Níveis de energia atômica

RKA13JL - E aí, pessoal, tudo bem? Agora vamos ver um vídeo a respeito de energia atômica e temos aqui um modelo simplificado de um átomo com o núcleo no centro, onde temos os prótons e os nêutrons. E, na maioria das vezes, eles ficam parados. A estrela do nosso show é o elétron, ele faz todas as coisas interessantes, como se movimentar, pular e ligar-se a outros átomos. As linhas tracejadas representam os diferentes níveis de energia que esse elétron pode ter enquanto está no átomo. E podemos representar isso com um diagrama, ele nos dá uma maneira de mostrar a energia do elétron sem ter que desenhar um átomo com um monte de círculos o tempo todo, e digamos que esse átomo simulado tenha níveis de energia eletrônica de 0 elétron-volt, 4 elétron-volts, 6 elétron-volts e 7 elétron-volts. Note que mover para a esquerda ou para a direita em um diagrama de nível de energia não significa nada, então tecnicamente não há eixo "x", mas desenhamos apenas para ficar mais fácil a visualização. Tudo o que importa é o nível de energia. Observe que o elétron para o nosso átomo hipotético só pode existir com 0, 4, 6 e 7 elétron-volts, o elétron não pode existir entre níveis de energia, sempre tem que estar em um certo nível. Então vamos dizer que o nosso elétron começa com 0 elétron-volt, e note que o nível mais baixo de energia que um elétron pode ter em um átomo é chamado de estado fundamental. E como podemos mover esse elétron desse nível mais baixo para níveis mais altos? Precisamos dar mais energia a ele e sabemos como fazer isso. E se um fóton com a energia certa atingir um elétron, esse elétron vai absorver toda a energia do fóton e saltar para um nível de energia mais alto, e o elétron no estado fundamental precisa de 0 elétron-volt para saltar para o próximo nível de energia. Isso significa que, se um fóton que tivesse uma energia de 4 elétron-volts entrasse e atingisse o elétron, esse elétron absorveria a energia do fóton, fazendo-o desaparecer, e, com isso, o elétron pularia para o próximo nível de energia, e que chamamos de "primeiro estado excitado". E uma vez que o elétron esteja nesse estado de energia, ele não vai ficar por muito tempo. Os elétrons, sempre quando têm a chance, vão cair para o nível de energia mais baixo possível. Nesse caso, ele voltará para o estado fundamental e cederá 4 elétron-volts de energia. E uma maneira de fazer isso é emitindo um fóton. Então, depois de cair para o estado fundamental, o elétron vai emitir um fóton de 4 elétron-volts, e, claro, ele não precisa pular apenas um nível de energia por vez, tá? Se um estiver aqui no estado fundamental e absorver um fóton 6 elétron-volts, ele vai saltar até o nível de energia de 6 eV. Nesse momento, o elétron está em um nível de energia mais alto e tentará voltar a níveis mais baixos. E existem algumas maneiras de fazer isso: ele pode ir direto para o nível fundamental emitindo um fóton de 6 elétron-volts no processo, mas também pode cair para um nível anterior de energia, o de 4 eV, emitindo um fóton de 2 eV no processo. Nesse caso, o elétron perdeu 2 eV, ou seja, 2 elétron-volts. Depois disso, ele volta para o estado fundamental, emitindo um fóton de 4 eV no processo. Às vezes, os elétrons baixam vários níveis de energia ao mesmo tempo, e outras vezes baixam um nível por vez. Mas, independentemente do que fazem, a energia do fóton é sempre igual à diferença nos níveis de energia do elétron. E se o nosso elétron estiver no estado fundamental e emitirmos sobre ele um fóton de 5 elétron-volts? Se isso acontece, agora ele tem 5 eV de energia, mas não é um nível de energia permitido. Então, ele não pode absorver esse fóton. E, nesse caso, o fóton passará direto pelo átomo. Lembre-se de que o elétron em um átomo precisa absorver toda a energia do fóton ou nenhuma. Ele não pode absorver parte dessa energia. Com isso entendido, podemos descobrir todos os fótons possíveis que esse elétron pode absorver. Se ele estiver no estado fundamental, ele pode absorver um fóton de 4 elétron-volts, um de 6 eV ou um de 7 eV. Se ele estiver no segundo nível de energia, também chamado de primeiro estado excitado, o elétron pode absorver um fóton de 2 eV ou um fóton de 3 eV. Mas se ele estiver no terceiro nível de energia, o que chamamos de segundo estado excitado, o elétron pode absorver um fóton de 1 eV. Esses são os únicos fótons que esse elétron pode absorver, fótons de 2,5 eV passarão direto, fótons de 5 eV passarão direto e fótons de 6,3 eV também passarão direto. O que significa que, se você tivesse uma luz com todos os comprimentos de onda possíveis passando através de um gás composto desses nossos átomos, alguns seriam absorvidos e depois espalhados em direções aleatórias. Isso se manifestaria como linhas escuras no espectro, comprimentos de ondas ausentes ou níveis de energia ausentes, que correspondem às energias dos fótons que o nosso elétron pode absorver. É como uma impressão digital de um átomo e que é chamada de espectro de absorção. Se você visse essa progressão de linhas escuras, nessas posições exatas, saberia que o gás para que você estava olhando era composto pelo menos em parte do nosso átomo hipotético. Isso permite que os astrônomos determinem de que material nosso universo é feito, mesmo que não possamos chegar perto o suficiente para coletar uma amostra. Tudo o que temos que fazer é coletar luz de uma estrela ou um quasar distante que brilhe através das coisas que nos interessam. E, então, determinar quais comprimentos de onda ou energia foram retirados. Claro que é um pouco mais confuso, mas, com isso, os astrônomos têm uma importante ferramenta à sua disposição. Então, o espectro de absorção nada mais é do que todos os comprimentos de onda ou energias que um átomo absorverá da luz que passa por ele. E também temos os espectros de emissão, que nada mais são do que todos os comprimentos de onda ou energias que um átomo emitirá devido à queda de elétrons nos níveis de energia. Você poderia passar por todas as possibilidades de um elétron e cair novamente, mas obteria exatamente as mesmas energias para obter o espectro de emissão que obteve para o espectro de absorção. Então, em vez de deixar a luz passar através de um gás composto de seus átomos hipotéticos, agora você tem um recipiente com esses mesmos átomos. E digamos que uma corrente elétrica passasse através dele excitando os elétrons para níveis de energia maiores e que depois caiam para os níveis mais baixos de energia. Isso acontece nas luzes de neon, ou se você está em uma aula de ciências, é o que acontece nos tubos de descarga de gás. Então, para o espectro de emissão, em vez de ver todo o espectro eletromagnético, com algumas linhas faltando, você vê apenas um monte de linhas que correspondem às energias desses fótons que o átomo emitirá. E eu tenho que ser honesto sobre algo. Se algum físico estiver vendo este vídeo, provavelmente, está se remoendo, porque as energias que os elétrons têm em um átomo não são positivas. Nesse caso, são todas negativas, isso porque o elétron está ligado ao átomo, qualquer coisa que esteja ligada a uma outra gera energias totais negativas. Isso é análogo a uma bola presa no fundo de uma vala. Se a bola não está se movendo, então ela não tem energia cinética. E se assumirmos que o nível é "h" igual a zero, então essa bola tem uma energia potencial gravitacional negativa e, com isso, ela vai ficar presa na vala. Agora, se alguém der uma energia suficiente para que tivesse energia total positiva, a bola poderia sair da vala. E para que nosso átomo seja mais realista, vamos subtrair 10 elétron-volts de cada nível de energia, isso porque para que o elétron passe do estado fundamental de -10 eV para o primeiro estado excitado de -6 eV, ainda vai ser necessário um fóton de 4 elétron-volts. E muitas pessoas se confundem com o sinal negativo, então tome muito cuidado. E para encontrar a energia do fóton que foi absorvida ou emitida, você sempre pega o nível de energia mais alto e subtrai dele o nível de energia mais baixo. Então, nesse caso, pegamos -6 eV e subtraímos por -10 eV, o que nos mostra que será necessário um fóton de 4 eV para elevar um elétron até esse nível de energia, e o elétron emitiria um fóton de 4 eV se desceu desse nível. Outra coisa não realista a respeito do nosso átomo hipotético é que, átomos reais não parariam apenas em -3 eV para o nível de energia mais alto, tá? Átomos reais têm níveis de energia que se aproximam cada vez mais à medida que você se aproxima de 0 eV. E o que acontece quando um elétron recebe uma energia maior do que 0 eV? Se isso acontece, significa que ele tem energia positiva, o que significa que o elétron não está mais ligado ao átomo, estará livre para sair e desaparecer. Com isso, o átomo se torna ionizado. Então, se um elétron, por exemplo, começa no nível de energia de -4 eV e absorve um fóton de 7 eV, agora ele vai ter uma energia total de 3 eV positivos, e, com isso, se desprenderá do átomo e sumirá. E eu espero que esta aula tenha ajudado vocês, e até a próxima, pessoal.