Objetivos da aula

·         Apresentar fenômenos que podem ser qualitativamente explicados pelo modelo atômico de Bohr.

·         Utilizar a equação de Planck para estabelecer uma relação entre a cor de um feixe de luz e a quantidade de energia de cada fóton que constitui esse feixe.

Compreender o fenômeno da fosforescência.

Não há, por se tratar de uma aula introdutória ao tema.

Materiais:

• placa de madeira pintada com tinta fosforescente
• sala escura
• Datashow ligado a um computador
• Suporte para duas pilhas AA de 1,5 Volts contendo essas pilhas.
• Resistor de 56 Ω
• LEDs nas cores vermelha, laranja, amarela, verde e azul

Estratégias e recursos da aula

1ª Atividade – Leitura do texto de introdução que apresenta a estrutura da aula, os objetivos das atividades e os conceitos a serem utilizados

A fosforescência é um fenômeno interessante e bastante comum. Apesar disso, as pessoas sabem muito pouco ou quase nada a seu respeito, pois, para compreendê-lo, nós precisamos conhecer alguns dos aspectos básicos dos modelos microscópicos de constituição dos materiais que a Física e a Química desenvolveram ao longo da história. Nas três atividades propostas nesta aula, nós iremos explicar a fosforescência com o auxílio de um modelo atômico simplificado que é conhecido como Modelo de Bohr. Uma compreensão mais sofisticada do fenômeno da fosforescência exige modelos mais atuais e complexos que, todavia, não serão apresentados ou discutidos.

1ª Atividade –A fosforescência em uma placa fosforescente

Vamos realizar uma atividade introdutória para observar alguns efeitos interessantes do fenômeno da fosforescência. Para realizar esta primeira atividade, vamos usar uma placa de madeira previamente pintada com tinta fosforescente. Orientações para a confecção desta placa podem ser obtidas no link http://pontociencia.org.br/experimentos-interna.php?experimento=84&A+PLACA+MISTERIOSA#top.

1.1.Em uma sala de aula ou laboratório que possa ficar bastante escura vamos, inicialmente, expor a placa à luz emitida pelas lâmpadas usadas na iluminação do ambiente. Em seguida, vamos apagar as lâmpadas e observar a aparência da placa fosforescente. De onde vem a energia responsável pelo brilho que a placa exibe no ambiente escuro?

1.2.Vamos apresentar uma resposta provisória para a questão anterior: a luz emitida pela placa no ambiente escuro teria sido absorvida da luz emitida pelas lâmpadas que, inicialmente, estavam acesas; essa luz teria sido de algum modo armazenada na placa para, posteriormente, ser emitida no ambiente escuro. Para testar essa hipótese vamos fazer o seguinte: (i) deixar a placa brilhar no escuro até que seu brilho diminua significativamente; (ii) colocar uma mão e parte de um antebraço sobre a placa, de modo a impedir que uma determinada região da mesma receba luz quando as lâmpadas forem novamente ligadas; (iii) acender as lâmpadas permitindo que as regiões não cobertas da superfície da placa recebem luz proveniente das lâmpadas; (iv) apagar a luz para tornar o ambiente novamente escuro para, em seguida, retirar a mão e o antebraço de cima da placa e observar o que acontece nessas circunstâncias. Você diria que as observações realizadas confirmam ou refutam a hipótese que apresentamos acima? Explique.

2ª Atividade – Um modelo para a fosforescência

Nesta segunda atividade, utilizaremos um Datashow ligado a um computador para projetar uma animação do modelo de Bohr disponível no link http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/17906. Essa animação mostra um átomo de hidrogênio constituído por um núcleo vermelho (que simboliza um próton) e por um elétron azul que circular ao redor do núcleo podendo ocupar somente regiões muito específicas delimitadas por linhas circulares pontilhadas que têm o núcleo como centro e que representam os níveis de energia permitidos para o elétron. Apenas as linhas circulares identificadas com as “camadas do átomo de hidrogênio” podem ser ocupadas pelo elétron. O modelo de Bohr proíbe a existência do elétron em qualquer outra região diferente das camadas representadas pelas linhas circulares.

Assim que a animação é iniciada observa-se o elétron circulando na camada mais interna ou mais próxima ao núcleo. Logo em seguida, uma bolinha amarela, que representa um “pacotinho de energia” que é conhecido como fóton de luz. O fóton atinge o elétron que, então, desaparece da camada ou do nível de energia identificado pelo índice n = 1 e reaparece na camada ou no nível de energia identificado pelo índice n = 2. O “salto” dado pelo elétron nessa transição aparece sinalizado na animação por uma linha radial vermelha que identifica a separação entre os dois níveis de energia inicial e final.

Vamos dar uma pausa na descrição das imagens apresentadas na animação para falar do conceito de fóton de luz. De acordo com as ciências, a luz é um fenômeno de propagação ou radiação de energia que, ora exibe características corpusculares, ora exibe características ondulatórias. Do ponto de vista corpuscular, as diferentes cores visíveis aos olhos humanos se diferenciam em função da quantidade de energia associada a cada corpúsculo ou partícula de uma determinada cor. O nome fóton é utilizado, justamente, para identificar as partículas ou os corpúsculos de luz, que nada mais são do que “pacotinhos de energia”. Do ponto de vista ondulatório, as cores se diferenciam em função do comprimento de onda ou da frequência das vibrações associadas às ondas de luz. Nesse caso, cada cor está associada a uma onda com comprimento ou frequência diferente.

Apesar de parecer uma ideia desafiadora, essa “dupla identidade” da luz como onda ou como partícula segue uma regra básica: (i) quando se propaga, de um ponto a outro do espaço, a luz sempre se comporta como onda; (ii) quando é absorvida ou emitida pelos átomos que compõem os materiais, a luz sempre se comporta como partícula, isto é, como um fóton.

Dadas essas informações fundamentais, voltemos à descrição da animação que estamos a analisar. Na animação, vemos que o elétron que “salta” do nível de energia n= 1 para o nível n = 2 não permanece nesse último nível por muito tempo. Vemos, também, que quando o elétron volta ao estado de energia mais baixo ele emite um fóton de luz, igual àquele que ele absorveu. Usando os conceitos introduzidos pelo Modelo de Bohr que estamos a apresentar dizemos que, quando o elétron ocupa qualquer camada ou nível de energia mais distante do núcleo, o átomo de Hidrogênio está em um estado excitado, o que quer dizer que ele possui mais energia do que a quantidade de energia associada ao seu estado de equilíbrio estável (n=1).

Um recurso importante da animação é a possibilidade de aumentar a energia transmitida ao elétron pelo fóton de luz que incide sobre ele. No lado inferior direito da janela aberta pela animação podemos alterar os 10,2 elétrons-volt (eV) iniciais associados aos fótons que incidem no elétron logo quando acionamos a animação para valores maiores de energia (12,1 ou 12,8 ou 13,1 ou 13,2 elétrons-volt). Um elétron-volt é uma quantidade bem pequena de energia e corresponde à apenas 1,6 × 10^-19 joules.

2.1.Experimente alterar a energia do fóton incidente deixando-a em 12,1 eV para, então, observar o que ocorre com o átomo de Hidrogênio durante e após a interação com o fóton incidente. Observe a animação durante algum tempo e note que, desta vez, o retorno do elétron ao estado de menor energia exibe duas possibilidades distintas, em termos do número de fótons emitidos durante o retorno e da cor das linhas radiais associadas à emissão desses fótons. Note que o salto entre níveis de energia mais próximos correspondem a uma linha radial vermelha. Infelizmente, por uma limitação grave da simulação, as bolinhas que representam os fótons não mudam de cor quando o fóton exibe maior ou menor energia. A diferença de energia dos fótons é, então, indicada, apenas, por meio da cor das linhas radiais que marcam a transição do elétron entre dois níveis de energia, quer seja quando o átomo é excitado (isto é, quando o elétron absorve um fóton incidente) ou quando o átomo retorna à configuração de menor energia (isto é, quando o elétron retorna ao nível n=1).

Vamos dar uma pausa na exploração da animação para falar do significado, em termos físicos, das cores das linhas radiais associadas aos saltos dados pelo elétron que retorna ao estado de menor energia. Como foi dito, anteriormente, quando a luz se comporta como partículas ou “pacotinhos de energia”, cores diferentes estarão associadas a diferentes quantidades de energia em cada fóton ou “pacotinho”. No ano de 1900, Max Planck propus uma equação que, em 1905, viria a ser interpretada por Albert Einstein como um modo de relacionar os comportamentos corpuscular e ondulatório da luz. Desde esse ponto de visa, na equação E= h x f, a letra E representa a energia de cada fóton que compõe um determinado feixe de luz, quando esse feixe é produzido ou absorvido por átomos, enquanto a letra frepresenta a frequência da onda que permite a propagação desse mesmo feixe, quando ele se desloca de um ponto a outro do espaço, após ter sido produzido por átomos e antes de ser, novamente, absorvido. Na mesma equação, hé um número de valor fixo que é conhecido na Física como constante de Planck. Para interpretar corretamente essa equação de modo a associar a frequência de feixes luminosos com diferentes cores com a energia dos fótons associados a esses mesmos feixes, nós precisamos conhecer a faixa de frequências que os olhos humanos percebem como as cores correspondentes ao espectro do arco-íris. No extremo inferior dessa faixa temos a cor vermelha cuja menor frequência perceptível é igual a 4,6.10¹⁴ Hz (ou 460 trilhões de oscilações por segundo). No extremo superior temos a cor violeta cuja maior frequência perceptível é igual a 6,7.10¹⁴ Hz (ou 670 trilhões de oscilações por segundo).

2.2.Considerando as informações e conceitos anteriores, modifique, novamente, a energia do fóton que incide sobre o elétron do átomo de Hidrogênio representado pela animação. Aumente essa energia, progressivamente, para 12,8 ou 13,1 ou 13,2 elétrons-volt. Para cada novo valor de energia, registre, no caderno, as diferentes possibilidades de retorno do elétron ao estado de menor energia, em termos do número de fótons emitidos nesse retorno e cor das linhas radiais associadas à energia dos fótons produzidos nesse processo. Tome cuidado, pois, quanto maior for a energia do fóton incidente maior será o número de possibilidades da re-emissão da energia absorvida inicialmente pelo átomo.

Agora que já exploramos as principais características da animação que, por sua vez, representam as ideias centrais do Modelo de Bohr para o átomo de Hidrogênio, o desafio é utilizar esse modelo para tentar compreender o fenômeno da fosforescência observado na Atividade 1. Note que a placa fosforescente usada naquela atividade não é constituída por átomos de Hidrogênio. Por isso, o uso do Modelo de Bohr para explicar a fosforescência é um recurso qualitativo: não poderíamos fazer previsões matemáticas sobre características detalhadas da fosforescência por meio do modelo em questão. Para usar o modelo na explicação da fosforescência imagine que os átomos de um material fosforescente são capazes de permanecerem excitados durante um tempo considerável antes de reemitir na forma de fótons de luz a energia que receberam da luz que incidiu, originalmente, sobre o material.

3ª Atividade – Há uma relação entre a cor e a energia dos fótons?

A atividade que faremos agora foi proposta, originalmente, sob o nome de Com que luz eu vou?, no livro Quântica para iniciantes: investigações e projetos, escrito por Paula, H. F.; Alves, E. G.; Mateus, A. L. e publicado pela Editora UFMG, em 2011.

A animação que nós exploramos na 2ª Atividade (Um modelo para a fosforescência) estabelece uma relação entre a cor de um feixe de luz e a quantidade de energia de cada fóton que constitui esse feixe. Se essa relação estiver correta, podemos esperar que fótons de luz azul, por exemplo, tenham mais energia do que fótons de luz vermelha. Vamos avaliar se esse é realmente o caso, por meio de um experimento no qual utilizaremos a luz produzida por LEDs nas cores vermelha, laranja, amarela, verde e azul. A fonte de energia para esses LEDs é uma associação em série de duas pilhas de 1,5 Volts. Apenas o LED azul pode ser submetido, diretamente, a essa associação de pilhas, com total tensão igual a 3,0 Volts. Os demais LEDs precisam ser ligados em série com um resistor de 56 Ωpara receberem essa tensão.

Em uma sala escura ligaremos os LEDs acima mencionados e os aproximaremos da placa fosforescente usada na 1ª Atividade: (i) a luz de qualquer cor permite excitar os átomos que compõem a superfície da placa? (ii) a relação entre a cor de um feixe de luz e a quantidade de energia de cada fóton que constitui esse feixe, mencionada na 2ª Atividade, parece ser confirmada ou desafiada pelo comportamento exibido pela placa, iluminada pelos LEDs?

Sugestões de links

1.       Portal público criado para difundir o uso de atividades práticas na educação em ciências e para promover a divulgação científica. http://pontociencia.org.br/

2.       Site criado pelo autor desta aula para permitir o acesso de seus estudantes a materiais criados para dar suporte ao ensino e à aprendizagem da Física. https://sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/

3.      Brincando com nitrogênio líquido: esfriando a fosforescência: parte 1 http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/18362

4.      Brincando com nitrogênio líquido: esfriando a fosforescência: parte 2: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/18783

5.      A placa misteriosa: parte 1: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/19897

6.      A placa misteriosa: parte 2: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/19895

7.      É Tempo de Química! - Reações com Emissão de Luz: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/18465

Reações fotoquímicas – Fotoluminescência, fluorescência e fosforescência: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/18454

A avaliação deve ser consistente com o que propõem os objetivos de aprendizagem descritos no item “O que o aluno poderá aprender com esta aula”. Alguns exercícios de lápis e papel similares aos que apresentamos a seguir podem ser usados tanto para transferir a responsabilidade aos estudantes pelo uso dos conhecimentos construídos ao longo da aula, quanto para identificar eventuais dificuldades de compreensão dos conceitos e relações que estruturam a atividade.

Questões:

Questão 1

De onde vem a energia que permite a uma placa fosforescente brilhar no escuro?

Questão 2

A Física acredita que a luz apresenta uma natureza dual, comportando-se como “pacotes de energia”, quando é absorvida por um gás constituído por átomos isolados, e como onda, quando se propaga de um ponto a outro do espaço. Considerando esse comportamento e sabendo que a frequência de uma luz de cor azul é superior à frequência de uma luz de cor vermelha, qual seria a diferença entre os fótons associados à cor azul e os fótons associados à cor vermelha?

Questão 3

Os fótons de todas as cores que compõem a luz branca têm energia suficiente para excitar a placa fosforescente usada na 1ª Atividade desta aula?

Questão 4

Considere os elétrons que se encontram nas camadas mais internas ou externas de um átomo. Qual deles possui a maior energia potencial em relação aos núcleos atômicos?

Questão 5

Umátomo podeser excitadomaisdeumavez? O átomo não “se desgasta” durante os processos de absorção e liberação de energia?Explique.

Questão 6

A diferença de energia entre níveis energéticos de um átomo e a energia do fóton emitido durante uma transição entre esses níveis estão relacionados? Explique.

Questão 7

Qual possui maior energia por fóton, a luz vermelha ou a luz azul?