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Vídeo da aula: Espetros de Emissão e Absorção Física • 9º Ano

Neste vídeo, vamos aprender como determinar a composição de um material a partir de características que aparecem no espetro de luz vinda deste.

16:23

Transcrição do vídeo

Neste vídeo, vamos falar sobre espetros de emissão e absorção. Podemos ver exemplos destes espetros no ecrã com a imagem de cima a representar um espetro de absorção e a imagem de baixo a representar um espetro de emissão. Observe que quando temos um destes, é chamado de espetro, enquanto mais do que um são chamados de espetros.

Antes de olharmos mais de perto para estes, no entanto, vamos considerar isto. É o que se chama de espetro contínuo. A ideia é que a palavra espetro refere-se a uma gama de comprimentos de onda. Aqui vemos todas as diferentes cores às quais os nossos olhos são sensíveis. E a palavra contínuo diz-nos que todos os comprimentos de onda dentro do nosso espetro estão representados. Por outras palavras, neste espetro não está a faltar nenhuma cor. Cada cor, cada comprimento de onda de luz visível, está presente. É possível criar um espectro como este utilizando dois objetos.

Um é uma luz branca, ou seja, uma luz que emite todos os comprimentos de onda visíveis. E o outro objeto é chamado de prisma. Este é tipicamente um objeto triangular, geralmente feito de vidro, que curva as diferentes cores da luz de maneira diferente. Isso significa que se enviarmos luz branca para o prisma, o prisma separará esta luz em todas as várias cores que os nossos olhos podem ver. E esta refratará ou duplicará estas cores diferentes em quantidades diferentes. Isto tem o efeito de espalhar as diferentes cores da luz à medida que se movem pelo prisma. E se projetássemos todas estas cores num ecrã ou numa superfície, teríamos um espetro contínuo.

Mas agora vamos imaginar que mudamos um pouco a nossa configuração. Digamos que colocamos algo entre a luz branca e o prisma. Em particular, digamos que colocamos um gás frio de um elemento atómico específico à frente da luz branca. Agora, vamos explicar porque é que este gás deve estar frio mais tarde. Mas, por enquanto, tudo o que precisamos saber é que átomos frios de um elemento estão a formar um gás à frente da nossa luz branca. Então, como antes, colocámos um prisma na trajetória do nosso feixe de luz e dizemos que mais uma vez projetámos toda a luz que passa pelo prisma e esta se dispersa em cores num ecrã. Se fizermos isso, poderemos ver algo parecido com isto.

Observe que este espetro se parece muito com o espetro contínuo que vimos antes, exceto por uma coisa. Existem estas faixas escuras, estas linhas pretas, que aparecem em vários comprimentos de onda neste espetro. Estas faixas escuras representam comprimentos de onda específicos da luz que estão ausentes na luz que passa pelo nosso prisma. Mas aqui está o problema. Sabíamos que estes comprimentos de onda de luz, assim como todos os outros comprimentos de onda visíveis, estavam presentes na luz branca emitida pela nossa fonte. Portanto, para que estes estejam ausentes no nosso espetro, como vemos aqui, algo deve ter acontecido a estes comprimentos de onda de luz em particular quando passaram para o gás frio. Na verdade, o que aconteceu é que estes comprimentos de onda foram absorvidos pelo gás.

Mas isso levanta uma questão. Porque é que estes comprimentos de onda específicos representados pelas lacunas no nosso espetro foram absorvidos enquanto os outros passaram? Por outras palavras, aparentemente, o gás absorveu luz neste comprimento de onda e neste comprimento de onda e neste e neste e neste e assim por diante. Mas é simplesmente permitido passar pela luz destes comprimentos de onda aqui que aparecem no nosso espetro. Para responder a esta questão de porque é que a luz do Sol atravessa o gás enquanto parte é absorvida, precisamos de entender este gás frio ao nível atómico.

Digamos que este esboço aqui represente um único átomo no nosso gás. Neste esboço, vemos o núcleo do átomo. Este é o núcleo aqui no centro. E também vemos estes três anéis concêntricos. Estes anéis, de acordo com um modelo anterior do átomo, representam diferentes níveis de energia para os eletrões habitarem. Então, digamos que temos um eletrão neste nível de energia, que é o nível de energia mais baixo, mas este eletrão é capaz de fazer a transição para um nível de energia mais alto dentro do átomo. Para que isso acontecesse, porém, seria necessária energia. E esta energia precisaria de vir de algum lugar fora do átomo.

Agora, aqui está algo interessante. Para que este eletrão faça a transição para um nível de energia mais alto, este precisa de absorver uma quantidade muito específica de energia para fazer isso acontecer. Digamos que o nosso eletrão fizesse a transição do seu nível de energia atual para este orbital mais externo do átomo. A energia que este eletrão precisaria de absorver para fazer isto acontecer, como dissemos, teria que vir de algum lugar externo ao átomo. Isso geralmente acontece quando o eletrão absorve um fotão que tem a quantidade certa de energia para o eletrão fazer esta transição.

Agora, vamos relembrar por um momento a equação para a energia de um fotão em termos do seu comprimento de onda. Podemos referir-nos à energia de um fotão como 𝐸 índice p, e é igual à constante de Planck ℎ vezes a velocidade da luz no vácuo, que é a velocidade do fotão, dividida pelo seu comprimento de onda 𝜆. Agora, aqui está a coisa. Um fotão individual pode ter qualquer manhã quantidade de energia dependendo do seu comprimento de onda. Mas, para que o nosso eletrão atómico faça a transição para um nível de energia mais alto, este precisa de uma quantidade muito precisa de energia. Se chamarmos a energia necessária para a transição específica de que estamos a falar Δ𝐸, então, em termos de energia do fotão, precisamos de ter um fotão com um comprimento de onda específico 𝜆, de modo que 𝑐 mais de 𝜆 vezes ℎ seja igual a esta quantidade de energia.

Então, de todos os comprimentos de onda possíveis de fotões que incidem neste átomo, poderíamos dizer que o eletrão seleciona apenas os fotões que têm o comprimento de onda certo para fornecer a quantidade certa de energia para permitir que o eletrão faça a transição para um nível de energia maior. Quando um fotão com o comprimento de onda correto e, portanto, a quantidade certa de energia surge, o eletrão absorve-o e salta para o estado de energia superior. Agora, esta palavra “absorve” é importante. O eletrão realmente absorve o fotão incidente para receber a sua energia. Isso significa, é claro, que aquele fotão agora desapareceu.

E se pensarmos neste fotão em termos de um determinado comprimento de onda de luz proveniente da nossa fonte, podemos esperar que este comprimento de onda específico seja absorvido pelo nosso gás de átomos e não chegará ao prisma e, em seguida, ao ecrã. E esta é a razão pela qual vemos essas faixas estreitas e escuras em nosso espectro. Esses comprimentos de onda correspondem a comprimentos de onda de luz que são absorvíveis, poderíamos dizer, pelo nosso gás frio de átomos. Ou seja, estes são comprimentos de onda de luz que permitem transições atómicas dentro do átomo. Agora, lembre-se de que fizemos questão de dizer que este gás é um gás frio. A razão pela qual especificamos que o gás é frio é porque um átomo frio é um átomo de energia relativamente baixa. Isso significa que quaisquer eletrões que tenha — digamos que este átomo em particular tenha dois eletrões — estarão nos seus estados de energia mais baixos possíveis.

Isso é importante porque são apenas os eletrões que têm um lugar para ir, ou seja, um nível de energia superior para habitar, que são capazes de absorver a radiação que entra para fazer esta transição. Imagine que, em vez de um átomo frio, tivéssemos um átomo muito quente, ou seja, de alta energia. Neste caso, os nossos eletrões já podem estar no nível de energia mais externo ou mais alto. E isso significaria que, independentemente do comprimento de onda da radiação que chega, os eletrões não poderiam absorvê-la. Não têm para onde ir. Então, para estudar como um determinado elemento atómico absorve radiação, é importante utilizar átomos de baixa energia deste elemento, ou seja, átomos frios. E é por isso que o nosso gás é um gás frio.

Então, este espetro que estamos a ver, que se parece principalmente com um espetro contínuo, exceto por estas poucas bandas escuras que vemos nele, é chamado espetro de absorção, e as bandas escuras são chamadas de linhas de absorção. Cada elemento atómico tem o seu próprio espetro de absorção específico. Estes espetros são criados da maneira que mostrámos aqui, fazendo passar a luz branca num gás frio dos átomos deste elemento específico e, em seguida, espalhando esta luz utilizando um prisma para que forme um espetro. Como o título da nossa aula nos diz, porém, um espetro de absorção não é o único tipo que podemos criar.

Imagine que pegamos neste gás de um elemento atómico específico e o aquecemos para que fique quente. E, em seguida, digamos que colocamos um prisma à frente deste gás quente. Acontece que este gás emitirá luz, que, quando espalhada pelo prisma e projetada num ecrã, cria o seu próprio espetro. Vemos, porém, que este espetro parece muito diferente do espetro de absorção que estávamos a olhar. Enquanto o espetro de absorção mostrava quase todos os comprimentos de onda da luz visível alternados por algumas bandas escuras a representar comprimentos de onda em falta, este espetro que vemos no topo do ecrã é o oposto. É principalmente escuro, com apenas algumas faixas da cor atual. Isto é conhecido como espetro de emissão. E os espetros de emissão em geral são reconhecíveis porque são na sua maioria pretos. Estes estão quase sempre ausentes de luz.

Então, assim como com o espetro de absorção em baixo, enfrentamos uma questão semelhante. Porque é que estes comprimentos de onda de luz estão presentes no nosso espetro de emissão, enquanto a grande maioria não? A razão para isto resume-se mais uma vez à estrutura particular do átomo com o qual estamos a trabalhar. Lembre-se de que especificamos que o gás que cria o nosso espetro de emissão é um gás quente. Um efeito de aquecer o gás é energizar os átomos nele, o que significa que os eletrões nestes átomos tenderão a estar em níveis de energia razoavelmente altos. Os eletrões destes níveis de energia mais elevados, quando se movem, tendem a mover-se de novo para o núcleo do átomo. Ou seja, estes têm mais probabilidade de perder energia e descer para um nível de energia mais baixo.

Quando isso acontece, a energia que um eletrão perde nesta transição é libertada. É emitido como um fotão, um pacote de luz. E aqui está algo interessante. O mesmo comprimento de onda do fotão que era necessário para energizar um eletrão para que este fizesse uma transição do estado de energia fundamental para este estado superior. Este é precisamente o comprimento de onda da luz emitida quando o eletrão faz esta transição em sentido oposto, de energia mais alta para energia mais baixa. Então, a razão para estas bandas coloridas no nosso espetro de emissão, ou seja, há comprimentos de onda de luz presentes nestas cores, é porque os eletrões nos átomos quentes do nosso gás estão a fazer a transição de volta para um nível de energia inferior e emitindo fotões no processo. São estes fotões emitidos e os seus comprimentos de onda específicos que estão a aparecer no nosso espetro.

Portanto, agora entendemos a razão destas bandas escuras no nosso espetro de absorção. Estes comprimentos de onda de luz são absorvidos pelo nosso gás. E da mesma forma, sabemos a razão destas faixas coloridas, conhecidas como linhas de emissão, presentes no nosso espetro de emissão. Estes são os comprimentos de onda da luz emitida pelo nosso gás quente do mesmo elemento. Uma vez que o espetro de absorção e de emissão que estamos a ver agora corresponde ao mesmo elemento particular, vemos que estas bandas aparecem no mesmo comprimento de onda para cada espetro. Esta é uma forte pista de que os espetros de absorção e emissão que estamos a olhar correspondem ao mesmo elemento.

Agora, mencionámos anteriormente que a localização particular destas bandas num espetro de emissão ou de absorção nos diz qual foi o elemento que criou estes espetros. Ou seja, os comprimentos de onda específicos em que estas bandas acontecem são exclusivos do elemento que as criou. Os investigadores são realmente capazes de olhar para um espetro específico e trabalhar para descobrir que elemento ou elementos ajudaram a criá-lo. Neste caso, a propósito, é o elemento hélio que é representado por este espetro de emissão e absorção. Agora, há outra coisa importante a notar-se sobre estes dois espetros. É um pouco difícil de ver, no entanto, com estes espetros do tamanho que estão no ecrã. Então, vamos expandir o nosso espetro de absorção para ver isto mais claramente.

Ok, isto é um pouco melhor. Vamos dar uma olhadela, digamos, nesta linha de absorção comparada a, digamos, esta aqui. Estas duas linhas parecem diferentes. O da esquerda parece mais largo do que o da direita. Podemos dizer que esta banda de absorção é mais larga do que esta. Acontece que esta não é apenas uma impressão que estamos a ter. Realmente há uma diferença na espessura das diferentes linhas espetrais. Na verdade, é tão normal que a espessura desta linha varie que é comum falar em algo chamado largura da linha espetral. Quanto maior a espessura de uma linha espetral como esta aqui, com uma espessura relativamente grande, maior será a largura. Mas isso apenas levanta a questão do que torna uma linha espetral particular mais larga ou mais estreita? Por outras palavras, o que leva à diferença entre esta linha espetral relativamente ampla aqui e esta relativamente estreita?

Acontece que há uma série de influências que podem levar ao que é chamado alargamento da linha. Quando uma linha espetral é alargada, isso significa apenas que a sua largura está a aumentar. O alargamento da linha pode acontecer quando os átomos do gás que ajudou a criar o espetro estão aquecidos ou sob pressão. E também, um dos maiores impactos na largura da linha espetral vem, mais uma vez, do movimento dos eletrões dentro destes átomos. Quando um eletrão se move para um estado excitado, como este eletrão aqui, à medida que se move para o nível de energia mais alto, o período de tempo que um eletrão passa lá antes de cair para um nível de energia mais baixo tem um impacto direto na largura do espetro linha que é produzida. Quanto mais tempo os eletrões permanecem neste estado de alta energia antes de cair de volta, mais estreita será a linha espetral que produz.

E, em seguida, o inverso também é verdadeiro. Se o eletrão ficar apenas um pouco de tempo neste estado de alta energia antes de voltar para baixo, a linha espetral que produz será relativamente alargada ou larga. Utilizando o espetro de emissão ou de absorção de um elemento, é até possível medir a largura, digamos em unidades de nanómetros, de uma determinada linha espectral. Esta largura corresponde à faixa de comprimentos de onda expressos em nanómetros que são absorvidos ou emitidos. Agora que aprendemos um pouco sobre os espetros de emissão e de absorção, vamos praticar com estas ideias por meio de um exemplo.

Uma cientista tem uma amostra de um gás desconhecido. Para identificar o gás, ela examina o espetro de luz visível emitida quando é aquecido. Isto está apresentado na figura. Também são apresentados na figura os espetros de emissão de três elementos gasosos puros. Qual dos três elementos é o gás desconhecido?

Ok, dando uma olhadela na nossa figura, vemos uma série de espetros de emissão. O de cima é o espetro de um gás desconhecido que queremos identificar. Então, em baixo disto, vemos os espetros de emissão de hidrogénio, hélio e oxigénio, respetivamente. A nossa questão é: qual destes três elementos é o gás desconhecido? Agora, a primeira coisa que podemos perceber é que o nosso gás desconhecido é uma amostra pura. Não é uma mistura de alguns outros elementos. Por outras palavras, é totalmente hidrogénio ou totalmente hélio ou totalmente oxigénio. Sabendo disso, o que queremos determinar é uma correspondência entre o espetro do nosso gás desconhecido e o espetro de um destes outros gases. E aqui está como podemos identificar uma correspondência.

Olhando para o nosso espetro de gás desconhecido, podemos ver os comprimentos de onda específicos correspondentes às linhas de emissão deste gás desconhecido. Então, por exemplo, esta linha de emissão do nosso gás desconhecido está em cerca de 422 nanómetros, enquanto esta está em cerca de 437 nanómetros e assim por diante para estas outras linhas de emissão no nosso espetro. Queremos descobrir quais destes três outros gases, hidrogénio, hélio ou oxigénio, têm linhas de emissão nos mesmos comprimentos de onda da nossa amostra desconhecida. Podemos prosseguir e fazer esta comparação a olho nu.

Vamos começar com esta linha de emissão aqui em cerca de 422 nanómetros. Olhando para o nosso espetro de hidrogénio, não vemos uma característica no ou perto deste comprimento de onda. Isso diz-nos que os dois espetros de emissão não correspondem. E o mesmo acontece com o gás desconhecido não pode ser hidrogénio. Em seguida, se considerarmos o hélio, vemos que este gás também não tem linha de emissão em torno de 422 nanómetros. Ou seja, se baixássemos este comprimento de onda da linha de emissão no nosso espectro de hélio, veríamos que o hélio não tem linha de emissão naquele comprimento de onda. Isso significa que o nosso gás desconhecido também não é composto de hélio.

Por último, olhamos para o oxigénio. Neste caso, observe que vemos uma linha de emissão correspondente neste comprimento de onda. Isto é um sinal encorajador. Vamos considerar outra linha de emissão em nosso gás desconhecido. Este aqui, em cerca de 437 nanómetros, vemos também corresponde a uma linha de emissão em oxigénio. E se continuarmos a olhar para as outras linhas de emissão, vemos que continua a haver correspondências entre estes dois espetros. E isto é verdade, podemos ver, à medida que descemos até o fim do espetro visível. Então, determinámos uma correspondência para o espetro do nosso gás desconhecido, e esta correspondência diz-nos que o gás desconhecido é o oxigénio.

Vamos resumir agora o que aprendemos sobre os espetros de emissão e absorção. Nesta aula, vimos que todos os elementos atómicos exibem espetros de emissão e de absorção únicos. Aprendemos que os espetros de emissão são principalmente escuros, onde as linhas de emissão são bandas de cores que representam comprimentos de onda de luz emitidos por um elemento particular. Enquanto os espetros de absorção tendem a mostrar as cores mais visíveis da luz, com algumas faixas escuras a representar as linhas de absorção.

Também vimos que os comprimentos de onda específicos, nos quais as linhas de emissão e de absorção ocorrem, têm a ver com os níveis de energia dos átomos que criam os respetivos espetros de emissão e de absorção. E, por último, aprendemos que a largura das linhas espetrais varia dependendo de quanto tempo os eletrões permanecem em estados excitados, entre outros fatores. isto é um resumo dos espetros de emissão e de absorção.

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