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8: Estrutura atômica

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    Neste capítulo, usamos a mecânica quântica para estudar a estrutura e as propriedades dos átomos. Este estudo apresenta ideias e conceitos que são necessários para entender sistemas mais complexos, como moléculas, cristais e metais. À medida que aprofundamos nossa compreensão dos átomos, nos baseamos em coisas que já conhecemos, como o modelo nuclear do átomo de Rutherford, o modelo do átomo de hidrogênio de Bohr e a hipótese de onda de Broglie.

    • 8.1: Prelúdio da estrutura atômica
      NGC1763 é uma nebulosa de emissão na pequena galáxia conhecida como Grande Nuvem de Magalhães, que é um satélite da Via Láctea. A luz ultravioleta de estrelas quentes ioniza os átomos de hidrogênio na nebulosa. À medida que prótons e elétrons se recombinam, radiação de diferentes frequências é emitida. Os detalhes desse processo podem ser previstos corretamente pela mecânica quântica e são examinados neste capítulo.
    • 8.2: O átomo de hidrogênio
      Em contraste com o modelo de Bohr do átomo de hidrogênio, o elétron não se move ao redor do núcleo do próton em um caminho bem definido. De fato, o princípio da incerteza torna impossível saber como o elétron vai de um lugar para outro. Um átomo de hidrogênio pode ser descrito em termos de sua função de onda, densidade de probabilidade, energia total e momento angular orbital. Os números quânticos de um átomo de hidrogênio podem ser usados para calcular informações importantes sobre o átomo.
    • 8.3: Momento de dipolo magnético orbital do elétron
      Um átomo de hidrogênio tem propriedades magnéticas porque o movimento do elétron atua como um circuito de corrente. Os níveis de energia de um átomo de hidrogênio associado ao momento angular orbital são divididos por um campo magnético externo porque o momento magnético angular orbital interage com o campo. A energia potencial do átomo de hidrogênio associada a essa interação magnética é dada por\(U = -\vec{\mu} \cdot \vec{B}\).
    • 8.4: Spin de elétrons
      O momento angular de spin quantum de um elétron é = +½. O número quântico da projeção do momento angular de spin é ms =+½ ou−½ (gire para cima ou para baixo). A energia do sistema elétron-próton é diferente dependendo se os momentos estão ou não alinhados. As transições entre esses estados (transições spin-flip) resultam na emissão de um fóton.
    • 8.5: O Princípio de Exclusão e a Tabela Periódica
      A estrutura e as propriedades químicas dos átomos são explicadas em parte pelo princípio de exclusão de Pauli: dois elétrons em um átomo não podem ter os mesmos valores para todos os quatro números quânticos (n, l, m, ms). Esse princípio está relacionado a duas propriedades dos elétrons: Todos os elétrons são idênticos e têm spin meio integral (s = 1/2).
    • 8.6: Espectros atômicos e raios-X
      A radiação é absorvida e emitida por transições de nível de energia atômica. Os números quânticos podem ser usados para estimar a energia, a frequência e o comprimento de onda dos fótons produzidos pelas transições atômicas. Os fótons de raios-X são produzidos quando uma vaga em uma camada interna de um átomo é preenchida por um elétron da camada externa do átomo. A frequência da radiação de raios-X está relacionada ao número atômico Z de um átomo.
    • 8.7: Lasers
      Um laser é um dispositivo que emite luz coerente e monocromática. A luz laser é produzida pela inversão populacional e subsequente desexcitação de elétrons em um material (sólido, líquido ou gasoso). Quando um fóton de energia aciona um elétron em estado metaestável para cair em energia emitindo um fóton adicional, ele provoca emissão estimulada.
    • 8.A: Estrutura atômica (respostas)
    • 8.E: Estrutura atômica (exercícios)
    • 8.S: Estrutura atômica (resumo)

    Miniatura: o acoplamento spin-órbita é a interação do momento magnético de spin de um elétron\(\vec{\mu}_s\) com seu momento magnético orbital\(\vec{\mu}_l\).