade de elétrons faz com que ocorram colisões entre elétrons e outros átomos do

gás que tendem a liberar novos elétrons, formando assim novos pares elétrons/íons,

mantendo o processo. Os elétrons e íons que, por outro lado, chegam aos eletrodos

correspondentes, com o impacto conseguem liberar novas cargas.

O processo é cumulativo, ou seja, uma vez que um pequeno pulso libere alguns elétrons

formando pares elétrons/íons, a liberação de novos pares ocorre de uma forma rápida

"enchendo" todo o tubo de uma substância com características especiais. Essa substância,

formada principalmente por elétrons livres e íons, é o que denominamos por "plasma".

No caso da lâmpada fluorescente, como detalharemos, o processo todo de formação de

plasma e condução da corrente é acompanhado da emissão de radiação eletromagnética

(luz, ultravioleta, raios X etc.). Assim, para que a lâmpada "funcione" é preciso que o gás no

seu interior, assim como a própria tensão de alimentação, tenha algumas características

especiais.

Podemos então explicar melhor o que ocorre, partindo de um circuito típico de uma

lâmpada fluorescente comum, apresentado na ilustração abaixo.






Quando o circuito da lâmpada fluorescente é alimentado, o

starter abre e fecha, criando pulsos amortecidos de alta tensão e

de alta freqüência que dão inicio ao processo de ionização do

gás. Com o aparecimento de pares íons/elétrons que são

atraídos pelos respectivos eletrodos, temos impactos que

liberam novos elétrons.

Ocorre então um efeito de "avalanche" que acaba por ionizar

todo o gás que, então, se torna condutor. Nessas condições

(gás conduzindo), ocorre uma brusca queda de tensão e o

starter é "colocado fora de ação" e deixa de funcionar, passando

toda a corrente, agora, pela lâmpada.

A ionização tem como efeito principal uma emissão de radiação

que se concentra principalmente na faixa ultravioleta do

espectro. Essa radiação incide no revestimento de fósforo da

parede interna do tubo e esse, por sua vez, a converte em luz

visível.

O reator é um indutor de elevado valor que funciona em conjunto com o starter. O starter

típico é formado por um capacitor em paralelo com uma pequena lâmpada a néon que leva

em seu interior um interruptor de lâmina bimetálica.

Quando estabelecemos a alimentação neste circuito o capacitor, em conjunto com o

indutor, formam um circuito ressonante que é excitado pela abertura e fechamento do

contato bimetálico do starter. Este circuito gera uma altíssima tensão que serve para ionizar

os átomos no interior da lâmpada fluorescente dando assim inicio ao processo de

acendimento.

Ao mesmo tempo, a corrente que circula pelo reator e pelo reator e pelo starter também

passa pelos filamentos da lâmpada. A finalidade dos filamentos é facilitar a liberação de

elétrons secundários quando os íons e elétrons do gás se chocarem contra eles,

aumentando assim a quantidade de pares elétrons/íons e com isso a condução da lâmpada.

Quando a quantidade de elétrons/íons no gás se torna suficientemente grande para que

uma corrente intensa se estabeleça pelo tubo, o starter é colocado fora de ação pois, a






tensão passa a ser insuficiente para ionizar o gás de seu interior (repare o 'circuito paralelo'

lâmpada/starter). Nestas condições, ele "abre" e toda a corrente que circula pela lâmpada é

suficiente para mantê-la em condução, com uma elevada ionização. Os próprios filamentos

(que funcionam como anodo e catodo) não precisam mais ser aquecidos pela corrente para

liberarem pares adicionais elétrons/íons sendo "desligados" no processo de desativação do

starter.

Todo starter para lâmpadas fluorescentes tem no interior uma lâmina bimetálica e uma pequena

quantidade de gás néon. Quando se aplica os iniciais 110V a condução gasosa pelo néon inicia (a

tensão mínima de ionização do néon é cerca de 80V); essa corrente passando pelo bimetal o aquece

(efeito Joule), ele enverga e encosta no outro terminal, fechando o circuito para o filamento da lâmpada

fluorescente. O filamento vai ao rubro, emitindo elétrons (efeito Edson). Quando o bimetal esfria ele

abre os contatos dentro do starter e nessa fase ocorre a auto-indução no reator elevando a tensão

para cerca de 450V e, com isso, iniciando a ignição da lâmpada. Com a corrente principal estabelecida,

a tensão entre terminais da lâmpada fluorescente e starter (circuito paralelo) cai abaixo dos 80V. A

lâmpada permanece acesa mas, o néon do starter não conduz, o filamento permanece desligado.

Veja que a abertura e o fechamento do starter no momento do acendimento não é só

importante para gerar a tensão elevada que dá inicio ao processo de ionização. Para que

este processo ocorra é preciso haver também uma certa componente de alta freqüência; dai

o fato dos sistemas de iluminação fluorescente gerarem um bom ruído neste momento.

A emissão da radiação ocorre em função do tipo de gás que existe no interior do tubo, de

sua pressão e, também, de outros fatores secundários (como a temperatura, a presença de

campos magnéticos etc.). Para as lâmpadas comuns, temos uma mistura de alguns gases

nobres como o neônio, argônio, hélio etc.) sob pressão levemente inferior à atmosférica.

Com o tempo, por deficiências naturais de vedação, o ar pode entrar e, com isso, a

alteração da pressão fará com que, cada vez mais, torne-se difícil ocorrer a ionização com a

tensão disponível. Isso explica porque as lâmpadas velhas piscam, piscam e não acendem.






Quando a ionização ocorre os átomos são excitados

de modo que seus elétrons passam para níveis de

energia mais altos. A volta desses elétrons aos níveis

originais é acompanhada da emissão de radiação

eletromagnética. Esta radiação se espalha pelo

espectro, ocupando diversas faixas estreitas,

conforme se vê na ilustração. No geral, estas faixas

combinadas resultam em uma boa quantidade de

radiação que se concentra principalmente na parte

ultravioleta do espectro.

Assim, se usarmos tubos de quartzo para estas

lâmpadas (que são transparentes ao ultravioleta)

poderemos aproveitar essa radiação em diversas

outras aplicações (apagamento de memórias de chips

para computadores, germicidas, cinescópios de

plasma etc.).

No entanto, se quisermos luz para iluminar um ambiente, precisamos converter esta

radiação para a gama visível do espectro eletromagnético. Isso se consegue através do

revestimento da parede interna do tubo com um ‘pó’ que, ao ser excitado pela radiação

ultravioleta passa a emitir luz branca.

A “cor da lâmpada fluorescente”, portanto, ‘não vem lá de dentro’ e é sim, determinada pela

composição química desse ‘pó’. Uma crença comum entre as pessoas é que esse gás do

interior dessas lâmpadas é venenoso e que por isso o ferimento provocado pelo seu vidro

demora a cicatrizar. O perigoso, em caso de um corte, é justamente o pó que reveste o

vidro do tubo.

Análise técnica e trabalho experimental

a) circuito com reator convencional






Num primeiro instante, tudo 'frio', o interruptor é ligado. O starter, como sabemos, é uma

pequena lâmpada néon cujo potencial de ionização é cerca de 80 V, contendo no seu

interior um interruptor feito de lâmina bimetálica na condição de normalmente aberto. A

tensão aplicada entre os terminais desse interruptor, nesse instante exatamente igual á

tensão da rede elétrica, é suficiente para ionizar o gás que envolve esse interruptor (a

lâmpada néon 'acende') e, assim, a intensidade de corrente que passa a circular pelo

circuito série todo (reator + filamentos + gás néon) é bem baixa (de 5 a 10 mA) devido á

presença de um condutor gasoso (gás néon ionizado) na série. Apesar de pouco intensa

essa corrente é suficiente para aquecer a lâmina bimetálica, a qual verga e fecha o circuito,

eliminando o condutor gasoso da série. Agora a corrente, apenas limitada pela alta

reatância indutiva do reator, inicia o aquecimento dos filamentos. Esse aquecimento ao

rubro propicia a emissão de elétrons do filamento (efeito Edson) para o gás no interior da

lâmpada fluorescente toda.

Mas, como os contatos dentro da pequena néon estão fechados (lâmpada néon apagada) e

não há mais corrente através do gás, a lâmina bimetálica esfria, verga em sentido oposto e

abre o circuito série interrompendo bruscamente a corrente elétrica. O colapso do campo

magnético no reator gera, por indução, um elevado pulso de tensão que adicionado á

tensão da rede (pois o interruptor geral está fechado) é aplicada á lâmpada fluorescente.

Esse processo se repete ( normalmente duas ou três vezes, com lâmpadas e starters

novos), até que o pico de tensão seja suficiente para ionizar o gás da lâmpada longa. Nesse

instante, a tensão sobre os terminais da lâmpada néon cai rapidamente para uns 40 V, que

é insuficiente para a ignição do starter. O processo se estabiliza, a lâmpada longa

permanece acesa, até que desliguemos o interruptor geral.

O reator está ali para limitar a corrente que circula através da lâmpada (lembre-se, a

resistência do gás ionizado, com o acréscimo constante de elétrons vindos dos filamentos,

tende a zero) e, além disso, mantém a corrente e a tensão defasadas. Para bem entender

esse papel do reator, basta trocá-lo por uma lâmpada de 100 W, e ver que é muito difícil

fazer a lâmpada fluorescente acender em 127 VAC. Em 220 VAC, dada a tensão mais alta,

o acendimento ocorrerá (e é por isso, que as lâmpadas ditas mistas, que contém uma






lâmpada incandescente e uma de vapor de mercúrio na mesma ampola, só funcionam em

220 V).

Esse é um experimento recomendável para as Salas de Aula; montar uma lâmpada

fluorescente com seu circuito todo bem visível (utilize uma prancheta vertical e grossos fios

de cobre para a fiação) e uma chave comutadora que permita trocar, rapidamente, o reator

por uma lâmpada incandescente.

Se introduzirmos um circuito de controle de ângulo de condução com tiristores ou TRIACs

(dimmers comuns), além do problema exposto acima, poderá ocorrer de selecionarmos um

ângulo de condução no qual a tensão seja insuficiente para disparar a ignição do gás ou

manter sua condução.

b) circuito com reator eletrônico

Reatores eletrônicos funcionam de modo algo diferente:

1 - Eles têm internamente um circuito retificador e um oscilador transistorizado na casa dos

kHz, alimentando um pequeno transformador inversor, cuja saída é ligada à lâmpada;

2- Esse oscilador não é senoidal, tendendo à uma onda retangular, portanto, o sinal de

saída do transformador, conterá picos breves de tensão muito alta acima da tensão de

ionização da lâmpada, e uma tensão média apenas um pouco acima da tensão de






manutenção. As pequenas diferenças entre a tensão de saída e a tensão de manutenção

da lâmpada, são ' absorvidas' pela resistência interna do enrolamento secundário. Portanto,

a lâmpada estará sendo continuamente "reionizada" a cada ciclo do oscilador.

Lâmpadas fluorescentes e os quanta

Essa inserção a respeito do ‘quantum’ originou-se de uma pergunta feita ao autor, numa

lista de discussão na WWW. Dada a importância (e o interesse) para o nível médio, como

divulgação, vamos a uma introdução.

Introdução

O mundo dos átomos está cheio de coisas inesperadas. Quando tentamos penetrar na

estrutura interna do átomo, observamos coisas estranhas que parecem contraditórias

porque são muito diferentes de nossas experiências com a matéria comum em larga escala.

Elas também não fazem sentido com nossas idéias habituais sobre partículas e seu

comportamento. Estamos conscientes de que alguma coisa nova e incomum deve ser

descoberta se desejarmos explicar os fatos da natureza observados ao nosso redor.

Para quem já iniciou seus estudos da Teoria Atômica, chamamos a atenção para as sérias

contradições que afligem o estudo da estrutura do átomo, conforme seu professor já deve

ter destacado. Por um lado, deve ter dito ele, o átomo revelou-se como um ‘pequeno

sistema planetário’ com elétrons circulando em torno do núcleo; por outro lado, salientou,

encontramos uma estabilidade e uma série de propriedades características completamente

estranhas a um sistema planetário.

Nessa breve divulgação, vamos começar por dar uma descrição mais detalhada de outras

observações não usuais a respeito dos átomos e das partículas atômicas, e esperamos,

com isso, abrir caminho até os novos fenômenos que governam o interior dos átomos. Não

apresentaremos relato histórico. Infelizmente, no estágio atual de desenvolvimento da

ciência, é raro que uma descoberta seja feita no momento em que poderia ser mais útil para

nossa compreensão dos fatos; em geral ela só é realizada depois que o desenvolvimento

tecnológico já criou os meios de se efetuar as medidas necessárias.






Neste texto, destacaremos apenas um conjunto de observações sobre as novas

descobertas, dos três que revelam características estranhas e incomuns do mundo

atômico. Esse primeiro conjunto engloba as descobertas dos estados quânticos do átomo

(o segundo diz respeito à natureza quântica da luz, e o terceiro, às propriedades

ondulatórias das partículas materiais).

Estados quânticos do átomo

Em 1913, James Franck e Gustav Hertz realizaram uma série de experiências nas quais

tentaram modificar as órbitas planetárias dos elétrons no átomo. Eles raciocinaram da

seguinte maneira: o átomo parece resistir a qualquer modificação das órbitas eletrônicas;

tentemos modificar "à força" essas órbitas para vermos de que maneira e até que ponto o

átomo pode resistir. Uma hipótese aceitável, no modelo do sistema planetário, leva a crer

que as órbitas dos planetas sejam modificadas se uma estrela passasse perto de nosso

sistema solar. Franck e Hertz planejaram uma experiência que corresponderia, no mundo

atômico, a um cataclismo solar daquele tipo.

Em termos simples, a experiência foi a seguinte: temos um recipiente cheio com um gás de

átomos - por exemplo, átomos de sódio ou hidrogênio. Fazemos passar através do gás um

feixe estreito de elétrons. Como os elétrons exercem intensa ação elétrica uns sobre os

outros, esperamos que um feixe de elétrons que passe perto de um átomo exerça uma

influência sobre os elétrons orbitais do átomo e modifique suas órbitas, da mesma maneira

que a estrela modificaria a órbita da terra.






Esta ilustração dá uma idéia geral de uma experiência

para medir as variações de energia sofridas por elétrons

quando colidem com átomos de um gás.

Os elétrons saem de um emissor de elétrons, são

acelerados por uma diferença de potencial e penetram na

câmara central, com energia conhecida.

Nessa câmara, atravessam uma amostra de gás (vapor

de mercúrio). A energia que lhes resta depois das

colisões é medida na câmara da direita.

Não podemos olhar diretamente as órbitas eletrônicas para verificar se foram modificadas,

mas podemos descobrir indiretamente o que aconteceu. Fazemos com que todos os

elétrons do feixe tenham exatamente a mesma velocidade quando penetram no gás.

Qualquer modificação que os elétrons produzam nos átomos estará associada com uma

modificação na sua própria velocidade. Essa previsão é conseqüência da lei da

conservação da energia. É necessário energia para alterar a órbita de um elétron num

átomo; portanto, se a órbita for modificada por um elétron que passa por perto, esse elétron

deverá perder alguma energia. Velocidade é energia; portanto, a velocidade do elétron será

reduzida e essa redução pode ser observada quando o feixe sai do outro lado do recipiente

que contém o gás. O mesmo aconteceria se uma estrela passasse pelo nosso sistema

solar. Sua passagem daria um empurrão na Terra, aumentando a energia da Terra e

diminuindo a energia da estrela.

O que deveríamos esperar, baseado no ‘modelo planetário'?

Haveria todos os tipos de modificações de órbitas, pequenos e grandes, dependendo de

quão próximo do átomo houvesse passado o elétron. Deveríamos esperar todos os valores

de perdas de energia (ou, às vezes, ganho) a partir de zero; a perda média deveria ser

menor quando o feixe atravessasse um gás mais rarefeito, pois, nesse caso haveria menor

número de passagens próximas a átomos.






Entretanto, os fatos observados foram completamente diferentes. Quando a energia dos

elétrons era menor do que um certo mínimo, não se observava variação alguma na

velocidade. Essa energia mínima era bastante alta --- mais que cem vezes maior do que a

energia térmica de elétrons em temperaturas habituais. Quando a energia era maior do que

esse mínimo, os elétrons perdiam certas quantidades especificas de energia ou nenhuma

energia. Essas quantidades específicas e também a energia mínima são características do

tipo de átomo do gás; não dependem da densidade do gás nem de nenhuma outra

circunstância externa.

O que pode significar esse estranho resultado?

Ele nos diz que não podemos modificar as órbitas dos elétrons no átomo de maneira

arbitrária. Ou elas não mudam, ou sofrem alterações especificas e bastante grandes de

energia. Nesse ponto, entra o conceito de "quantum" de energia. A energia pode ser

fornecida a um átomo apenas em "quanta'' característicos - nem mais, nem menos.

'Tudo se passa' como se o átomo aceitasse energia apenas em bocados predeterminados.

Não aceita uma pequena porção, mas apenas o bocado completo. Cada átomo só pode

aceitar bocados de energia característicos. Se oferecermos menos, o átomo absolutamente

não reage . Reage (muda o seu estado) apenas se lhe oferecemos a quantidade

necessária.

Essa situação é, certamente, estranha a nossa imagem de um sistema planetário. Uma

estrela que passe pode fornecer qualquer quantidade de energia à Terra. Quanto maior for

a distância de passagem, menor será a quantidade de energia transferida. Mas o resultado

dessa experiência não é tão surpreendente em vista do que já sabemos acerca do átomo.

Ele mostra que o estado do átomo tem uma estabilidade intrínseca. Impactos fracos não

podem modificá-lo; para consegui-lo é preciso uma grande quantidade de energia. Deve

haver alguma coisa que conserva o átomo em seu estado normal característico, e essa

alguma coisa só pode ser vencida por grandes energias.

Esse fato não poderia estar relacionado com o fenômeno que dá origem à especificidade

dos átomos e que força sempre os elétrons para a configuração característica de cada tipo

especial de átomo?






Nesse ponto, precisamos ser mais quantitativos.

Qual é a energia mínima necessária para modificar o estado de um átomo'?

Façamos, agora, uma pequena pausa na discussão, para saber como são expressas as

energias nos problemas atômicos. Medimos a energia de partículas atômicas com uma

unidade chamada "elétron-volt", símbolo "eV". Definição do elétron-volt: é a quantidade de

energia que um elétron (devido à sua carga elétrica) recebe/cede ao passar de um ponto a

outro, cuja diferença de potencial elétrico é de 1 volt (U = 1V). Essa unidade substitui o

"joule" (J) nas interações atômicas. Vamos dar um pincelada nisso, em forma de perguntas

(P) e respostas (R).

P: De onde vem a energia elétrica?

R: A energia elétrica decorre da separação de cargas elétricas num sistema. Visualize um

sistema formado por dois lápis de cor, um vermelho eletrizado positivamente e um azul

eletrizado negativamente. Devido à natural atração das cargas positivas e negativas, esse

sistema de dois lápis eletrizados terá energia elétrica mínima quando estiverem juntos

(estado natural --- energia potencial elétrica nula). Para separar esses lápis, deve-se aplicar

forças que contrariem essa atração elétrica. O trabalho realizado por essas forças externas

ao sistema será a medida da quantidade de energia potencial elétrica que eles lápis

apresentarão quando separados. Então, lápis eletrizados juntos = sistema isento de energia

potencial elétrica; lápis eletrizados separados = sistema dotado de energia potencial

elétrica. Esses dois lápis separados têm agora algo que não apresentavam quando

eletrizados e juntos. Cada lápis apresentará uma energia potencial elétrica em relação ao

outro. Se referenciarmos um deles como 'energia zero' ou outro armazenará, graças à sua

carga elétrica, um certo 'tanto' de energia potencial elétrica. Esse 'tanto' de energia elétrica,

por unidade de carga, caracterizará a tensão elétrica ou diferença de potencial entre eles.

P: Como medir essa tensão elétrica?

R: Vamos exemplificar usando, de início, de uma bateria de automóvel. Uma bateria

armazena energia potencial química, ou seja, os componentes da solução estão 'fora de

seu estado natural'. Dizer que entre os terminais dessa bateria existe uma tensão elétrica






de 12V é o mesmo que dizer que, cada 'coulomb' (1C) de carga elétrica, para passar de um

terminal a outro, deve receber/ceder 12 joules de energia elétrica. Se ele passar 'por dentro'

da bateria, ele recebe esses 12 J (e a energia química da bateria diminui de 12J) e se ele

passar via circuito externo, cede 12J (para os elementos que participam do circuito externo).

Na tomada de sua casa a tensão elétrica entre os dois 'furos' (terminais) é de 110V

(nominal). Esses terminais, no fundo, traduzem os terminais do gerador eletromecânico que

abastece sua casa com energia elétrica. Se você liga um aquecedor elétrico nessa tomado,

cargas começarão a 'circular' pelo circuito todo, de modo que, cada coulomb de carga que

passa pelo gerador, recebe 110J de energia elétrica e cada coulomb de carga que passa

pelo aquecedor cede 110J de energia (o aquecedor transformará esses 110J de energia

elétrica em térmica). Se, em lugar de 1 coulomb de carga tomarmos, por unidade, o valor

absoluto da carga do elétron, a energia trocada com a bateria passaria a ser de 12eV e a

trocada com a tomada de 110eV.

Nesse último caso, os elétrons sairiam do terminal positivo do gerador, passariam por

dentro dele, e sairiam do terminal negativo com a energia de 110eV; em continuação,

sairiam desse terminal negativo da tomada, passariam pelo aquecedor, entregando a ele os

110eV e retornando ao terminal positivo.

A tensão elétrica ou d.d.p. indica, portanto, quanto de energia elétrica a unidade de carga

recebe ou cede ao passar de um ponto a outro.

O elétron-volt (1eV) é a unidade de energia potencial elétrica quando se toma como

unidade de carga o valor absoluto da carga do elétron (|e|) e da unidade de tensão, 1 volt

(1V), como sendo a diferença de potencial entre os dois pontos considerados. [ 1eV = 1|

e|.1V ]. Como exercício, relacione as unidades joule e eV.

Os elétrons não saltam de um terminal da tomada para o outro devido ao meio (ar) ser um

mau condutor de corrente elétrica mas, se aproximarmos suficientemente um terminal do

outro, os elétrons vencerão essa dificuldade, saltando. Observamos esse fenômeno sob a

forma de uma faísca.

O elétron-volt é uma unidade de energia conveniente para nossos problemas. Por exemplo,

no ar, á temperatura ambiente, as moléculas voam em todas as direções com energia






cinética média de 1/30 de elétron-volt. Essa é a energia média por átomo de qualquer tipo

para o movimento térmico á temperatura ambiente; é, por exemplo, a energia das

oscilações térmicas irregulares que os átomos efetuam num pedaço de metal, aquelas que

causam a fusão a temperaturas mais elevadas, quando as forças que mantêm os átomos

no lugar são sobrepujadas.

Voltemos agora às experiências de Franck e Hertz, nas quais energia é transmitida a

átomos por meio de um feixe de elétrons. Verificou-se que a energia limiar de um átomo de

sódio --- isto é, a energia mínima que ele é capaz de receber e adicionar ao seu conteúdo

de energia --- é de 2,1 elétron-volts; no átomo de hidrogênio, essa energia mínima chega a

10 elétron-volts. São energias muito mais altas do que as energias do movimento térmico à

temperatura ambiente. Imediatamente ligamos esse fato àquele outro de que os átomos de

um gás á temperatura ambiente conservam sua identidade e não são modificados apesar

das muitas colisões sofridas. A energia dessas colisões está bem abaixo da energia limiar,

isto é, abaixo do menor quantum de energia que o átomo pode aceitar. Portanto, as

experiências de Franck-Hertz mostraram, à sua maneira, a surpreendente estabilidade dos

átomos, dando a ela um aspecto quantitativo. O átomo permanece inalterado e estável

enquanto os impactos recebidos são menos energéticos do que uma energia limiar bem

definida, e essa energia tem um valor característico para cada elemento. Sem dúvida,

Franck e Hertz "mediram" a estabilidade atômica.

Os resultados das experiências de Franck.Hertz. vão ainda além.

Elas nos informam não apenas da quantidade mínima de energia que os átomos aceitam,

mas nos dão a série completa de valores específicos da energia que o átomo é capaz de

aceitar. Apenas esses valores podem ser fornecidos ao átomo; ele rejeita qualquer coisa

que fique entre esses valores.






Por exemplo, o átomo de hidrogênio aceita apenas as seguintes

quantidades: 10 eV, 12 eV, 12,5 eV e 12,9 eV, e valores mais elevados

e mais próximos uns dos outros.

O átomo de sódio, por exemplo, aceita somente 2,1eV, 3,18 eV, 3,6 eV,

3,75 eV, etc.

A ilustração ao lado é uma representação gráfica dessas energias, para

o hidrogênio. Cada energia corresponde a um certo estado de

movimento do elétron no átomo. Portanto, cada linha representa um

estado particular que o átomo pode assumir.

Ao que parece, todos os outros estados situados entre esses são proibidos. Os estados

permitidos são chamados estados quânticos. O estado de mais baixa energia é o estado

fundamental; é nesse estado que o átomo está geralmente; os outros são chamados

estados excitados. A energia limiar é a diferença entre a energia do primeiro estado

excitado e o estado fundamental. Esses estados foram destacados para o plasma da

lâmpada fluorescente no texto inicial.

Estes fatos estão em contraste agudo com o que esperamos a partir do comportamento do

modelo planetário.

Por que a energia dos elétrons dentro do átomo seria quantizada?

O que nos impede de acrescentar uma quantidade arbitrariamente pequena de energia a

um átomo?

Se compararmos a energia de um átomo a uma conta bancária, tudo se passa como se o

banco só permitisse a retirada e o depósito de determinadas quantias, de maneira a manter

a conta em certos valores predeterminados.

Consideremos agora mais detalhadamente os diferentes estados quânticos. Em geral

designamos a série de valores permitidos para a energia como o "espectro" do átomo. O

espectros da ilustração acima (para o hidrogênio), assim como outros (não ilustrados),

revelam uma propriedade geral muito importante dos estados quânticos: quanto mais alto é






o valor da energia acima do estado fundamental, menor é o intervalo entre os estados

quânticos (repare isso, na ilustração). Essa é uma propriedade observada em todos os

sistemas atômicos; para grandes energias de excitação, os estados quânticos tornam-se

tão próximos uns dos outros que praticamente se confundem. Para energias elevadas, os

efeitos quânticos desaparecem. O átomo pode ser, então, afetado por qualquer quantidade

de energia, como um sistema planetário comum o seria. Tudo se passa como se as

estranhas regras a respeito da conta bancária fossem abandonadas para contas muito

altas, pois os depósitos e retiradas permitidos tornam-se cada vez menores para grandes

contas.

Verificou-se que esse fato é de importância muito mais fundamental do que parece.

Atualmente sabemos que, se introduzimos grandes energias nos átomos, eles se

comportam como sistemas planetários. Essas condições podem ser realizadas em

temperaturas extremamente altas, que podem ser produzidas por meio de fortes descargas

elétricas em gases. Nessas condições, o gás forma o chamado "plasma",(e voltamos à

lâmpada fluorescente) e os átomos perdem suas propriedades características. Um plasma

de neônio gasoso, no qual cada átomo tem 10 elétrons, tem as mesmas propriedades que

um plasma de sódio gasoso, no qual cada átomo tem 11 elétrons.

Não há mais órbitas eletrônicas selecionadas; não há mais radiação característica. Reina o

caos no plasma; é um caos de temperaturas extremamente elevadas, raramente

encontrado na Terra, exceto quando produzido em nossos laboratórios. Entretanto, no

espaço cósmico, esse estado é encontrado nos gases expelidos pelo Sol e por outras

estrelas quentes.

No plasma, desaparecem todas as características de ordem pelas quais distinguimos um

átomo de outro. À ordem e a diferenciação ocorrem apenas quando os átomos estão em

seus estados de baixa energia, os quais estão afastados uns dos outros na escala de

energia. Nesses estados (baixa energia), encontramos a estabilidade que conduz a formas

e órbitas especificas e, conseqüentemente, a propriedades químicas e físicas especificas.

Para energias elevadas, todas essas características desaparecem. Tenhamos presentes,

entretanto, que foram as propriedades características de 'baixas' energias que definiram

nossas concepções. O comportamento caótico dos átomos em energias elevadas é






exatamente o que esperaríamos de um modelo planetário, isto é, de sistemas planetários

colidindo uns com os outros em altas velocidades.

NOTA: O nome "plasma" não tem nada a ver com o plasma sanguíneo, ou com a matéria

viva da célula. A expressão deriva do fato de que as primeiras realizações de um plasma

atômico em um tubo de descarga assemelhavam-se ao plasma biológico.





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