A física e a química quântica são duas áreas da ciência moderna que estudam o comportamento da luz, considerando que um feixe luminoso é composto por minúsculas partículas. Cada uma dessas pequenas porções possuem um conteúdo energético, que é estudado a partir da quantização de energia.
Neste artigo, entenda aspectos básicos da quantização de energia, como esses conceitos se relacionam com o modelo atômico proposto por Rutherford-Bohr, além de entender como é aplicado no cotidiano da sociedade atual. Por fim, veja como esse tema pode ser cobrado nos vestibulares nacionais, com uma questão resolvida por especialistas do Estratégia Vestibulares.
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O que é quantização de energia?
Física moderna e quantização de energia
A física clássica é a ciência que estuda as transformações que ocorrem em nível macroscópico, como a movimentação dos corpos, flutuação de objetos em fluidos, reflexão e refração dos raios luminosos, entre outros fenômenos físicos da natureza.
Em dado momento da história, a partir do século XIX, aumentou-se, então, a curiosidade sobre os eventos que ocorrem em ambientes não visíveis a olhos nu, e assim surgiu a física e a química modernas. Um dos temas explorados é o comportamento da luz em ambientes microscópicos, especialmente em um ramo da ciência moderna que é a física quântica.
Conceito de quantização de energia
A quantização de energia, então, é um processo que só pode ser contemplado a nível microscópico. Nesse caso, os feixes luminosos são estudados como um conjunto de pequenas partículas que estão sempre em movimento e que permitem uma interação da luz com os átomos da matéria.
Diferentemente dos modelos da óptica geométrica, aqui, a luz não é estudada apenas como uma onda eletromagnética, que possui velocidade de propagação, comprimento de onda e frequência. Mas também como um grupo de partículas que podem interagir com outras partículas e com os átomos.
Nesse contexto, cada fóton que constitui um raio luminoso possui uma energia agregada em si, que se movimenta constantemente. Quando a luz está em interação com um átomo, é possível que os fótons transitem dentro da órbita eletrônica e, assim, permitam a transferência de energia.
Constante de Planck
A energia liberada ou absorvida pelo átomo pode ter um valor atribuído, como a energia de cada fóton. Por meio de estudos e experimentos, um físico alemão chamado Max Planck concluiu que existe um valor constante atribuído aos fótons (h) e que é multiplicado conforme a frequência do raio luminoso (f), o resultado dessa multiplicação é a energia (E) atribuída a um fóton específico, como demonstra a fórmula abaixo.
E = h.f
E: energia do fóton
h: constante de Planck (h = 6,6 × 10-34 m2 kg / s)
f = frequência do raio luminoso
Modelo de Rutherford-Bohr e quantização de energia
O modelo atômico que permitiu compreender melhor a quantização de energia foi o criado por Rutherford-Bohr, mas especificamente as contribuições de Niels Bohr se relacionam muito com a transmissão de pacotes de energias em fótons.
Nessa estrutura atômica, os elétrons transitam em órbitas eletrônicas que possuem um valor específico, então, à medida que pequenos pacotes de energia transitam entre uma trajetória orbitária e outra, há liberação de energia.
Observe na imagem acima que, quanto mais afastada do centro nuclear, maior a energia presente nas órbitas eletrônicas. Note, ainda, que a emissão de um fóton é dada pela mudança de um anel para outro, de forma que a energia liberada é resultado da diferença de capacidade eletrônica de cada órbita.
Aplicações da quantização de energia no cotidiano
Uma das aplicações mais importantes da quantização de energia está no efeito fotoelétrico desenvolvido por Albert Einstein no século passado. Nesse processo físico e químico, a emissão de raios luminosos sobre um metal, em frequências específicas, permite a emissão de elétrons e geração de energia.
Com essa movimentação dos fótons e elétrons, a energia gerada pode ser armazenada para utilização futura. Uma das aplicações mais famosas são as placas de captação da energia solar, que permitem o aquecimento de chuveiros e a transmissão de energia elétrica em diversos locais do mundo, inclusive em países tropicais com grande incidência solar, como o Brasil.
Questão de vestibular sobre quantização de energia
Fuvest – Segunda Fase (2022)
O laser consiste em uma fonte de luz coerente e monocromática, sendo largamente utilizado em leitores de códigos de barras e também em aplicações na física, na medicina e em outras áreas. Seu princípio de funcionamento é baseado na emissão estimulada de fótons. Em um tipo comum de laser, uma quantidade de átomos é excitada para um estado de energia E₂. Em seguida, alguns desses átomos são estimulados a decair para um estado de energia menor E₁, emitindo um fóton com energia dada pela diferença entre E₂ e E₁. De modo similar, esse decaimento estimula outros átomos a emitir fótons formando um processo em cadeia com geração de luz.
Note e adote:
A energia E de um fóton relaciona-se com sua frequência f por meio da relação E = hf, onde h = 4 × 10⁻¹⁵ eV.s e a frequência é dada em Hz.
Velocidade da luz no vácuo: c = 3 × 10⁸ m/s.
Legenda para daltônicos: Gráfico do espectro visível com cores em função do comprimento de onda, que se inicia no azul (lado esquerdo a 400 nm), passando pelo verde (500 nm), amarelo (550 nm), laranja (600 nm) e terminando no vermelho (lado direito a 700 nm).
A) Qual tipo de laser emite fótons com maior energia: o de luz vermelha ou o de luz azul? Justifique sua resposta.
Resposta correta possível: Do enunciado, temos que a energia de um fóton é dada por:
E= h⋅f= (h⋅v)/λ
Como o comprimento de onda e a energia do fóton são grandezas inversamente proporcionais, quanto menor for o λ, maior será a E. Dessa forma, o fóton com maior energia será o que apresenta o menor comprimento de onda. Então, o laser que emite fótons com maior energia é o de luz azul.
B) Determincement-d0673e35-078a-4100-bd59-4de80589b8e8″ class=”textannotation”>e a frequência (em Hz) de um fóton com comprimento de onda na região de cor laranja mostrada na figura.
Resposta correta possível: Dos conhecimentos de ondulatória, temos que:
v = λ.ƒ
3.108 = 600 . 10-9 . ƒ
ƒ = 5 . 1014 Hz
C) Determine o comprimento de onda de um fóton (em nm) considerando um laser cujas energias E₂ e E₁ correspondem aproximadamente a 20,2 eV e 18,7 eV, respectivamente.
Resposta correta possível: Do enunciado, temos que a energia de um fóton é dada por
E= h⋅f= (h⋅v)/λ
Como o laser é gerado pela diferença entre duas energias E2 e E1, então é possível construir o cálculo em que
E2 – E1 = (h⋅v)/λ
Como trata-se da velocidade da luz, pode-se substituir v = c = 3.108 m/s
E2 – E1 = (h⋅c)/λ
Com a substituição dos valores, tem-se que
20,2 – 18,7 = (4.10-15⋅3.108)/λ
20,2 – 18,7 = (4.10-15⋅3.108)/λ
1,5 = (12.10-7)/λ
1,5.λ = 12.10-7
λ = 12.10-7/1,5
λ = 12.10-7/1,5
λ = 8.10-7
Para converter o valor encontrado em ordens de grandeza comuns da física, é possível manipulá-lo assim:
λ = 800.10-9 , garantindo que 10-9 é nano (ท), a resposta seria 800 ทm.
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