Capítulo 1 efeito fotoelétrico

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Text of Capítulo 1 efeito fotoelétrico

  • Prof. Marivane Biazus

    Especialista em Laboratrio Didtico no Ensino de Fsica

    Professora da rede pblica do RS

  • 2

    Este material foi produzido como trabalho de concluso da minha especializao, com o objetivo

    de difundir o ensino de Fsica Moderna e fornecer a professores e alunos subsdios para a sua

    insero na sala de aula. No deve ser utilizado para fins comerciais. Ao utilizar o material

    mantenha a autoria!

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    SUMRIO

    CAPTULO 1 EFEITO FOTOELTRICO

    O modelo atmico de Dalton (1803) ...................................................................................................... 3

    O modelo atmico de Thomson (1897) ................................................................................................. 4 O modelo atmico de Rutherford (1911) .............................................................................................. 4

    A constante de Planck ............................................................................................................................ 6

    Afinal, a luz uma onda ou uma partcula? ........................................................................................... 7

    Efeito Fotoeltrico .................................................................................................................................. 7 O modelo atmico de Bohr (1913) ......................................................................................................... 12

    O modelo atmico de Bohr para o tomo de hidrognio ...................................................................... 12

    Espectro de Emisso ............................................................................................................................... 13

    Espectro de Absoro ............................................................................................................................. 14

    Modelo Atmico Atual ........................................................................................................................... 14

    As foras e as partculas de interao .................................................................................................... 16

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    MODELOS ATMICOS

    Vivemos em um mundo onde as coisas so macroscpicas, porm o homem sempre se

    preocupou em desvendar outro mundo, o chamado mundo microscpico. Para isso, teve que fazer

    investigaes e experimentaes, alm de criar novas ideias e modelos.

    Entre as muitas ideias que surgiram, havia a de que se dividirmos uma poro qualquer de

    matria, poderamos chegar sua unidade fundamental, ou seja, at uma partcula que no poderia ser

    mais dividida. Essa ideia, muito antiga, a da matria descontnua. H tambm a ideia da matria

    contnua, no qual podemos dividir a matria o quanto quisermos e pudermos, sem jamais encontrar sua

    unidade fundamental.

    Essas ideias foram especuladas h 2.500 anos, na Grcia antiga, gerando muita polmica, como

    ainda hoje acontece com as novas teorias. Foram os gregos que inventaram o termo tomo (a = negao;

    tomo = partes, assim no h partes, e, portanto, no divisvel). Essas duas escolas filosficas gregas

    incitaram o homem a pesquisar a matria, mas havia um pequeno problema de poca: tudo era feito

    filosoficamente, sem provas experimentais, apenas na retrica.

    Como voc j dever estar imaginando, as ideias destes filsofos no foram universalmente

    aceitas. Alis, at mais ou menos 1.600, as ideias sobre a continuidade da matria eram as mais aceitas.

    Aps essa data, com o advento do estudo dos gases e, principalmente, com as ideias do ingls Robert

    Boyle (1627-1691), o estudo da natureza corpuscular da matria evoluiu, sendo abandonada a ideia de

    continuidade. A nova concepo estabeleceu-se definitivamente por volta de 1803, depois da divulgao

    da teoria atmica de Dalton.

    Da ideia inicial dos gregos at os nossos dias atuais, o tomo passou por muitas reconstrues e

    modelos, e a evoluo desses modelos bem como as suas caractersticas veremos neste captulo. Procure

    aproveitar e desfrutar das ideias que esses grandes cientistas tiveram em momentos mpares de suas

    vidas e que ajudaram a revolucionar e mudar os pensamentos das suas respectivas pocas.

    O modelo atmico de Dalton (1803)

    Com base em estudos de outros cientistas anteriores a ele (isso muito comum em qualquer

    rea do conhecimento humano), o cientista ingls John Dalton (1766-1844) desenvolveu uma teoria

    denominada Teoria Atmica de Dalton que propunha um modelo de tomo que pregava as seguintes

    ideias:

    - Toda matria constituda por tomos;

    - Os tomos so esferas macias, indivisveis e neutras;

    - Os tomos no podem ser criados nem destrudos;

    - Os elementos qumicos so formados por tomos simples;

    - Os tomos de determinado elemento so idnticos entre si em tamanho, forma, massa e

    demais propriedades;

    - Um composto formado pela combinao de tomos de dois ou mais elementos que se

    unem entre si em vrias propores simples. Cada tomo guarda sua identidade qumica.

    A partir da divulgao das ideias de Dalton, seguiu-se um perodo de intensa aplicao e

    comprovao da sua teoria. Apesar de comearem a ser evidenciadas vrias falhas, Dalton recusava

    sistematicamente tudo o que contrariasse suas afirmaes. Graas ao seu prestgio, suas ideias

    mantiveram-se inalteradas por algumas dcadas.

    Figura 1 - Modelo de tomo de Dalton

    Extrado de: http://quimicacoma2108.blogs

    pot.com/2010/03/modelos-atomicos_29.html

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    O modelo atmico de Thomson (1897)

    Joseph John Thomson (1856-1940) derrubou a ideia de que o tomo era indivisvel. Com os

    dados disponveis na poca, props um modelo mais coerente que o de Dalton.

    Primeiramente ele considerou que toda matria era constituda de tomos. Estes tomos

    continham partculas de carga negativa, denominadas eltrons. Eletricamente neutros, os tomos

    apresentavam uma distribuio uniforme, contnua e esfrica de carga positiva, no qual os eltrons

    distribuam-se uniformemente. Essa distribuio garante o equilbrio eltrico, evitando o colapso da

    estrutura. O dimetro do tomo seria da ordem de 10-10 m.

    O tomo de Thomson tambm ficou conhecido como o Modelo do Pudim de Passas, no qual

    as passas representam os eltrons e a massa do pudim, a carga eltrica positiva.

    O modelo atmico de Rutherford (1911)

    Em 1911 o fsico neozelands Ernest Rutherford (1871-1937), ganhador do prmio Nobel em

    1908, fez sua experincia de espalhamento de partculas alfa para suas novas descobertas sobre a

    estrutura do tomo, surgindo da a base para o modelo de tomo que estudamos at os dias de hoje.

    Em sua experincia, Rutherford bombardeou uma fina folha de ouro com

    partculas alfa (pequenas partculas radioativas portadoras de carga eltrica positiva

    emitidas por alguns tomos radioativos, como o polnio). Observou que a maioria

    atravessou a lmina, outras mudaram ligeiramente de direo e algumas ricochetearam.

    Este acontecimento foi evidenciado por uma tela com material fluorescente

    apropriado, usado na identificao de partculas alfa. Mas o que Rutherford esperava

    com isso? Ele esperava que, segundo o modelo de Thomson, as partculas alfa

    atravessassem a folha de ouro quase sem sofrer desvios.

    Entretanto, os desvios foram muito mais intensos do que se poderia supor

    (algumas partculas at ricochetearam). Foi a partir dessa experincia que Rutherford

    levou suas ideias para o meio cientfico. A ideia de Thomson para o tomo foi mantida

    em parte, mas com modificaes estruturais importantes.

    Rutherford props que os tomos seriam constitudos por um ncleo muito denso,

    carregado positivamente, onde se concentraria praticamente toda a massa. Ao redor desse

    ncleo positivo ficariam os eltrons, distribudos espaadamente numa regio denominada

    de eletrosfera. Comparou seu modelo ao do sistema solar, onde o Sol seria o ncleo, e os

    planetas, os eltrons. Surge ento o clebre modelo planetrio do tomo.

    De sua experincia Rutherford tambm pode concluir, fazendo medidas

    quantitativas, que o tomo teria um ncleo com dimetro da ordem de 10-13 cm e que o

    dimetro do tomo seria da ordem de 10-8cm. Isso significa que o ncleo aproximadamente

    cem mil vezes menor que o tomo. A medida 10-8 cm passou a ser chamada por uma unidade

    de medida conhecida por angstrom (1 = 10-8 cm).

    Portanto, as principais caractersticas do tomo de Rutherford so as seguintes:

    - O tomo no macio, mas formado por uma regio central, denominada ncleo, muito

    pequeno em relao ao dimetro atmico;

    - Esse ncleo concentra toda a massa do tomo e dotado de carga eltrica positiva, onde esto

    os prtons;

    Figura 2: Modelo de tomo de

    Thomson

    Extrado em: http://fisicacampusararangua.blogspot.com/2010/04/modelo-atomico-de-thomson.html

    Figura 3: Experimento de Rutherford

    Extrado em: www.if.ufrgs.br/.../fismod/mod06/m_s06.html

    Figura 3: Modelo de Rutherford Extrado em:

    saber.sapo.ao/wiki/Experincia_de_Rutherford

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    - Na regio ao redor do ncleo, denominada de eletrosfera, esto girando em rbitas circulares

    os eltrons (partculas muito mais leves que os prtons, cerca de 1836 vezes), neutralizando a carga

    nuclear.

    Pare para pensar nos avanos nos modelos atmicos desde os gregos at este de Rutherford.

    Quantos estudos independentes tiveram de ser feitos para que chegssemos a essas concluses: estudo

    das massas, leis de conservao da energi