O que ocorre quando um elétron salta para um nível de energia imediatamente superior ou imediatamente inferior ao que ele se encontra?

Para ilustrar o conceito de diagrama de níveis de energia vamos considerar o caso do átomo de hidrogênio no modelo atômico de Bohr.

Segundo o modelo de Bohr, as energias possíveis para o átomo são dadas pela seguinte expressão:

En = − mZ2e4/8εo2h2 [n = 1, 2, 3, … ∞]

O número atômico do átomo de hidrogênio é Z = 1. Desse modo, com os valores numéricos:

εo = 8,85 × 10−12 F/m
h = 6,63 × 10−34 Js
e = 1,60 × 10−19 C
m = 9,11 × 10−31 kg
e fazendo uso também da relação:

1 J = 6,24 × 1018 eV
temos:

E1 ≈ − 13,54 eV

Desse modo, as energias associadas aos estados estacionários do átomo de hidrogênio podem ser escritas:

En ≈ − (13,54/n2) eV [n = 1, 2, 3, … ∞]

No modelo de Bohr, sempre que um átomo passa de um estado estacionário para outro, ele emite ou absorve radiação eletromagnética com freqüência:

ν = |ΔE|/h

em que |ΔE| representa o módulo da diferença Ef − Ei, entre a energia do átomo no estado final Ef e a energia do átomo no estado inicial Ei.

Se Ei > Ef, um fóton com energia hν é emitido pelo átomo.
Se Ei < Ef, um fóton com a mesma energia é absorvido.
O diagrama de níveis de energia é uma ajuda importante para a compreensão dos processos de emissão e de absorção de energia pelo átomo. Para o átomo de hidrogênio, no modelo de Bohr, o diagrama de níveis de energia é mostrado na figura.

A dimensão vertical é usada para representar o valor da energia do estado estacionário. A cada estado estacionário, associamos uma linha horizontal. A separação entre duas linhas horizontais é proporcional a sua diferença de energia.

A energia potencial eletrostática do átomo é tomada como sendo nula quando a distância entre o elétron e o próton é infinita. Desse modo, os estados estacionários em que esse elétron e esse próton estão ligados com uma separação finita, constituindo um átomo de hidrogênio, têm energias negativas. Como todos os estados estacionários do átomo de hidrogênio têm energias negativas, a linha superior do diagrama de níveis de energia representa o estado de energia zero (n = ∞), correspondente ao próton e o elétron separados de uma distância infinita, ou seja, correspondente ao átomo ionizado.

A linha inferior representa o estado de menor energia, isto é, o estado no qual o elétron ocupa a primeira órbita de Bohr (n = 1, E1 ≈ − 13,54 eV). Esse estado é chamado estado fundamental do átomo de hidrogênio.

Os estados estacionários correspondentes às energias E2, E3 e E4 também estão representados. Os outros (infinitos) estados estacionários, cujas energias são maiores que E4 e menores que zero, não são mostrados.

Devido à forma desse diagrama, em que os estados estacionários são representados por linhas horizontais desenhadas em diferentes alturas conforme suas energias, isto é, em diferentes níveis horizontais, a expressão nível de energia se tornou sinônima da expressão energia de estado estacionário e também da expressão órbita estacionária.

Como níveis com n maiores têm maior energia, a transição de um estado de n maior para um estado de n menor vem acompanhada da emissão de um fóton, enquanto que a transição de um estado de n menor para um estado de n maior vem acompanhada da absorção de um fóton. É uma prática comum indicar as transições atômicas com flechas verticais no diagrama de níveis de energia, do nível inicial ao final. Na figura, apenas algumas transições estão indicadas.

Mesmo para o átomo de hidrogênio, que é a estrutura atômica mais simples, o diagrama de níveis de energia com base experimental ou gerado teoricamente pela Mecânica Quântica é bem mais complicado do que esse apresentado na figura acima.

Princípio de Exclusão de Pauli

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Descreva o modelo atômico de Thomson, justificando cada uma de suas características com base nas descobertas mais importantes daquela época. O modelo atômico de Thomson é caracterizado por apresentar diversas partículas subatômicas de carga negativa (elétrons) em uma ''sopa'' de partículas subatômicas de carga positiva (prótons). Por isso, esse modelo ficou conhecido como ''pudim de passas''. 2) Em relação à experiência de Eugen Goldstein com os raios canais, responda: a) O que levou os cientistas a investigar a existência de partículas com carga elétrica positiva? Foi a descoberta da primeira partículas subatômica. Eugen percebeu que ao colocar um campo elétrico ou magnético externo à ampola, esses raios eram desviados no sentido do polo negativo. Quando se usava o gás hidrogênio, esse desvio era o menor observado. Dessa forma, imaginou-se a existência de uma partícula subatômica positiva, que foi então denominada de próton.  b) Como os cientistas concluíram que as menores partículas positivas tinham massa 1836 vezes maior que a massa do elétron? Imagine uma partícula carregada andando em linha reta com uma certa velocidade e entrando em uma região com um campo eletromagnético ortogonal à sua trajetória. Essa partícula sofrerá uma força que tende a transformar seu movimento em um círculo. O raio desse circulo é proporcional à massa e a velocidade inicial da partícula. Então sabendo-se sua velocidade, é possível determinar a sua massa. c) Qual o valor da carga elétrica dos prótons. O próton é uma partícula subatômica, de símbolo p ou p+, com uma carga elétrica positiva de +1e carga elementar e com uma massa ligeiramente menor do que a de um nêutron. 3) Sobre o bombardeamento de lâminas metálicas com partículas alfa, responda: a) O que a equipe de Rutherford esperava que fosse ocorrer com a lâmina de ouro, ao receber o impacto das partículas alfa? esperavam que as partículas alfa fossem, em sua grande maioria, refletidas. Pois espera se que elas se chocassem com o núcleo atômico. b) O que Rutherford observou de surpreendente com essa experiência? Rutherford notou que a maioria das partículas alfa atravessava a lâmina, não desviava, nem retrocedia. Algumas partículas alfa se desviavam, e muito poucas retrocediam. c) A experiência de Rutherford implicou quais mudanças no modelo atômico de Thomson?  Rutherford conseguiu distinguiu os raios alfa e beta e introduziu o conceito de núcleo atômico.  criou um modelo atômico no qual os elétrons giravam em torno do núcleo atômico, que considerou a região central do átomo onde havia a maior parte da massa atômica.  O modelo se baseava em órbitas eletrônicas, isto é comparáveis à um sistema planetário, Rutherford chegou à conclusão que a maior parte do átomo se encontra vazia, estando praticamente a totalidade de sua massa no núcleo, este sendo em torno de dez mil vezes menor que o átomo. 4) Descreva as bases do modelo atômico de Rutherford e comente as contradições que esse modelo apresentava e que impediam a sua total aceitação. Em 1911, o físico neozelandês Ernest Rutherford realizou um experimento em que ele bombardeou uma finíssima lâmina de ouro com partículas alfa (α) emitidas por uma amostra de polônio (material radioativo), que ficava dentro de um bloco de chumbo com um pequeno orifício pelo qual as partículas passavam. O ouro foi escolhido por ser um material inerte, pouco reativo. Até o momento, acreditava-se que o átomo seria uma esfera carregada positivamente, com elétrons (partículas negativas) distribuídos uniformemente por todo o seu volume, conforme indicava o modelo de Thomson. Se o átomo fosse realmente assim, as partículas alfa, que são compostas por partículas positivas, atravessariam os átomos da lâmina de ouro e, no máximo, algumas sofreriam pequenos desvios em suas trajetórias ao se aproximarem dos elétrons. Mas não foi isso que Rutherford observou. A grande maioria das partículas atravessava a lâmina de ouro, uma quantidade pequena não atravessa a folha, mas voltava, e algumas partículas alfa sofriam desvios de suas trajetórias. so comprovou que o modelo de Thomson estava incorreto. A partir das informações coletadas, Rutherford propôs o seu modelo atômico, que foi o seguinte: os átomos possuem uma grande parte vazia. Nesse espaço vazio ficam os elétrons e, por isso, esse espaço foi chamado de eletrosfera. Poucas partículas alfa refletiam e desviavam porque o átomo possui um núcleo bem pequeno e condensado, onde está toda a massa do átomo, não permitindo que as partículas atravessem. Esse núcleo seria positivo, pois as partículas alfa também são positivas, então, quando elas estivessem passando perto do núcleo, elas sofreriam um desvio em sua trajetória, pois cargas de mesmo sinal se repelem. Mas, se batessem de frente com o núcleo, elas seriam ricocheteadas, rebatidas na direção contrária ao choque. Comparando o número de partículas que atravessou a lâmina com as que foram rebatidas, conclui-se que o núcleo é de 10 000 a 100 000 vezes menor que seu tamanho total. Resumidamente, o modelo de Rutherford era parecido com o sistema solar, em que o núcleo positivo (feito de prótons) seria o sol e os planetas que giram ao seu redor seriam os elétrons na eletrosfera: No entanto, ele apresentava uma série de contradições consideráveis, como o fato de que cargas opostas se atraem e, dessa forma, se os elétrons (negativos) girassem ao redor do núcleo (positivo), eles perderiam energia gradualmente e adquiririam uma trajetória em forma de espiral até atingir o núcleo, essas contradições geravam duvidas sobre o modelo. 5) Sobre o modelo atômico de Bohr, responda os itens abaixo: a) No que Bohr se baseou para construir seu modelo atômico? O físico dinamarquês Niels Bohr (1885 - 1962) propôs um modelo atômico para o átomo de hidrogênio que depois foi estendido para outros elementos. O seu modelo baseia-se no Sistema Solar, no qual os planetas giram ao redor do Sol. b) Quais os postulados propostos por Bohr? 1º postulado – A energia emitida (ou absorvida) por um sistema atômico não é contínua, como mostrado pela eletrodinâmica, mas se processa através de transições do sistema de um estado estacionário para algum outro diferente. 2º postulado – Radiação de frequência bem definida é emitida por um sistema atômico quando há transição de elétron entre camadas. Sendo a energia total liberada pela transição desse elétron definida por E = hf, onde f = frequência da radiação (em hertz) e h = constante de Planck (em J.s). 3º postulado – O equilíbrio dinâmico dos sistemas nos estados estacionários (baseados em interações eletrostáticas e eletromagnéticas) obedece às leis da mecânica clássica. 4º postulado – As possíveis órbitas descritas por elétrons em torno do núcleo atômico são múltiplos inteiros de h/2π. Inclusive nas órbitas provenientes de uma transição. 5º postulado – O estado no qual a energia emitida é máxima deve ser, também, um múltiplo inteiro da constante de Planck corrigida para um movimento circular em relação ao momento angular do elétron. c) Quando podemos dizer que um átomo se encontra em seu estado fundamental? Diz-se q um átomo está no seu estado fundamental quando este possui a menor energia possível.  Um átomo normalmente está em seu estado fundamental, mas pode passar a um estado excitado se absorver energia. d) O que ocorre quando um elétron “salta” para um nível de energia imediatamente superior ou imediatamente inferior ao que ele se encontra? Ao saltar de um nível menos energético para um nível mais energético este absorve energia. Ao retornar ao nível menos energético este libera energia na forma de fóton. 6) Considere dois níveis de energia de um átomo de sódio, representados no diagrama abaixo. A diferença de energia entre os níveis (inicial e final) é igual a 3,4.10-19J, e a energia do fóton é igual a h.f, em que h é a constante de Planck (6,6.10-34 J.s) e f é a freqüência do fóton emitido. Considerando os dados apresentados e utilizando a tabela acima  como referência,

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O que ocorre quando um elétron salta para um nível de energia imediatamente superior ou imediatamente inferior ao qual se encontra?

O que acontece quando um elétron salta para um nível?

O que ocorre quando um elétron salta de um nível de maior energia para um de menor energia?

Quando um elétron se move de um nível de energia de um átomo para outro nível de energia mais afastado do núcleo desse mesmo átomo podemos afirmar que?