ICTP-SAIFR O que é um elétron?

O que é um elétron?

Parte 1 - Experimentos com elétron

Um tubo de raios catódicos é um tubo de vácuo onde raios catódicos viajam do cátodo de uma ponta para o ânodo da outra. Hoje, sabemos que esses raios catódicos são feixes de elétrons.

​Experimento 1

Hotspot

O diagrama abaixo mostra duas placas paralelas com cargas opostas em um tubo de raios catódicos. As placas são usadas para produzir um campo elétrico.

Preveja o que irá acontecer com os elétrons que passarem através desse campo elétrico. Onde os elétrons serão vistos na tela?

Open Ended

Depois de conduzir um experimento semelhante, J. J. Thomson deduziu que o elétron era uma partícula de carga negativa. Baseado no que você viu, por que ele concluiu isso?

George Pajet Thomson (filho de J. J. Thomson), Clinton Davisson e Lester Germer conduziram experimentos usando um dispositivo semelhante a um raio de tubos catódicos. Os elétrons eram direcionados para um material onde o espaço entre os átomos funcionava como buracos pequenos (muito maiores que os elétrons). Para simplificar, vamos tratar este material como um buraco único.

​Experimento 2

Multiple Choice

No diagrama abaixo, um pequeno buraco é mostrado no caminho dos elétrons. Preveja o que você irá ver na tela se os elétrons passarem através deste buraco.

• A

• B

• C

• D

Open Ended

Quais das observações apresentadas no vídeo não podem ser explicadas usando o modelo de partícula do elétron?

Open Ended

Qual é outro tipo de modelo que você poderia usar para explicar as observações identificadas?

O que é um elétron?

Parte 2 - Relação de de Broglie

No experimento 2 você viu que elétrons produzem um padrão de anéis quando atravessam um buraco pequeno. Este dispositivo é chamado de tubo de difração de elétrons por conta deste padrão, que é semelhante aos padrões de difração e interferência observados quando a luz atravessa um buraco ou uma fenda. Nesta parte, você irá comparar o comportamento dos elétrons com o comportamento da luz.

Multiple Choice

No Experimento 2, a tela fluorescente acendeu, criando o padrão observado aqui. A fluorescência foi causada por diversos elétrons. Os anéis brilhantes são os lugares onde o número de detecção dos elétrons é alto. Considerando apenas a região estreita representada pelo retângulo, qual alternativa melhor representa qualitativamente o número de detecção de elétrons à medida que você se move da esquerda para a direita no retângulo.

Multiple Choice

Quando você aponta a luz de um laser através de uma fenda pequena, a luz cria o padrão mostrado aqui. Qual alternativa contém um gráfico da intensidade (claridade) da luz da esquerda para a direita

Compare o gráfico que você indicou para os elétrons com o gráfico que você indicou para a luz.

Hotspot

A imagem mostra o padrão criado por dois feixes de laser com comprimentos de onda diferentes atravessando uma fenda do mesmo tamanho. Identifique qual laser possui fótons com comprimento de onda menores e maior energia. Expresse sua resposta clicando nas palavras “mais curto” ou “mais longo” e “maior” ou “menor” para cada padrão.

Match

Relacione cada padrão a seguir com o gráfico que corresponde a intensidade da luz como uma função da posição.

Vermelho

Verde

Azul

• Vermelho

• Verde

• Azul

Multiple Choice

O espaçamento entre as bandas de luz para o laser vermelho é _______ espaçamento entre as bandas de luz para o laser verde.

• maior que o

• menor que o

• igual ao

Neste experimento você irá observar novamente o padrão produzido pelo tubo de difração de elétrons enquanto a voltagem de aceleração aumenta.

​Experimento 3

Multiple Choice

Preveja o que irá acontecer se os elétrons forem acelerados a uma velocidade maior e, portanto, possuam um momento e uma energia cinética maiores. O que acontecerá com o espaçamento entre os anéis?

• O espaçamento entre os anéis irá diminuir

• O espaçamento entre os anéis irá aumentar

• O espaçamento entre os anéis irá se manter

Match

Relacione cada gráfico (que representa o número de elétrons detectados à medida que nos movemos da esquerda pra direita no retângulo da figura) com as diferentes voltagens de aceleração.

Maior voltagem de aceleração

Voltagem de aceleração média

Menor voltagem de aceleração

• Maior voltagem de aceleração

• Voltagem de aceleração média

• Menor voltagem de aceleração

Open Ended

Louis de Broglie raciocinou que, se as ondas de luz pudessem ser compreendidas como fótons, então, talvez, elétrons poderiam ser entendidos como um tipo de onda, uma onda de matéria. Ele atribuiu um comprimento de onda, λ, ao elétron, com a relação λ = h/p, onde p é o momento do elétron e h é uma constante. Use essa relação para explicar as conclusões da questão anterior.

O elétron parece se comportar como uma partícula e como uma onda sem ser uma partícula ou uma onda! Essa é uma distinção importante. A natureza de um elétron não pode ser compreendida de forma clássica. Seu comportamento desafia os nossos modelos clássicos.

O que é um elétron?

Parte 3 - Funções e probabilidade

O modelo quântico do elétron usa a matemática das ondas para descrever o comportamento do elétron. Nesta parte, você irá explorar o que a matemática das ondas pode revelar sobre os elétrons

Multiple Choice

Imagine que você arremessa uma bola. Imagine a representação gráfica do trajeto da bola. Qual das funções matemáticas a seguir melhor descreve o trajeto da bola?

• $$y=A$$

• $$y=Ax$$

• $$y=Ax^2$$

Multiple Choice

Qual dos gráficos a seguir melhor representa a chance de ver um ônibus, baseado na distância do centro da cidade (i. e. nos subúrbios, periferias, zona rural)?

Open Ended

Cada um dos gráficos da questão anterior pode ser descrito por uma função matemática, assim como o trajeto da bola pode ser descrito por uma função. Explique, em palavras, o que essa função nos diria.

Multiple Choice

Ondas de som são ondas de compressão longitudinal. À medida que a onda passa, moléculas de ar são comprimidas em regiões de alta e baixa densidade. Examine o diagrama a seguir para uma onda de som no tempo t. Qual alternativa contém uma relação qualitativo da probabilidade de encontrar uma molécula de ar em cada posição, x, no tempo representado

Multiple Choice

O gráfico da questão anterior pode ser descrito por uma função. A função nos diria a probabilidade de detectar uma molécula de ar em uma determinada localização. A mecânica quântica usa funções chamadas funções de onda para descrever o comportamento dos elétrons. Funções de onda possuem um formato parecido com o de uma onda. A função de onda mostrada na figura pode representar a probabilidade de detectar um elétron em cada local?

• Sim

• Não

Open Ended

O gráfico da figura não pode representar a probabilidade de detectar um elétron em cada local. Qual problema você percebe?

Open Ended

A amplitude de uma onda é representada pela letra grega psi, ψ. A intensidade é dada pelo quadrado da amplitude, |ψ|². Como o quadrado da função de de onda pode resolver o problema?

Se a função de onda, ψ, está associada a um elétron, a probabilidade de detectar um elétron, ψ², em cada posição está representada no gráfico.

​Função de onda

Hotspot

Se você tentasse detectar um elétron, onde seria mais provável encontrá-lo? Marque a(s) região(ões) no gráfico.

Draw

Imagine colocar diversos elétrons sob um conjunto de condições semelhante ao da questão anterior e, em seguida, detectar cada um deles. Crie um esboço mostrando o número de elétrons que você detectaria em cada local, x.

Open Ended

Em um átomo, o elétron é geralmente descrito como sendo uma “nuvem de elétrons” ao redor do núcleo. Usando o átomo mais simples, o de hidrogênio, com seu único elétron, descreva o que você acha que essa “nuvem” representa.