Espectros de emissão (ESCQS)
Você aprendeu anteriormente sobre a estrutura de um átomo. Os electrões que rodeiam o núcleo atómico estão dispostos numa série de níveis de energia crescente. Cada elemento tem um número único de electrões numa configuração única, pelo que cada elemento tem o seu próprio conjunto distinto de níveis de energia. Esta disposição de níveis de energia serve como impressão digital única do átomo.
No início do século XIX, os cientistas descobriram que um líquido ou sólido aquecido a altas temperaturas emitiria uma ampla gama de cores de luz. Contudo, um gás aquecido a temperaturas semelhantes emitiria luz apenas em certos comprimentos de onda específicos (cores). A razão desta observação não foi compreendida na altura.
cientistas estudaram este efeito utilizando um tubo de descarga.
Figure 12.5: Diagrama de um tubo de descarga. O tubo é cheio com um gás. Quando uma tensão suficientemente alta é aplicada através do tubo, o gás ioniza e actua como um condutor, permitindo que uma corrente flua através do circuito. A corrente excita os átomos do gás ionizado. Quando os átomos voltam ao seu estado de terra, emitem fotões para transportar o excesso de energia.
p>Um tubo de descarga (mostrado na Figura 12.5) é um tubo de vidro cheio de gás com uma placa metálica em ambas as extremidades. Se for aplicada uma diferença de voltagem suficientemente grande entre as duas placas metálicas, os átomos de gás no interior do tubo absorverão energia suficiente para fazer sair alguns dos seus electrões, ou seja, os átomos de gás são ionizados. Estes electrões começam a mover-se através do gás e criam uma corrente, que eleva alguns electrões de outros átomos a níveis de energia mais elevados. Depois, à medida que os electrões nos átomos caem, emitem radiação electromagnética (luz). A quantidade de luz emitida em diferentes comprimentos de onda, chamada espectro de emissão, é mostrada para um tubo de descarga cheio de hidrogénio gasoso na Figura 12.6 abaixo. Apenas determinados comprimentos de onda (isto é, cores) de luz são vistos, como mostrado pelas linhas na figura.
Figure 12.6: Diagrama do espectro de emissão de hidrogénio no espectro visível. Quatro linhas são visíveis, e são rotuladas com os seus comprimentos de onda. As três linhas no intervalo {400}(texto{500}) estão na parte azul do espectro, enquanto que a linha superior (656) está na parte vermelha/laranja.
Eventualmente, os cientistas perceberam que estas linhas provêm de fotões de uma energia específica, emitidos por electrões que fazem transições entre níveis de energia específicos do átomo. A Figura 12.7 mostra um exemplo de como isto acontece. Quando um electrão de um átomo cai de um nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo, emite um fotão para transportar a energia extra. A energia deste fotão é igual à diferença de energia entre os dois níveis de energia (Delta E).
p>Como discutimos anteriormente, a frequência de um fotão está relacionada com a sua energia através da equação E=hf=). Uma vez que uma frequência específica de fotões (ou comprimento de onda) nos dá uma cor específica, podemos ver como cada linha colorida está associada a uma transição específica.
Figure 12.7: No primeiro diagrama são mostrados alguns dos níveis de energia dos electrões para o átomo de hidrogénio. As setas mostram as transições dos electrões de níveis de energia mais elevados para níveis de energia mais baixos. As energias dos fótons emitidos são as mesmas que a diferença de energia entre dois níveis de energia. Pode-se pensar na absorção como o processo oposto. As setas apontariam para cima e os electrões saltariam para níveis mais altos quando absorvem um fotão da energia certa. A segunda representação mostra os comprimentos de onda da luz que é emitida para as várias transições. As transições são agrupadas numa série baseada no nível mais baixo envolvido na transição.
A luz visível não é o único tipo de radiação electromagnética emitida. As transições mais ou menos energéticas podem produzir radiação ultravioleta ou infravermelha. Contudo, porque cada átomo tem o seu próprio conjunto distinto de níveis de energia (a sua impressão digital!), cada átomo tem o seu próprio espectro de emissão distinto.