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Física atômica
- 1. Fabrício F. Ansante Tayná R. Alves
- 2. A Física Atômica é o ramo da física que estuda as camadas eletrônicas dos átomos. O átomo (do latim a = não ; tomos = divisão) é uma unidade básica de matéria, constituída por um núcleo que possui cargas positivas envolto por camadas eletrônicas com cargas negativas (os elétrons). Na Grécia Antiga, Leucipo e Demócrito propuseram que o átomo era a menor partícula de toda a matéria existente e que seria impossível dividi-lo. Hoje, sabe-se que o átomo já foi dividido. Sabe-se, atualmente, que o átomo é 10.000 a 100.000 vezes maior que seu núcleo. Pode-se fazer a seguinte comparação: o átomo é como se fosse um estádio de futebol e o núcleo do átomo seria uma formiga colocada ao centro do estádio. Ao decorrer da história, foram realizados muitos estudos sobre o átomo e surgiram os modelos atômicos.
- 3. Modelo atômico de Dalton (1803) “A bola de bilhar” Em 1903, John Dalton - químico, meteorologista e físico inglês – propôs que o átomo era como uma bola de bilhar, maciço e indivisível. A partir dos seus estudos sobre essa partícula, Dalton estabeleceu os seguintes postulados: → Toda a matéria é constituída por partículas indivisíveis, indestrutíveis e que não podem ser criadas, os átomos. Eles permanecem unidos por uma força de atração mútua; →Cada substância é constituída por um único tipo de átomo; →Todos os átomos de uma substância são idênticos no que se diz respeito à forma, ao tamanho, à massa e às demais propriedades.
- 4. Modelo atômico de Thomson (1897) “O pudim de passas” Com a descoberta do elétron (partícula de carga negativa) em 1987, o modelo de John Dalton tornou- se ultrapassado. Surge então um outro modelo atômico, proposto pelo físico Joseph John Thomson. O modelo de Thomson ficou conhecido como “pudim de passas”, em que o átomo poderia ser comparado a um pudim, em que a ‘massa’ do pudim representa a carga positiva e as ‘passas’ que estão entre a massa representam os elétrons, cargas negativas. “Massa” de carga positiva (+) Elétrons, cargas negativas (-)
- 5. Modelo atômico de Rutherford (1908) “O sistema solar” Em 1908, algumas experiências realizadas com partículas alfa (α) e uma lâmina bem fina de ouro (Au) permitiram ao físico neozelandês Ernerst Rutherford propor o seu modelo atômico. O modelo de Rutherford era muito parecido com o sistema solar, em que o núcleo do átomo poderia ser comparado ao Sol e os elétrons seriam os planetas, orbitando em torno do núcleo. A partir de seus estudos, Rutherford concluiu: → O átomo é vazio; → O núcleo do átomo é muito pequeno; → O núcleo do átomo possui cargas positivas, os prótons; → Os elétrons (cargas negativas) que estão ao redor do átomo, na eletrosfera, tem a função de equilibrar as cargas positivas. Mais tarde, após alguns estudos sobre o núcleo do átomo, James Chadwick provou a existência de uma partícula sem carga elétrica e com massa igual a dos prótons (+) e chamou-as de nêutrons.
- 6. Modelo atômico de Bohr (1910) Dois anos após Rutherford ter proposto seu modelo atômico, o físico dinamarquês Niels Bohr aperfeiçoou-o , propondo que os átomos possuem energia quantizada, ou seja, cada elétron tem apenas uma determinada quantidade de energia. Bohr concluiu que os elétrons giravam em torno do núcleo em camadas eletrônicas, sem perder energia. Cada camada eletrônica possui uma quantidade de energia específica. Quando um elétron salta de uma camada menor para uma camada maior, ele absorve energia; quando um elétron salta de uma camada maior para uma camada menor, ele emite energia em forma de luz, denominada de “fóton” ou “quantum”.
- 7. Os níveis e subníveis de energia Na eletrosfera, os elétrons giram em torno do núcleo em divisões chamadas de camadas ou níveis de energia. Cada camada possui uma quantidade específica de energia. As camadas de energia são sete: K, L, M, N, O, P e Q e cada uma comporta, respectivamente, 2, 8, 18, 32, 32, 18 e 8 elétrons. Cada uma das camadas eletrônicas se dividem em subcamadas ou subníveis. Esses subníveis são representados pelas letras minúsculas: s (sharp); p (principal); d (diffuse) e f (fundamental). Quando um elétron salta de uma camada para outra ele passa por essas subcamadas, como que se estivesse saltitando até a outra camada eletrônica. O químico estadunidense Linus Carl Pauling criou um diagrama para representar os subníveis de energia em ordem crescente.
- 8. As partículas elementares Segundo o modelo atômico de Bohr, o átomo é formado por um núcleo de cargas positivas (prótons e nêutrons) e por cargas negativas (elétrons) que estão em órbita em torno desse mesmo núcleo, dispostos em camadas eletrônicas que, por sua vez, são divididas em subníveis de energia. Cada uma das partículas fundamentais (prótons, nêutrons e elétrons) são formadas por partículas ainda menores, denominadas partículas elementares. Essas partículas são conhecidas como Quarks e Léptons. Os quarks e léptons não são formados por nenhuma outra partícula, porem são a base de formação de todas as outras partículas. Os quarks dividem-se em seis: up, down, charm, stange, top e bottom. Um próton é formado por um dois quarks “up” e um quark “down”. Um nêutron é formado por dois quarks “down” e um quark “up”. Os léptons são partículas encontradas fora do núcleo atômico, diferentemente dos quarks, são maciças dentre as quais se destacam o elétron, o muon e o tau (e seus respectivos neutrinos).
- 9. Em síntese, toda a matéria que existe é composta por átomos. Os átomos são compostos por um núcleo e por camadas eletrônicas. O núcleo do átomo é formado por prótons e nêutrons (cargas positivas). Os prótons e nêutrons são formados por partículas elementares, os quarks. As camadas eletrônicas são divididas em subcamadas (ou subníveis) de energia. Em cada camada são dispostas determinadas quantidades de elétrons. Os elétrons, por sua vez, são constituídos de léptons.
- 10. Os fótons Os fótons são as partículas elementares que compõem a luz. Como qualquer outra partícula, os fótons possuem energia. A relação energia-frequência nos fótons é proporcional e relacionada por uma constante a Constante de Plank, dada pela equação : . Max Plank foi um cientista alemão que, com seus estudos, deu origem a um ramo da física que hoje conhecemos por Física Quântica. Em suas teorias, Plank propõe que cada átomo só pode trocar pacotes discretos de energia. O efeito fotoelétrico O efeito fotoelétrico ocorre quando uma placa metálica é exposta a uma radiação eletromagnética de alta frequência, como um feixe de luz, e elétrons se soltam da placa. A teoria dos fótons explica que, a intensidade da luz é proporcional ao número de fótons. Estes, por sua vez, determinam o número de elétrons a serem arrancados da placa metálica. Quanto maior for a frequência, mais elétrons se desprenderão da placa metálica.
- 11. As radiações Radiações são ondas eletromagnéticas ou partículas que se propagam com uma determinada velocidade. Contêm energia, carga elétrica e magnética. Podem ser geradas por fontes naturais ou por dispositivos construídos pelo homem. Possuem energia variável desde valores pequenos até muito elevados. As radiações eletromagnéticas mais conhecidas são: luz, microondas, ondas de rádio, radar, laser, raios X etc. Dependendo da quantidade de energia, uma radiação pode ser descrita como não ionizante ou ionizante. Radiações não ionizante possuem energia relativamente baixa. As radiações não ionizantes estão sempre a nossa volta. São exemplos de radiações não ionizantes a luz, as ondas do rádio, as ondas da televisão e do microondas. Altos níveis de energia originam radiações ionizantes que surgem do núcleo dos átomos e podem alterar o estado físico de um átomo e causar a perda de elétrons, tornando-os eletricamente carregados. Este processo chama-se "ionização". Um átomo pode se tornar ionizado quando a radiação colide com um de seus elétrons. Se essa colisão ocorrer com muita violência, o elétron pode ser arrancado do átomo. Após a perda do elétron, o átomo deixa de ser neutro, pois com um elétron a menos, o número de prótons é maior. O átomo torna-se um "íon positivo".
- 12. Existem três modalidades de radiação, denominadas alfa, beta e gama. A radiação alfa é composta por dois prótons e dois nêutrons. Além de ser muito energética, a radiação alfa possui massa e carga elétrica maior que as demais radiações, sendo barrada por uma simples folha de papel. A radiação beta é composta por cargas negativas e é semelhante aos elétrons. Os raios beta são mais penetrantes e menos energéticos que as partículas alfa. Elas conseguem atravessar uma folha de papel, porém são barradas por um pedaço de madeira. A radiação gama é a radiação menos energética (são isentos de cargas elétricas), porém é a mais penetrante. Os raios gama conseguem penetrar até mesmo o corpo humano, porém são detidos por uma grossa superfície metálica. O raio X é um tipo de radiação eletromagnética com frequência superior a 1018 Hz. Os raios X são obtidos através de um aparelho chamado de Tubo de Coolidge. Esse é um tubo oco, evacuado e que contém um cátodo em seu interior. Quando esse cátodo é aquecido por uma corrente elétrica, que é fornecida por um gerador, ele emite grande quantidade de elétrons que são fortemente atraídos pelo ânodo, chegando a este com grande energia cinética. Quando eles se chocam com o ânodo, transferem energia para os elétrons que estão nos átomos dos ânodos. Os elétrons com energia são acelerados e então emitem ondas eletromagnéticas que são os raios X.
- 13. Emissão e absorção de radiação A emissão de radiação ocorre quando um elétron de um átomo “salta” de uma órbita superior para uma inferior. Durante esse processo, um fóton é emitido. A absorção de radiação ocorre quando um elétron de um átomo “salta” de uma órbita inferior para uma superior. Durante esse processo, um fóton é absorvido.
- 14. A Física Atômica no nosso dia-a-dia Sendo a Física Atômica o ramo da física que estuda o átomo, que é a unidade básica da matéria, podemos concluir que ela está presente em tudo o que nos rodeia. As aplicações da Física Atômica no meio científico e tecnológico são as mais variadas. Encontramos a física atômica nos exames de Raio X, no tratamento de cânceres, na geração de energia elétrica através de usinas nucleares. Também está presente em armamentos e em bombas nucleares. A iluminação pública (postes de luz) ter um sensor que faz com que estejam acesas durante a noite e apaguem pela manhã, a porta do elevador que abre e fecha automaticamente sendo barrada por qualquer obstáculo, as lâmpadas de LED que surgiram no mercado, as inovações dos aparelhos de televisão (Tubo, Plasma, LCD e LED), o sistema que permite ao GPS localizar nossos destinos, o laser que compõe os aparelhos de CD, DVD e blu-ray, os aparelhos eletrônicos que funcionam a partir de campos eletromagnéticos, todos esses fatos só se concretizaram com o auxílio da Física Atômica.