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Espectroscopia atômica e molecular Ana Barbosa (163835), Augusto Bubenik (164486) a163835@dac.unicamp.br, a164486@dac.unicamp.br Grupo 5 (Magenta) Laboratório de Física Moderna - F 740 A - IFGW/UNICAMP Resumo Neste projeto estudou-se de modo totalmente teórico o experimento de espectroscopia atômica e molecular, o qual analisa, por meio dos espectros de absorção a complexidade dos elementos medidos e suas possíveis relações. Os elementos analisados foram: Hidrogênio, Hélio, Mercúrio, Água, Dióxido de Carbono e o Sol. A principal relação entre eles observada foi que o modelo do átomo de Bhor só pode ser usado para o átomo de Hidrogênio e que a medida de absorção do sol na atmosfera a nível do mar mostra uma considerável preseça de água. I. Introdução: Estado da Arte Este experimento é realizado com o objetivo de se investigar a natureza de alguns elementos através do seu espectro de absorção (Intensidade x comprimento de onda). Pode ser usado em diversas áreas, a fim de descobrir, por exemplo, o espectro de absorção da clorofila das plantas [1] ou então analisar as características de absorção da atmosfera de gases como NO 2 , CO 2 e aerossóis [2]. Neste trabalho, foi usado o experimento para se estudar lâmpadas de contendo diferentes elementos, como N 2 , CO 2 , Hg, de modo de que seja possível fazer uma comparação entre eles, buscando entender como a complexidade de um material pode afetar o seu espectro de absorção e a relação de algumas lâmpadas com o espectro do sol. Quando este experimento foi realizado pela primeira vez por Lamp e Retherford [3], em 1947, a teoria atômica já estava bem desenvolvida [4], com o desenvolvimento da mecânica quântica por Schrödinger e a teoria de Dirac, onde uma usa a probabilidade para prever onde uma partícula pode se encontrar e a outra faz uso de considerações relativísticas, podendo ambas andar juntas. No experimento de 1947, foi medido o espectro de emissão de Hidrogênio, notando que haviam linhas do espectro muito próximas entre si, chamadas de estrutura fina. Após fazer uma análise de quais estados de energia poderiam ser àquelas linhas, e elas não coincidirem com nenhum, observou-se que a constante de estrutura fina deveria ser devido às seguintes interações: • Interação Spin-Óbita • Variação relativística da massa do elétron com a velocidade. • Interação entre o elétron e a luz incidente. 1 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano Foi então que, Tomonaga, Feynman e Schwinger desenvolveram a eletrodinâmica quântica, capaz de explicar todos esses detalhes de estruturas finas e hiperfinas, ganhando o prêmio nobel de 1965. Sabendo disso, é possível então analisar estruturas atômicas e moleculares mais complexas, onde devem ser levadas em conta as diferentes energias relacionadas a estes sistemas, como energia de vibração, energia de rotação, que ainda podem ser separadas em outros subgrupos, dependendo das aproximações feitas e modelos utilizados. Nas proximas seções, será mostrado alguns resultados que podem ser obtidos com esse experimento, mostrando as relações e semelhanças que alguns elementos podem ter. II. Metodologia Nesta seção são abordados as metodologias experimentais que seriam utilizadas caso o experimento fosse realizado. i. Desenvolvimento Experimental Embora esse experimento não tenha sido de fato realizado, os materiais necessários para sua realização foram todos descritos no planejamento experimental, aqui será focado na técnica experimental. O espectrômetro faz o cálculo da absorbância (quanto a amostra absorveu de luz) da seguinte forma (1): Al = �log10 Sl � Dl Rl � Dl (1) Onde Sl é a intensidade da amostra em l, Dl é a intensidade “escura” em l e Rl é a intensidade da referência em l. O esquema experimental é mostrado na figura abaixo: Figura 1: Esquema experimental [5] A fonte de luz (1) caminha através da fibra óptica e interage com a amostra (2), o “resultado” dessa interação é captado por meio de uma fibra óptica que segue em direção à (3), o “cérebro” do equipamento, o qual possui internamente arranjos ópticos capazes de separar as linhas de espectro de modo a mandar no formato de dados para o software (4). É necessário realizar pequenos passos no software, que, em poucas palavras, significa setar no modo “Absorbance Measurement”, selecionar a largura de banda que deseja-se trabalhar e o tempo de integração. A primeira medida deve ser feita com a referência, em alguns casos, a referência é a amostra a ser estudada em baixíssima concentração ou mesmo o solvente, para as amostras de forma líquida. 2 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notesPen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano Neste caso, pode ser usado ou uma lâmpada que cubra o maior comprimento de onda ou então mais de uma lâmpada, fazendo com que se tenha uma calibração mais precisa. Nesta primeira etapa em que é feita a calibração é que tem-se o valor de Rl, além disso, para que a calibração seja efetiva, uma vez que os dados de ajuste da largura de banda e do tempo de integração tenham sido bem definidos, eles não podem mais ser mudados durante a execução do experimento. Em seguida, para tirar o espectro de Dl, é necessário fazer o espectro sem elemento algum, com a parte 2 toda tampada. A terceira etapa de medida consiste agora em medir as lâmpadas uma a uma, é importante notar ainda que quando os dados forem obtidos, eles serão da forma Intensidade x pixel, sendo necessário verificar na literatura um gráfico da mesma forma para que se possa determinar os picos. Assim, com o suporte de um software gráfico, é feito um ajuste desses dados para uma função, para que os dados fiquem na forma Intensidade x Comprimento de onda. ii. Desenvolvimento Teórico Esta subseção trás algumas abordagens teóricas com as devidas explicações que serão necessárias para os resultados futuros. ii.1 Espectros do Hidrogênio A teoria de atômica de Bohr nos fornece a energia dos orbitais atômicos de um átomo de hidrogênio. Esta energia é dada por: En = �µe4 8e2 0 h2n2 , onde n 2 N. As transições eletrônicas entre estes níveis energéticos acontecem mediante a liberação ou absorção de enrgia, ou seja, fótons. Pela conservação de energia, as transições eletrônicas das camadas n = 3, 4, 5, ... para a camada n = 2 é denominada série de Balmer. Históricamente, esta série foi a primeira a ser relatada experimentalmente, já que as frequências de emissão estão na linha do visível. Por consrvação de energia e pela fórmula de enrgia de Planck, as energias dos fótons liberados na série de balmer são [12]: hn = E = µe4 8e2 0 h222 � µe 4 8e2 0 h2n2 . Podemos escrever: K = N 1 4 � 1 n2 � , (2) onde K = 1l é o número de onda da luz emitida, N é conhecida como a constante de Rydberg. Na equação acima, foi usado a equação de Plank E = hn. Porém, ao considerar substâncias mais complexas, com diferentes átomos, além de relações intermo- leculares, o espectro fica se mostra masi complexo e é necessário a teoria quantica para descreve-los corretamente. Mesmo o átomo de hidrogênio isolado possui algumas correções quanto ao seu espectro de emissão, que são relevantes em cetos niveis de precisão. Apesar disso, a análise do espectro de substâncias, materiais e equipamento fornecem informações importantes sobre o corpo em questão, sendo quase como uma impressão digital das propriedades do objeto. 3 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano ii.2 Emissão de Corpo Negro Vamos análisar agora o espectro de emissão de corpos devido a sua temperatura. É um fato experimental que corpos quentes emitem uma radiação caracteristica relacionada a sua temperatura. Em especial, para os denominados corpos negros, cuja caracteristica é a de absorver toda a luz que incide neles, existem leis matemáticas que descrevem esta radiação independementemente do material envolvido. Vamos definir a função s como uma densidade de energia incidente em uma área unitária por frequência de luz. Ou seja, s(n) dn, onde n é a frequência, representa a intensidade de enrgia proveniente da luz incidente, cuja frequência está entre (n, n + dn). A função s é descrita pela equação de plank s(n) = 2hn3 c2 1 e hn KT � 1 , onde h é a constante de plank, c é a velocidade da luz no vácuo, K é a constante de Boltzmann, e T é a temperatura do corpo negro. A partir dela, podemos deduzir a lei de Whein, embora ela tenha sido deduzida empiricamente pela primeira vez. Esta lei pode ser escrita como nmax µ T. Embora a maioria dos corpos presentes em nosso dia a dia não sejam corpos negros genuínos, tratá-los como tal se mostra, muitas vezes, uma boa aproximação e nos ajuda a entender o comportamento ótico de metais incandescentes, por exemplo. III. Resultados, Análise de Dados e Discussões Nesta seção são apresentados os resultados encontrados em revistas científicas, sites confiáveis ou relatórios anteriores, isso porque devido a crise do coronavíruis não houveram aulas presenciais, sendo inviável a realização de qualquer experimento. i. Hidrogênio Apesar de o hidrogênio gasoso apresentar-se na forma de moléculas, o espectro desse gás se aproxima muito do espectro de emissão do átomo isolado, descritos acima. Por tanto, conclui-se que as relações intermoleculares e outras correções são irrelevantes para o nível de precisão que podemos detectar. Observa-se na tabela a baixo, dados a respeito do espectro de emissão visível do hidrogênio [13]: 4 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano Tabela 1: linhas de emissão da série de Balmer do Hidrogênio comparadas com os respectivo número de transição eletrônica.[13] No l (Å) 3 6564.6022 4 4862.6797 5 4344.6830 6 4102.8015 7 3971.1940 8 3890.1489 Pode-se plotar estes pontos em um gráfico e, com base na equação 2, calcular o N que melhor se ajusta aos pontos experimentais fornecidos. Neste caso, obteve-se N = 10966849m�1 sendo possível ver o gráfico contendo este resultado na figura 2. Figura 2: Nesta imagem, podemos ver os pontos experimentais obtidos em comparação com a curva teórica que melhor se ajusta aos pontos experimentais. Através da figura acima, nota-se que a aproximação para o átomo de Hidrogênio usando-se o átomo de Bhor pode ser bem eficaz nesse caso. 5 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Penpdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano ii. Hélio O hélio representa o segundo elemento em termos de complexidade, sendo o hidrogênio o elemento mais simples. Uma lâmpada de hélio é feita colocando-se o elemento em um tubo e aplicando-se uma diferença de potencial. Algumas linhas de emissão podem ser observadas na figura 3. Observa-se que houve uma variação significativa do modelo de Bohr. No caso do Hélio, se tornam relevantes as propriedades de hibridização de orbitais. Ou seja, devemos considerar que cada um dos dois elétrons é influenciado pelos dois núcleos, além do elétron restante. Além disso, quanto mais pesado é o elemento envolvido, mais relevante é a dinâmica nuclear da molécula. Para este elemento, existem aproximações a serem consideradas para se obter analiticamente as linhas de emissão detectadas pode ser necessário o uso de programação e certamente a aproximação para o átomo de Bhor não pode ser utilizada. Figura 3: Espectro medido da lâmpada de Hélio. iii. Mercúrio As lâmpadas de mercúrio contém o elemento em estado gasoso a baixa pressão. Seu espectro é um bom exemplo para um átomo mais complexo que o hidrogênio, pois contém mais elétrons que o mesmo. Por não se tratar de uma molécula diatômica ou poliatômica, as relações intermolecuçares podem ser desconsideradas, ou seja, as linhas correspondentes da energia de rotação e vibração. Podemos ver seu espectro na figura 4. Comparado-o a figura 2, nota-se a evidente diferença entre os 6 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano espectros, o que sugere que o modelo de Bhor seria ineficaz e não pode ser usado, sendo necessário desenvolver um modelo mais eficiente, que leve em conta a hidridização dos orbitais. Figura 4: Algumas linhas de emissão do mercúrio gasoso proveniente de lâmpadas contendo o elemento a baixa pressão. [14] Será apresentado agora moléculas com três átomos, sendo esta em particular o Dióxido de Carbono. iv. Dióxido de Carbono Na figura 5, pode-se ver o espectro de uma lâmpada de CO 2 , suas linhas de emissão começam a se tornar mais complicadas. Isso se deve a complexidade da molécula, sendo necessário levar em conta sua energia de rotação, vibração e até mesmo possíveis espalhamentos. 7 pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano Figura 5: Espectro da lâmpada de gás carbônico. Os picos 1, 2, 3 e 4 são múltiplos inteiros da frequência fundamental de oscilação da molécula de CO2. v. Água Será analisado agora o espectro da água. Como sabemos, os espectros de emissão de lâmpadas de um certo elemento correspondem aos picos de absorção do elemento, ou frequências de absorção do elemento em condições normais. No caso da água, seu espectro de absorção nos ajuda a entender algumas de suas propriedades luminosas, além de explicar a cor de nossa atmosféra. A cor do céu durante o dia, como todos sabem, é azul. A maior influenciadora desta propriedade é a água presente na atmosfera. Podemos observar na figura 6, os espectros de absorção de luz da água em cada estado físico. Como é de se esperar, no estado gasoso, temos um espectro mais discreto proveniente das interações eletrônicas e nucleares, que dominam as propriedades da substância neste estado. Ainda sim, é possivel observar a existência de um espectro contínuo de menor intensidade proveninte das interações entre as moléculas e das impurezas presentes na água. Observa-se que os picos de absorção estão, em todos os casos, no infravermelho. Isso significa que a água absorve mais luz vermelha que luz azul, permitindo que esta última chegue aos nossos olhos. Isto expica a cor azul do céu e dos mares. De fato, na imagem 7, podemos observar o espectro de absorção da luz na região visível. 8 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano Figura 6: Espectro de absorção da água em diferentes estados físicos da matéria. [15] Outro fato interessante a respeito da agua é mostrado pela figura 8. Nela, é possível observar o espectro da luz solar medido dentro e fora da atmosfera. Nota-se que o espectro medido dentro da atmosfera contém picos de baixa intensidade correspondentes aos comprimentos de absorção da água e CO 2 , que são os elementos mais relevantes com relação as propriedades luminosas observáveis da atmosfera. Figura 7: Espectro de absorção da água líquida incluindo a região de luz visivel. [15] 9 pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano As diferenças entre as moléculas de água e átomos de hidrogênio se tornam mais evidentes no espectro de emissão/absorção da água gasosa. O número enorme de linhas pode ser explicado pela geometria da molécula. Enquanto o espectro do hidrogênio é dominado pela dinâmica eletrônica de um único elétron, a água, além da dinâmica de um número bem maior de eletrons, inclusive os presentes em orbitais hibridizados, também temos as dinâmicas moléculares, que incluem a rotação, vibração simétrica, vibração assimétrica e possíveis espalhamentos. A maior complexidade da dinâmica de uma molécula de água nos fornece uma grande possibilidades de transições de energia e, consequentemente, de linhas no espectro desta substância. Figura 8: Espectro da luz do sol detectadas dentro e fora da atmosféra. [15] vi. Sol e radiação do corpo negro Nesta subseção será mostrado resultados para o espectro solar e sua relação com a radiação de corpo negro, avaliando se o sol pode ser considerado um corpo negro ideal. Pode-se observar na figura 9 o comportamento da função s (comprimentodeondaxintensidade) para diferentes temperaturas. Nota-se que o pico de intensidade se desloca para a esquerda com o aumento da temperatura. Ou seja, ao se esquentar um corpo negro observa-se uma luminosidade espontanea do objeto, conforme sua temperatura aumenta. 10 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano Figura 9: Espectros de radiação do corpo negro para diferentes temperaturas obtidos pela equação de plank. Esta luminosidade deve ser predominantemente vermelha para temperaturas mais baixas. Conforme a temperatura se eleva, as frequências mais próximas da cor azul aumentam sua relevância no espectro, até que todas as frequências da luz vizivel são emitidascom intensidades consideráveis, o que faz o objeto emitir uma luz branca aos nossos olhos. Obtem-se da tabela 2 os máximos de emissão. Na figura 11, podemos ver estes dados graficados como função da temperatura. Note que foi usado o número de onda k = 1l . A grande incerteza que se pode intuir quantitativamente pelo gráfico é fruto da pouca quantidade de medidas analisadas, além do fato de a lâmpada não ser um corpo negro ideal. 11 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano Tabela 2: Espectros de emissão medidos para uma lâmpada de Tungstênio [16]. l (µm) 2750oK 2865oK 2960oK 3025oK 3200oK 3360oK 3475oK 0.35 0.46 0.54 0.66 0.74 1.04 1.40 1.60 0.40 1.50 2.07 2.40 2.55 3.20 3.65 4.05 0.45 4.26 4.66 5.02 5.25 5.88 6.50 7.02 0.50 8.20 8.52 8.85 9.08 9.76 10.40 10.90 0.55 13.10 13.16 13.25 13.35 13.62 13.90 14.15 0.60 18.80 18.24 17.80 17.60 17.05 16.80 16.70 0.65 23.35 22.60 21.90 21.40 20.00 19.25 18.90 0.70 27.50 26.60 25.80 24.80 22.30 20.80 19.90 0.75 31.00 29.75 28.20 26.80 23.40 21.35 20.35 0.80 33.70 32.35 29.80 29.15 24.50 21.65 20.55 0.85 35.80 34.25 32.25 30.25 24.90 21.75 20.30 0.90 37.40 35.70 33.50 31.20 25.15 21.55 19.95 0.95 38.60 36.10 34.00 31.50 25.10 21.00 19.25 1.00 39.30 36.50 34.00 31.40 24.80 20.50 18.55 1.05 39.70 36.40 33.80 31.20 24.20 19.60 17.65 1.10 39.60 35.90 33.00 30.40 23.40 18.70 16.75 1.20 38.20 34.30 31.00 28.10 21.50 16.80 15.00 1.30 35.80 32.10 28.50 25.60 19.50 14.90 13.20 1.40 33.10 30.00 25.50 22.80 17.10 13.15 11.70 1.50 29.50 25.90 22.50 20.30 15.10 11.50 10.25 1.60 26.20 22.80 19.80 17.70 13.10 10.70 9.50 1.70 23.00 20.10 17.30 15.20 11.20 8.45 7.50 1.80 21.00 17.80 15.00 13.20 9.70 7.05 6.25 1.90 18.30 15.50 12.60 11.20 8.30 6.10 5.35 2.00 15.50 13.50 11.40 10.20 7.40 5.40 4.65 2.20 11.70 10.00 8.50 7.50 5.70 4.10 3.50 2.40 9.70 8.00 7.10 6.10 4.50 3.30 2.70 Retomando a figura 8, pode-se comparar com a radiação solar medida fora da atmosfera em comparação com a radiação de corpo negro a temperatura de 5778 oK. A teoria de radiação de corpo negro não é boa para descrever o espectro do sol, mas pode ser usada para se obter alguma estimativa para a sua temperatura. Uma descrição mais precisa do espectro solar leva em conta as absorções feitas pelos elementos presentes na atmosfera solar e terrestre. Uma representação pode ser vista na figura 12. Este pontos são denominados linhas de Fraunhofer. 12 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano Figura 10: Espectros de radiação de uma lampada incandescênte para diferentes temperaturas. 13 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano Figura 11: Número de onda de máxima intensidade graficados como função da temperatura, junto ao ajuste linear associado, com coeficiente angular a ⇡ 0.00035127. Figura 12: Espectro solar com as principais linhas de absorção de elementos da atmosfera terrestre e solar. [17] 14 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano vii. LED A sigla LED deriva do inglês Diodo Emissor de Luz, que nada mais é que um dispositivo obtido a partir da dopagem de um semicondutor, para entendê-lo, é necessário saber previamente sobre algumas características dos materiais. Podemos dividir os materiais em três grupos: condutores, isolantes e semicondutores. • Condutores são materiais cujo gap de energia é pequeno, menor que 1eV, por isso, com uma pequena perturbação no sistema, os elétrons livres da camada de condução recebem energia suficiente para a camada de valência, sendo bons materias para a condução de energia. • Isolantes são materiais que possuem um gap de energia alto, de alguns eletrón-volts, por isso, é necessário uma “energia de estímulo” alta para vencer essa barreira e por esse motivo, materiais com essa característica não são bons condutores de energia elétrica. • Semicondutores são materiais cujo gap de energia é da ordem de 1eV, ou seja, está entre os dois materiais, tais materiais se tornam mais interessantes quando dopados com outros materiais a fim de criar dispositivos. Figura 13: Energia de gap para Isolante, semicondutor e condutor.[9] Dopagem é o processo de inserção de impurezas, geralmente ele acontece tendo como base o silício, quando esse processo é feito com um material que possui 5 elétrons na camada de valência, como arsênio ou fósforo, as ligações ficam com alguns elétrons livres, por esse motivo, o material passa a ser chamado de material Tipo N. Por outro lado, se a dopagem é feita com um elemento que possui 3 elétrons na camada de valência, alguns elétrons não estarão com a camada de valência preenchida, tendo “falta” de elétrons, ou em outras palavras, buracos, por esse motivo, o material passa a ser chamado de material Tipo P. Tendo em mãos esses fatos, pode-se entender o funcionamento do diodo, um dispositivo formado a partir da junção de materias Tipo P e Tipo N. Ao fazer isso, obtem-se um dispositivo no qual só circula corrente em um sentido, funcionando como uma chave. Sabendo-se do funcionamento de um diodo simples, pode-se entender o LED, que é um dispositivo que emite luz após circular corrente. Tal emissão ocorre por recombinação de elétrons e buracos da 15 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Penpdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano Figura 14: Diodo. A imagem azul claro representa a camada de depleção, formada devido aos portadores minoritários de ambos os materiais P e N. [10] junção, os elétrons livres ficam em um estado de maior energia, liberando fótons ou calor. Para este dispositivo, não é comum o uso de silício, pois há muita energia dissipada no processo de recombinação e por isso é usado o arseneto de gálio (GaAs). Como pode ser visto na Figura 4, o olho humano possui um pico próximo de 550nm, correspondente a cor verde, por isso, a região de 550nm é a mais fácil para os seres humanos enxergarem e azul 430nm e vermelho 700nm são as cores mais difíceis. Sendo assim, essas cores precisam ter mais eficiência para serem vistas com a mesma intensidade que a cor verde, a intensidade do led está relacionada com a corrente que nele percorre. Na figura abaixo podem ser visto a faixa de operação dos leds e suas respectivas cores. Figura 15: Espectro de emissão comum de LEDs. [11] 16 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano viii. Olho Humano A retina do olho humano possui três pigmentos absorventes de luz, onde cada um absorve uma faixa de luz de uma região específica do espectro visível, esses três pigmentos são denominados de comprimento e onda curto (C), na faixa de 430nm, o comprimento de onda médio (M), absorve luz na faixa de 530nm e o comprimento de onda longo (L) absorve luz no máximo a 560nm. Note que os comprimentos de onda médio e longo estão próximos, isso se deve a evolução humana, a partir de um desdobramento genético que ocorreu primeiro em fêmeas primatas, devido aos seus cromossomos XX, a partir da evolução, machos primatas também passaram a ter três pigmentos, o que os favoreceu durante a escolha de frutos para alimentação.[6] Os pigmentos são constituídos de proteínas, quando um pigmento absorve luz, desencadeia eventos moleculares que levam a uma excitação responsável por transmitir um sinal nervoso óptico ao cérebro. Assim, equipamentos eletrônicos podem usar pixeis azul, vermelho e verde para gerar o restante do espectro visível de forma agradável aos nossos olhos. É importante ressaltar que, com a evolução da ciência, a tecnologia explora agora novas formas de se fazer imagens em aparelhos eletrônicos, é o caso dos pontos quânticos [7] e dos oleds [8]. A figura abaixo mostra o espectro de alcance do olho humano. Figura 16: Espectro de alcance do olho humano. Note que a cor mais fácil de ser enxergada é o verde. É importante resaltar que a imagem foi retirada de [9] e traduzida. 17 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano IV. Conclusões ou Considerações Finais Após a finalização deste trabalho é possível notar não só a importância da escrita científica, como também relações moleculares entre diferentes elementos através do seu espectro de absorção. Observa-se que o modelo do átomo de Bhor [referenciar] funciona bem apenas para o átomo de Hidrogênio, o qual possui apenas um elétron. Para o átomo de Hélio, segundo elemento menos complexo da Tabela Periódica e com apenas dois elétrons, o modelo de Bhor já não funciona bem, sendo necessário levar em conta a hibridização dos orbitais. Em moléculas ainda mais complexas, como dióxido de carbono e água, é ncessário um modelo que considere a dinâmica de rotação e vibração da molécula. É importante notar ainda que o espectro de absorção do sol está diretamente relacionado com a água e o dióxido de carbono quando o espectro de absorção é medido na atmosfera, pois ambos elementos estão fortemente presentes. Por fim, o espectro do sol se comporta de modo semelhante à um corpo negro quando medido fora da atmosfera, sendo possível estimar a sua temperatura. Referências [1] Devesh Singh, Chandrajit Basu, Merve Meinhardt-Wollweber, Bernhard Roth, LEDs for energy efficient greenhouse lighting,Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 49,2015,Páginas 139-147. [2] Kenji Kuriyama, Yasuto Kaba1, Hayato Saitoh, Bannu, Naohiro Manago, Yohei Harayama, Kohei Osa, Masaya Yamamoto, Hiroaki Kuze1, Visible and near infrared diffential optical absorption spectrocopy (DOAS) for the measurement of nitrogen dioxide, carbon dioxide and wather vapor, International Journal of Technology, Volume 2, 2011, Páginas 94-101. [3] WILLIs E. LAMB, JR., RQBERT C. RETHERFQRD, Fine Strncture of the Hydrogen Atoln by a Microwave Method, Physical Review, volume 72, número 3, 1947, páginas 241-243. [4] Atomic Theory Timeline. Disponível em: <https://prezi.com/skin6wx2a7fm/atomic-theory- timeline/ >. Acessado em 04/05/2020. [5] SpectraSuite Spectrometer Operating Software, Installation and Operation Manual. Document Number 000-20000-300-02-0607. [6] H. Gerald Jacobs, Nathans Jeremy. Color Vision: How Our Eyes Reflect Primate Evolution Analyses of primate visual pigments show that our color vision evolved in an unusual way and that the brain is more adaptable than generally thought. Scientific American Magazine - March 16, 2009 [7] Bera, D.; Qian, L.; Tseng, T.-K.; Holloway, P.H. Quantum Dots and Their Multimodal Applications: A Review. Materials 2010, 3, 2260-2345. [8] N. Thejokalyani, S.J. Dhoble, Novel approaches for energy efficient solid state lighting by RGB organic light emitting diodes – A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 32, 2014, Pages 448-467, ISSN 1364-0321. [9] Boylestad, Robert L. Nashelsky, Louis. Eletronic Devices and Circuit Theory.Eleventh edition. Chapter one, páginas 1-46. Pearson. 18 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Grupo 5 (Magenta) ? F - 740 A ? Prof. R. Urbano [10] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. Fundamentals of physics - Extended. Nineth edition. Wiley. Page 1155. [11] Fontes de luz da matriz LED. Disponível em: < https : //www.thorlabs.com/newgrouppage9.c f m?objectgroupid = 2853 > . Acessado em 16/05/2020. [12] Eisberg, Robert e Resnick, Robert. Física Quântica: Atomos, Moléculâs, Sólidos, Núcleos e Partículas. Ed. Campus, 23 a tiragem. [13] W. E. Curtis. The Value of the Rydberg Constant for Spectral Series. Prescendings of the Royal Society A, South Kensington, 09 de Abr. de 1919. [14] Davidson, Michael W. Fundamentals of Mercury Arc Lamps. Disponível em: <http://zeiss- campus.magnet.fsu.edu/articles/lightsources/mercuryarc.html>. Acesso em: 08 de Maio de 2020. [15] Chaplin, Martin. Water Absorption Spectrum. Disponível em: <http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_structure_science.html>. Acesso em: 08 de Maio de 2020. [16] W. E. Forsythe e E. Q. Adams. Radiating Characteristics of Tungsten and Tungsten Lamps. Journal of the Optical Society of America, General Electric Company, Nela Park, Cleveland, Ohio, 27 de Out. de 1944. [17] Charlotte Emma Moore. The solar spectrum 2935 å to 8770 å. National bureau of standards monograph, 61, 1966. [18] Boynton,Robert M. Theory of Color Vision. Journal of the Optical Society of America, New York, 27 de Jan. de 1960. 19 pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen pdf-notes Pen Introdução: Estado da Arte Metodologia Desenvolvimento Experimental Desenvolvimento Teórico Espectros do Hidrogênio Emissão de Corpo Negro Resultados, Análise de Dados e Discussões Hidrogênio Hélio Mercúrio Dióxido de Carbono Água Sol e radiação do corpo negro LED Olho Humano Conclusões ou Considerações Finais
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