Matéria, luz e radioatividade

Entenda o conceito

Modelos atômicos foram modificados conforme evidências. Dalton descreveu átomos como unidades da matéria; a descoberta do elétron exigiu estrutura interna no modelo de Thomson. Espalhamento de partículas levou ao núcleo pequeno e positivo de Rutherford. Bohr usou níveis de energia discretos para explicar linhas do hidrogênio. O modelo quântico descreve estados e probabilidades, não pequenas órbitas planetárias literais.

A organização microscópica influencia propriedades térmicas, elétricas e magnéticas. Calor específico mede a energia necessária para variar a temperatura, enquanto condutividade mede a facilidade de transferi-la. Elétrons relativamente móveis favorecem condução em metais; semicondutores permitem controlar condutividade por composição e condições externas. Resposta magnética envolve momentos microscópicos e, em ferromagnéticos, domínios. Essas propriedades distintas não devem ser tratadas como uma única capacidade do material.

Ondas eletromagnéticas dispensam meio material. No vácuo, todas têm velocidade c≈3×10⁸ m/s e c=λf. Em frequência crescente, o espectro inclui rádio, micro-ondas, infravermelho, visível, ultravioleta, raios X e gama. Fronteiras entre faixas são convencionais; raios X e gama podem se sobrepor em frequência, distinguindo-se também pela origem. Rádio permite comunicação, infravermelho aparece em sensores térmicos e raios X atravessam tecidos com atenuações diferentes para formar radiografias.

A luz também troca energia em quantidades chamadas fótons, cada um com E=hf. Aumentar frequência aumenta energia por fóton; aumentar intensidade numa frequência fixa aumenta o fluxo de fótons. A potência é energia por tempo e a intensidade física, potência por área. Numa fonte ideal isotrópica, a mesma potência atravessa esferas de área 4πr², então intensidade cai com 1/r².

No efeito fotoelétrico, um fóton pode retirar um elétron do material se hf supera a função trabalho φ. A energia cinética máxima é Kmax=hf−φ. Abaixo da frequência limiar, aumentar intensidade não compensa a insuficiência da energia de cada fóton no modelo usual. Fotocélulas transformam resposta à luz em sinal elétrico; fotodiodos de semicondutores podem operar por mecanismo interno, sem ejetar elétrons para fora do sólido.

Um átomo excitado pode emitir luz ao mudar para estado de menor energia: hf=ΔE. LEDs e telas OLED emitem por processos eletrônicos no material; telas LCD modulam luz de uma iluminação de fundo. A combinação aditiva de subpixels vermelho, verde e azul produz outras cores percebidas. Transmissão, absorção e reflexão dependem da frequência e do material; uma fibra óptica usa guiamento por reflexão interna total em condições adequadas.

Radioatividade é transformação espontânea de núcleos instáveis. Na emissão alfa, o núcleo perde dois prótons e dois nêutrons: A diminui 4 e Z diminui 2. Na beta menos, um nêutron se transforma em próton com emissão de elétron e antineutrino: A não muda e Z aumenta 1. Na emissão gama, o núcleo perde energia sem mudar A nem Z. Elétron beta não é simplesmente um elétron da eletrosfera arrancado.

Meia-vida é o tempo para a quantidade média de núcleos ainda não transformados cair à metade. Após n meias-vidas, N=N₀/2ⁿ. A atividade é a taxa de decaimentos, medida em becquerels (1 decaimento por segundo), e também diminui com a mesma fração no modelo de um único radionuclídeo sem reposição. Isso descreve uma população estatística, não o instante certo de decaimento de um átomo particular.

Fissão divide um núcleo pesado; fusão une núcleos leves. A energia liberada depende da diferença entre energias de ligação e pode ser contabilizada por ΔE=Δmc². Conservam-se carga elétrica e outras quantidades fundamentais, contabilizando todas as partículas. A massa de repouso total dos produtos pode ser menor porque a diferença aparece como energia liberada; não se cria energia do nada.

A hipótese de Planck introduziu trocas discretas de energia associadas à frequência: quantidades hf, com h a constante de Planck. O fóton é uma unidade de energia hf da luz; aumentar a intensidade a frequência fixa aumenta o fluxo de fótons, não a energia de cada um. Uma fotocélula pode usar emissão de elétrons para gerar sinal: acima do limiar, mais fótons podem aumentar a corrente; a energia cinética máxima depende da frequência e da função trabalho, não apenas da intensidade.

No modelo de Bohr para hidrogênio, os estados ligados têm En=−13,6/n² eV, n inteiro positivo. A energia zero corresponde ao elétron livre em repouso infinitamente distante; valores negativos indicam ligação. Uma transição para n menor emite fóton de energia Ei−Ef>0; para n maior exige absorção. Ionizar a partir de n pede 13,6/n² eV. O modelo explica níveis do hidrogênio, mas não fornece uma descrição geral de todos os átomos nem torna órbitas clássicas a interpretação atual dos estados quânticos.

Interferência e difração revelam comportamento ondulatório da luz; emissão e detecção de energia em fótons revelam seu caráter quântico. Não são duas substâncias que a luz escolhe ser. De Broglie estendeu a relação onda-partícula à matéria: λ=h/p, com p o módulo do momento. Para uma partícula material lenta, p≈mv; em regime relativístico use o momento apropriado. Comprimento de onda não é o diâmetro de uma bolinha e o fóton não tem massa de repouso hf/c².

O princípio de Heisenberg limita dispersões de posição e momento do mesmo eixo em um estado: ΔxΔpx≥ℏ/2=h/(4π). Aqui Δ indica desvio padrão estatístico, não simples erro da régua ou mudança final menos inicial. Preparar um estado mais localizado exige maior dispersão de momento. Não é apenas falta de instrumentos melhores. Conhecendo Δx, obtemos um limite inferior para Δpx, e não uma afirmação de que toda partícula tem exatamente aquele momento.

Fóton

Quantum de energia de radiação eletromagnética.

Número atômico Z

Quantidade de prótons do núcleo.

Número de massa A

Quantidade de prótons mais nêutrons.

Meia-vida

Tempo característico para reduzir pela metade a população média não decaída.