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Átomos Retrospectiva do átomo de hidrogênio Estrutura eletrônica do átomo neutro Estrutura nuclear do átomo RMN Átomo neutro O átomo é constituido de um núcleo positivo com Z próton que definem o confinamento dos elétrons. Z é conhecido como número atômico e define os diferentes elementos químicos. Átomo neutro Um átomo neutro consiste de um sistema onde o núcleo com número atômico Z confina o mesmo número de elétrons. Diferentemente do átomo de hidrogênio, o problema é que temos o número de elétron diferente de 1, podendo um elétron interagir com o outro. Seja como for, descrito dessa forma, o estado fundamental é todos os elétrons no estado fundamental, porém experimentos mostram o contrário. Experimento de Franck e Hertz No experimento proposto por Francke Hertz, uma ampola contendo gás de elementos conhecidos, um filamento, uma grade e uma placa metálica era colocada no seguinte arranjo experimental. Experimento de Franck e Hertz Ao carregar positivamente a grade, os elétrons que saem do filamento adquirem energia para atravessar a grade e podem atingir a placa carregada negativamente desde que sua energia seja suficientemente grande para vencer a repulsão da placa. Um modo de medir essa energia é determinar em qual tensão a corrente de elétron que passa pela placa cessa. Experimento de Franck e Hertz Antes de atingir a grade, o elétron acelerado pode atingir os átomos que compõe o gás na ampola. Nessa colisão, o elétron pode ter energia suficiente para mudar o elétron ligado dentro do átomo para outro estado estacionário. Experimento de Franck e Hertz A energia do elétron incidente pode ser tão grande que faça a ionização dos átomos contido no gás. Verifica-se, para determinado número atômico, uma periodicidade na qual os elementos nobre (He(2),Ne(10),Ar(18), Kr(32),Xe(54)) é mais difícil de ionizar. E os metais alcalinos os mais fáceis. Princípio de exclusão Como conclusão do experimento, podemos ver que os elétrons confinado ocupam estados estacionários diferentes. O estado fundamental do átomo neutro de número atômico Z consiste de um empilhamento dos Z elétron dos estados estacionários de mais baixa energia. Princípio de exclusão Dessa forma,o átomo neutro de menor energia tem seus elétrons confinados distribuídos em camadas (denotadas pelo número principal n) e sub-camadas (denotadas por s (l=0), p (l=1), d (l=2), f (l=3)) Regra para configurar os átomos O ordenamento para o preechimento de camada para o estado fundamental do átomo de muitos elétrons é dado seguindo a regra mnemônica conhecida como princípio de Aufbau. 1s2s 2p3s 3p4s3d 4p5s ... Spin do elétron Uma propriedade importante do elétron é seu momento magnético intrínseco. Este momento magnético pode ter valores positivo ou negativo e denotamos pela letra s, podendo ser s=1/2 ou s=-1/2. Estrutura do átomo neutro Átomo de Hélio, He, tem Z=2, assim Estrutura do átomo de Lítio Átomo de Lítio, Li, tem Z=3, assim, Estrutura do átomo de Berílio Átomo de Berílio, tem Z=4, assim, Estrutura do Boro Átomo de Boro, Z=5 Estrutura do Carbono Átomo de carbono, Z=6 Estrutura do Lítio ao Neônio Há uma certa periodicidade; Estrutura do átomo de Neônio Átomo de Neônio, tem Z=10, Estrutura do átomo Sódio Átomo de sódio, tem Z=11, Exercício Determine a estrutura dos elementos de Z=11 até Z=18. Tabela da camada P Segue uma tabela baseado no que fizemos. Estrutura do átomo de Potássio Átomo de Potássio, Z=19 Estrutura dos elementos de 20<Z<30 Para os elementos com 20<Z<30 temos a seguinte distribuição Estrutura Nuclear do Átomo Até então, consideramos átomos com Z prótons. Porém, existe outra partícula no núcleo atômico que, diferentemente do próton, não possuem carga elétrica. Essas partículas são os nêutrons. Estrutura do núcleo O núcleo atômico é caracterizado por um número atômico Z (o número de próton), um número de nêutrons N e um número de massa A (o número total de nucleon: prótons e nêutrons) A=Z+N. Os núcleo com o mesmo número atômico e diferentes números de nêutrons são chamados de isotopos. Estrutura do núcleo As forças que seguram os prótons e nêutrons no núcleo e mantem a integridade do núcleo são as forças nucleares cuja característica. Estrutura do núcleo Dado um número Z de prótons, existe um número máximo de nêutrons, N, na qual as forças nucleares internas ao núcleo sejam estáveis e mantem o núcleo. Da mesma forma, existe um número mínimo de nêutron na qual mantém a estabilidade do núcleo. Estrutura do núcleo A massa de um núcleo é menor que a soma das massas das partes. A fusão de dois núcleos faz com que a massa do final seja maior que a dos dois separados. E no final há liberação de energia. A fissão de um núcleo faz com que haja absorção de energia fazendo um aumento de massa. Estrutura do núcleo Segundo a teoria da relatividade de Einstein, a energia liberada ou absorvida no processo de fusão ou fissão nuclear é proporcional a variação de massa ocorrida. Devido a diferença de massa, podemos associa-la com uma energia de ligação do núcleo dada por: E=mc2 Estrutura do núcleo Na figura temos a energia de ligação por núcleon em função do número de núcleons A. Decaimento radioativo Os tipos de decaimento são caracterizados pelos produtos do decaimento. São classificados 3 tipos: decaimento alpha = decai em núcleos de 4He decaimento beta = decai em elétrons ou pósitrons decaimento gama = decai em fóton muito energéticos A maioria dos núcleos conhecidos não são estáveis e decaem espontaneamente. Um exemplo é o Urânio. Decaimento Alfa O decaimento Alfa consiste no núcleo emitir uma partícula Alfa (4He) Decaimento Beta O decaimento Beta consiste no núcleo emitir um elétron. Decaimento gama O decaimento gama consiste de uma mudança de níveis que o nucleon sofre dentro do núcleo e produz uma radiação de energia alta, considerada como raio gama. Decaimento radioativo Vemos como ocorre o decaimento do tório Reações nucleares Para obter informações dos núcleos, fazemos colisões nucleares com prótons. Reações nucleares Como resultado de colidir um próton com um núcleo podemos ter dois processos: exotérmico – perde energia em forma de calor para o meio endotérmico – absorve energia do meio Reações nucleares Como um exemplo, temos a reação do próton com lítio. Fissão nuclear Ativados pela colisão com neutrons, núcleos muito pesados, Z>92, estão sujeitos à fissão espontânea e se dividem em dois núcleos como uma gota que não suporta seu próprio tamanho. A força de repulssão coulombiana provoca a separação dos fragmentos liberando energia. Reação em cadeia da fissão Na fissão do 235U após colidir com um neutron temos uma reação em cadeia com os demais 235U. Reator nuclear Funcionamento de um reator. Fusão nuclear Durante a fusão, dois núcleos leves fundem-se para formar um núcleo mais pesado. O processo é exotérmico. Reator nuclear defusão Em teoria seria possível um reator nuclear de fusão, porém a energia necessária é muito grande e não há tecnologia para tal. O caminho mais promissor é usar plasma. Slide 1 Slide 2 Slide 3 Slide 4 Slide 5 Slide 6 Slide 7 Slide 8 Slide 9 Slide 10 Slide 11 Slide 12 Slide 13 Slide 14 Slide 15 Slide 16 Slide 17 Slide 18 Slide 19 Slide 20 Slide 21 Slide 22 Slide 23 Slide 24 Slide 25 Slide 26 Slide 27 Slide 28 Slide 29 Slide 30 Slide 31 Slide 32 Slide 33 Slide 34 Slide 35 Slide 36 Slide 37 Slide 38 Slide 39 Slide 40 Slide 41 Slide 42 Slide 43
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