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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS
FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E SUAS
TECNOLOGIAS
CURSO DE FÍSICA - LICENCIATURA - UFGD
ALINE RODRIGUES DE SOUZA PREVIATI
ALESSANDRA RIBEIRO FERREIRA
MODELOS ATÔMICOS E ESPECTROS DE EMISSÃO DO ÁTOMO DE
HIDROGÊNIO
DOURADOS - MS
2023
ALESSANDRA RIBEIRO FERREIRA
ALINE RODRIGUES DE SOUZA PREVIATI
Relatório Experimental apresentado ao Curso de
Física da UFGD - Universidade Federal da Grande
Dourados, para a disciplina Laboratório de Física
Moderna I referente ao experimento “ Modelos
Atômicos e Espectros de Emissão do Átomo de
Hidrogênio”.
Prof. Dr. Eriton Botero
DOURADOS - MS
2023
SUMÁRIO
RESUMO................................................................................................................................... 4
OBJETIVOS..............................................................................................................................5
INTRODUÇÃO TEÓRICA..................................................................................................... 6
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS............................................................................................ 8
RESULTADOS E DISCUSSÕES.............................................................................................9
REFERÊNCIAS...................................................................................................................... 17
RESUMO
Neste relatório, é realizada uma análise dos modelos atômicos e dos espectros de
emissão do átomo de hidrogênio por meio de um simulador virtual (PhET). Ao examinarmos
a emissão de luz por elementos individuais e seu trajeto através de um prisma, é possível
observar um conjunto específico de linhas no espectro, cada uma representativa de um
elemento em particular. O estudo concentra-se na exploração dos espectros de emissão do
hidrogênio, considerando diferentes modelos atômicos.
OBJETIVOS
❖ Analisar os espectros de emissão em linha do átomo de hidrogênio por meio da
aplicação de diversos modelos atômicos.
❖ Investigar como o átomo de hidrogênio responde à luz verde, ultravioleta (UV) e luz
branca, observando as mudanças nos espectros de emissão. Analisar a influência
desses comprimentos de onda nas transições eletrônicas e na emissão de fótons.
❖ Identificar e documentar padrões espectrais específicos associados ao átomo de
hidrogênio durante as transições eletrônicas. Compreender as características distintas
das linhas de emissão nos espectros, relacionando-as aos níveis de energia e aos
números quânticos.
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Ao longo da história da ciência, a investigação sobre os elementos constituintes da
matéria e o funcionamento dos átomos tem sido uma busca incessante. Uma das descobertas
mais cruciais nesse campo é a teoria dos modelos atômicos, desempenhando um papel
fundamental na descrição da estrutura e do comportamento dos átomos. Entre os modelos
mais proeminentes está o modelo atômico de Bohr, que revolucionou a compreensão da
organização dos elétrons ao redor do núcleo atômico.
Os modelos atômicos e os espectros de emissão do átomo de hidrogênio estão
intrinsecamente ligados, e a compreensão desses aspectos tem evoluído ao longo do tempo,
refletindo o avanço da teoria atômica.
O modelo de Bohr foi um marco no entendimento do átomo de hidrogênio. Bohr
postulou que os elétrons orbitavam o núcleo em órbitas quantizadas, cada uma associada a um
nível de energia específico.Ao saltar entre órbitas, os elétrons em um átomo de hidrogênio
poderiam emitir ou absorver fótons de energia específica.Esse modelo explicou de maneira
eficaz os espectros de emissão discretos observados para o hidrogênio.
Com o desenvolvimento da teoria quântica, especialmente as equações de
Schrödinger, a descrição do átomo de hidrogênio tornou-se mais abrangente e precisa. A
teoria quântica permitiu uma compreensão mais profunda da distribuição probabilística dos
elétrons ao redor do núcleo e introduziu os números quânticos. Os espectros de emissão foram
explicados em termos de transições eletrônicas entre diferentes estados quânticos,
representando uma mudança nos números quânticos.
O modelo atual do átomo de hidrogênio é fundamentado na teoria quântica e na
mecânica quântica.A distribuição eletrônica é representada por orbitais atômicos, e a
probabilidade de encontrar um elétron em uma região específica é descrita pela função de
onda. Os espectros de emissão são entendidos como resultado das transições de elétrons entre
diferentes orbitais, cada uma associada a uma energia específica.
Em suma, a evolução dos modelos atômicos, desde o modelo de Bohr até a teoria
quântica, proporcionou uma compreensão mais profunda dos espectros de emissão do átomo
de hidrogênio. Cada avanço na teoria atômica trouxe consigo uma explicação mais refinada e
abrangente para os fenômenos observados nos espectros de emissão, contribuindo para o
nosso entendimento da natureza fundamental da matéria.
O átomo de hidrogênio, composto por um próton no núcleo e um elétron em órbita, é o
sistema fundamental para explorar os princípios da mecânica quântica e a teoria dos modelos
atômicos. O estudo desse átomo tem auxiliado os cientistas a aprimorar o entendimento das
energias permitidas para os elétrons e as interações entre esses estados energéticos.
Um fenômeno intrigante do átomo de hidrogênio é a ocorrência dos espectros de
emissão. Quando um elétron absorve energia, é capaz de transitar para um nível energético
superior. Ao retornar ao seu estado fundamental, libera essa energia na forma de luz. Essa luz
emitida manifesta-se em linhas espectrais distintas e descontínuas, cada uma associada a
transições específicas entre os níveis de energia permitidos do átomo. A investigação desses
espectros de emissão desempenha um papel significativo na validação e no refinamento dos
modelos atômicos, além de contribuir para a compreensão da natureza dual partícula-onda da
matéria.
Ao examinarmos os modelos atômicos e os espectros de emissão do átomo de
hidrogênio, abordaremos a evolução dessas teorias, desde os primeiros modelos propostos por
Dalton e Thomson até a teoria quântica moderna. Este estudo visa compreender os espectros
de emissão do átomo de hidrogênio e os modelos atômicos, destacando como esses avanços
fortaleceram nossa compreensão da estrutura atômica, auxiliaram na identificação de
elementos químicos e na investigação de fenômenos quânticos sutis.
No decorrer deste estudo, serão realçadas as descobertas mais notáveis e os cientistas
proeminentes que contribuíram significativamente para a melhoria de nossa compreensão da
estrutura atômica e dos fenômenos de emissão nos átomos de hidrogênio.
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
Para investigar os espectros de emissão de linha do hidrogênio para diferentes
modelos atômicos utilizamos a plataforma educacional PhET, que oferece simulações
interativas. Entre essas simulações, destaca-se o "Modelos do átomo de hidrogênio". Essa
ferramenta interativa é crucial para visualizar e entender conceitos relacionados ao modelo
atômico de hidrogênio, como os níveis de energia, orbitais, números quânticos e espectros de
emissão.
No ambiente do simulador, temos a capacidade de manipular diversas variáveis do
sistema, como o átomo que quiser. Ao conduzir os procedimentos, nosso objetivo primordial
era examinar e observar como os elétrons saltam entre diferentes órbitas, resultando em
transições eletrônicas que emitem ou absorvem fótons de energia específica.
Iniciamos abrindo o simulador e selecionando a opção "Experimento" na chave
seletora. Uma "pistola" foi ligada para iniciar a emissão de luz.
Direcionamos exclusivamente luz verde para a caixa de hidrogênio. Observamos
atentamente as alterações no espectro de emissão e registramos nossas observações.Alteramos
a configuração para direcionar apenas fótons ultravioleta (UV) para a caixa de hidrogênio.
Descrevemos as mudanças nas emissões observadas.
Retornamosà luz branca e, usando o espectrômetro, coletamos o espectro de emissão
de linha do hidrogênio. Aguardamos alguns minutos para garantir os dados obtidos.Depois
exploramos os Átomos de Bohr e de Broglie, e o de Schrödinger.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
1) Espectros de Emissão do Hidrogênio: Nos experimentos realizados no simulador,
observamos diferentes resultados ao direcionar diversas radiações para a caixa de
hidrogênio e analisar os espectros de emissão:
➢ Luz Verde: Ao direcionar luz verde, identificamos um espectro de emissão composto
por linhas discretas. Isso sugere que quando elétrons no átomo de hidrogênio transitam
de níveis de energia mais elevados para níveis mais baixos, ocorre a emissão de luz
em comprimentos de onda específicos, resultando em um padrão característico no
espectro.
➢ Fótons Ultravioleta (UV): Ao utilizar fótons ultravioleta (UV), observamos o
surgimento de novas linhas de emissão no espectro. Isso indica que a energia dos
fótons UV é suficiente para excitar elétrons para níveis de energia mais elevados,
resultando em transições eletrônicas adicionais e na emissão de luz em comprimentos
de onda específicos.
➢ Luz Branca: Ao direcionar luz branca, coletamos um espectro de emissão com um
padrão de linhas discretas semelhante ao obtido com luz verde. No entanto, as
intensidades das linhas podem variar, refletindo as diferentes energias envolvidas nas
transições eletrônicas.
2) Modelos Pré-quânticos: Após explorar modelos pré-quânticos como os de Dalton,
Thomson e Rutherford, concluímos que essas teorias não foram capazes de explicar
adequadamente os espectros de emissão do hidrogênio. A falta de consideração quanto à
quantidade de energia associada às transições eletrônicas foi uma limitação significativa para
entender a natureza das linhas espectrais observadas.
3) Modelos de Bohr e de Broglie: Ao analisar os modelos de Bohr e de Broglie, notamos
como a localização do elétron em órbitas específicas está relacionada aos diagramas de níveis
de energia e aos espectros de emissão. O elétron altera sua posição ao absorver ou emitir
fótons durante transições entre órbitas, resultando em mudanças nos níveis de energia e na
emissão de luz. Esses modelos fornecem uma explicação mais robusta para os fenômenos
observados nos experimentos de espectros de emissão do hidrogênio.
Modelos Pré-Quânticos
Os modelos pré-quânticos, como o modelo de bola de bilhar de Dalton, o modelo de
pudim de ameixa de Thomson e o modelo de sistema solar clássico de Rutherford,
revelaram-se insuficientes para explicar o espectro de emissão de linha observado
experimentalmente, especialmente no caso do hidrogênio.
O modelo de Sistema Solar Clássico de Rutherford não foi amplamente aceito devido
à sua incapacidade de explicar a estabilidade dos átomos e os espectros de emissão de linhas.
Segundo esse modelo, os elétrons emitem radiação de maneira contínua, perdendo assim
energia e levando a um colapso do átomo.
Essas limitações demonstraram a necessidade de um novo modelo que pudesse
abordar adequadamente o comportamento dos elétrons nos átomos, o que levou ao
desenvolvimento dos modelos quânticos, como o modelo de Bohr e, posteriormente, a
mecânica quântica de Schrödinger. Esses modelos superaram as deficiências dos modelos
pré-quânticos, proporcionando uma compreensão mais precisa e abrangente da estrutura
atômica e de fenômenos como os espectros de emissão.
Modelos de Bohr e de Broglie:
Os modelos propostos por Niels Bohr e Louis de Broglie representam avanços
significativos na compreensão da estrutura atômica e do comportamento da matéria no nível
subatômico.
O modelo de Bohr, desenvolvido em 1913, introduziu a ideia de órbitas eletrônicas
quantizadas ao redor do núcleo atômico. Bohr postulou que os elétrons ocupam órbitas
específicas, cada uma associada a um nível de energia quantizado. Essa proposta ajudou a
explicar os espectros de emissão de átomos hidrogenoides, mas tinha limitações quando
aplicada a átomos com mais elétrons. Mesmo assim, o modelo de Bohr foi fundamental para
estabelecer a ideia de quantização de energia nos átomos.
O modelo de Broglie, proposto em 1924, trouxe a perspectiva de dualidade
partícula-onda para as partículas subatômicas. De acordo com a teoria de de Broglie,
partículas como elétrons exibem tanto propriedades de partículas quanto de ondas. Esta teoria
ajudou a explicar a quantização dos níveis de energia e as transições eletrônicas nos átomos,
fornecendo uma base teórica para a mecânica quântica.
Juntos, os modelos de Bohr e de Broglie contribuíram para uma compreensão mais
profunda das características fundamentais dos átomos. Bohr focou nas órbitas quantizadas e
na estabilidade dos elétrons, enquanto de Broglie trouxe a ideia de que as partículas
subatômicas podem exibir comportamento ondulatório. Esses modelos foram etapas cruciais
no caminho para o desenvolvimento da teoria quântica, que hoje é essencial para explicar
fenômenos no nível subatômico.
Figura 1: Modelo de Bohr
Fonte: Simulador PhET
Figura 2 : Modelo de de Broglie
Fonte: Simulador PhET
A determinação da posição do elétron está intrinsecamente ligada à configuração do
diagrama de níveis de energia, onde cada camada energética representa uma trajetória orbital
viável para o elétron. As mudanças de órbita eletrônica, conhecidas como transições
eletrônicas, manifestam-se quando o elétron absorve ou emite um quantum de energia,
precisamente correspondente à disparidade entre os distintos níveis energéticos.
O fenômeno da emissão de um fóton ocorre no momento em que um elétron efetua a
transição de uma camada de energia superior para uma inferior, liberando, assim, a energia
armazenada sob a forma de luz. Este processo intricado, governado pelas leis da mecânica
quântica, ilustra a complexidade e a fascinante interação entre os elétrons e seus respectivos
níveis de energia.
Tabela 1: Transição eletrônica entre os níveis
Transição eletrônica entre os
níveis n
Comprimento de onda (nm) Região do espectro
1⇔ 2 122 UV
1⇔ 3 103 UV
1⇔ 4 97 UV
1⇔ 5 95 UV
1⇔ 6 94 UV
2⇔ 3 656 Visível
2⇔ 4 486 Visível
2⇔ 5 434 Visível
2⇔ 6 410 Visível
3⇔ 4 1876 IR
3⇔ 5 1282 IR
3⇔ 6 1094 IR
4⇔ 5 4025 IR
4⇔ 6 2626 IR
5⇔ 6 7460 IR
Quando um elétron é atingido por luz com uma frequência específica, ele pode
absorver a energia do fóton correspondente e fazer uma transição para um nível de energia
superior. Neste caso, o elétron consegue energia o suficiente para poder fazer a transição para
um nível superior de energia, para n=3.
Calculando a Energia do Fóton (E)
∆𝐸 ≈3, 034×10−19 𝐽.
Tabela 2 - Movimento do elétron em diagrama de energia
comprimento
de onda (nm)
Movimento do
elétron Diagrama de energia
espectro de
emissão
103
1 3⇔ m-1 m0 m1⇔ ⇔ UV
97
1 4⇔ m-1 m0 m1⇔ ⇔ UV
99
1 6⇔ m-1 m0 m1⇔ ⇔ UV
Modelo de Schrödinger
Ao completar a tabela de transições eletrônicas, é possível identificar padrões nos
comprimentos de onda associados às diversas transições entre níveis de energia. Dentro do
arcabouço do modelo de Schrödinger, percebemos que existem regulamentações que ditam as
transições eletrônicas permitidas e proibidas, sendo essas governadas por restrições
vinculadas aos números quânticos "n" e "l".
As regras relacionadas aos números quânticos fornecem uma explicação para o
fenômeno no qual elétrons em estados excitados têm a capacidade de absorver fótons,
movendo-se para diferentes estados excitados, ao invés de retornar imediatamente ao estado
fundamental. As transições eletrônicas ocorrem conforme a diferença específica de energia
entre os níveis permitidos.
Os distintos modelos atômicos desempenharam papéis significativos na evolução da
nossa compreensão sobre a estrutura atômica e o comportamento da matéria no nível atômico.
Ao explorarmos as implicações de alguns desses modelos, como os de Dalton, Rutherford,
Thomson, Bohr e Broglie, percebemos contribuições valiosas.
Os modelos iniciais, de Dalton, Rutherforde Thomson, destacaram a noção de que os
átomos possuem uma estrutura interna, desmistificando a ideia de que são indivisíveis. Isso
abriu caminho para a investigação das partículas subatômicas e das forças fundamentais que
as regem.
Por outro lado, os modelos de Bohr e Broglie trouxeram esclarecimento sobre as
órbitas eletrônicas, as transições de energia e a dualidade partícula-onda da matéria,
enriquecendo ainda mais nossa compreensão dos átomos e seus espectros de emissão. Cada
um desses modelos contribuiu para a construção progressiva de um panorama mais
abrangente da natureza dos átomos.
Figura 3 - Modelo de Schrodinger
Fonte: Simulador PhET
As ramificações do modelo de Schrödinger representaram uma revolução em nossa
compreensão da estrutura atômica, proporcionando a capacidade de prever com precisão a
distribuição eletrônica e elucidar padrões complexos de comportamento atômico, como os
espectros de emissão.
Em termos gerais, esses modelos atômicos não apenas revelaram a intricada
arquitetura interna dos átomos, mas também possibilitaram uma compreensão mais profunda
das propriedades das partículas subatômicas e das leis que regem seu comportamento. Cada
modelo contribuiu incrementalmente para a construção de um panorama mais completo e
preciso da natureza dos átomos, culminando na teoria quântica. Esta última se revela essencial
para explicar a complexidade dos espectros de emissão e para desvendar a intricada interação
entre partículas no nível subatômico.
CONCLUSÕES FINAIS
Os modelos pré-quânticos, como os de Dalton, Thomson e Rutherford, foram passos
iniciais importantes na compreensão da estrutura atômica. No entanto, esses modelos não
conseguiram oferecer explicações adequadas para a complexidade das propriedades
observadas no átomo de hidrogênio e em outros elementos.
A contribuição mais significativa ocorreu com o modelo de Bohr, que introduziu a
ideia de níveis de energia quantizados e conseguiu explicar os espectros de emissão de linha
do hidrogênio. Apesar disso, o modelo de Bohr apresentava limitações e não era aplicável a
átomos mais complexos.
Com o desenvolvimento da mecânica quântica e o modelo de Schrödinger, nossa
compreensão da estrutura atômica avançou consideravelmente. A teoria quântica permitiu
uma descrição mais completa e precisa do comportamento dos elétrons nos átomos, levando à
compreensão dos orbitais e números quânticos.
Podemos afirmar, portanto, que cada modelo atômico representou um marco na
evolução da ciência, contribuindo para aprofundar nosso conhecimento sobre a estrutura
fundamental da matéria. A pesquisa contínua nesse campo nos conduz a uma compreensão
mais profunda dos fenômenos da natureza em escalas atômicas e subatômicas,
proporcionando insights valiosos sobre o mundo microscópico.
REFERÊNCIAS
Knight, R. D. 2009. Física: Uma Abordagem Estratégica V.2. Editora BOOKMAN
PhET, Simulador, disponivel em :
https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations/rutherford-scattering/activities
TIPLER, Paul A. Modern physics. Institute of Eletric & Eletronics Enginee. WORTH
PUBLICHERS. Oakland University. Rochester, Michigan, 1977.
https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations/rutherford-scattering/activities