A espectroscopia representa um meio
de investigar as perturbações causadas na matéria em função da interação com a
radiação eletromagnética. O aprimoramento dos meios e técnicas aliado ao
desenvolvimento do convencionalismo teórico da mecânica quântica no séc. XX,
possibilitou um avanço notável nas áreas da física e da química. Atualmente, a
física e a química moderna são subsidiadas pelo uso da espectroscopia na
identificação da estrutura da matéria e determinação de propriedades
físico-químicas de sistemas e processos de significativo interesse para a
ciência.
A
presente palestra tem como tema central a história do desenvolvimento da
espectroscopia e suas extraordinárias e imediatas consequências para a ciência,
em particular para entendermos a estrutura da matéria. No qual é abordado temas
que começaram a ser questionados a partir do século XIX, mais precisamente o
1885, quando não existiam os conceitos de elétron, estrutura atômica, transição
eletrônica, e sua trajetória até os dias atuais, apresentando o desenvolvimento
histórico e métodos teóricos, realçando a importância da análise teórica na
interpretação de informações experimentais.
Desde
a antiguidade sabia-se que a luz solar poderia ser composta nas cores do arco
íris, mas foi Newton que no século XVII, descreveu de forma adequada o fenômeno
da decomposição da luz por um prisma, assim como de sua recomposição por um
segundo prisma, ou seja, Se a luz branca visível for colimada a um feixe
estreito, passado por uma fenda e depois colidir com um prisma, ao passar por
esse prisma ele colide em um anteparo, a partir daí se observa um espectro
contínuo semelhante a um arco-íris. O conjunto das cores obtidas com o prisma é
conhecido como espectro, e varia do vermelho, numa das extremidades, ao
violeta, na outra extremidade. Este processo é conhecido como espectroscopia.
Além
das chamadas sete cores do arco-íris, o espectro solar também apresenta
radiações invisíveis ao olho humano. Mas como é que se pode comprovar essa
observação?
Em
química sabe-se que o cloreto de prata é um sólido branco que escurece por ação
da luz. Este é o principio da fotografia em preto e branco. O filme fotográfico
contém uma suspensão de um composto semelhante, o brometo de prata, que também
escurece ao ser atingido pela luz. Este fenômeno, que é comum aos dois sais,
não se atribui ao brometo ou ao cloreto, mas sim a prata, existentes em ambos
compostos químicos. A reação que promovida pela luz e pelo processo de
revelação, dando origem ao metal finamente dividido, que é preto.
No
ano de 1777 o químico sueco Carl Wihelm Scheele resolveu colocar amostras de
cloreto de prata em cada uma das diferentes regiões coloridas do espectro solar
obtido com um prisma. Scheele percebeu que o escurecimento do material se
processava mais intensamente quanto mais próximo da extremidade violeta. Isso
devia significar que a luz violeta era mais energética do espectro, pois era a
que mais acelerava a reação.
Em
1801, o alemão Johann Wilherm Ritter pôs uma amostra de sal de prata na região
escura além da violeta. No qual observou que a reação de redução da prata se
dava com mais facilidade ainda. O inglês Willian Hyde Wollaston fez nessa mesma
época, independentemente, a mesma descoberta. A conclusão que se pode tirar
desse experimento é que existe no espectro solar uma radiação de energia mais
alta que a luz violeta; a essa radiação, invisível a nossos olhos, chamou-se
ultra-violeta.
A
temperatura do corpo é uma medida de sua agitação térmica, isto é, das
vibrações de suas moléculas ou partículas. O astrônomo inglês William Herschel,
em 1800, colocou o bulbo de um termômetro em cada uma das regiões coloridas do
espectro solar. O resultado observado foi à temperatura do mercúrio que
aumentava por causa da incidência da luz, porém esse era mais rápido quanto
mais próximo da extremidade vermelha. Quando se testava com a região iluminada
depois do vermelho, Herschel descobriu que a temperatura subia ainda mais
rapidamente. A radiação invisível que provocava este fenômeno foi denominada de
infra-vermelho. Portanto estava assim demonstrado que a luz continha
componentes não detectados por nossos olhos, em adição à porção visível.
Com
isso podemos dizer que o ultra-violeta é uma radiação muito energética capaz de
promover reações químicas que envolvem transições eletrônicas, como a reação
citada abaixo:
No entanto, o infravermelho é uma radiação de baixa
energia, e esta coincide com a faixa de energia necessária para fazer vibrar,
ou seja, movimentar uns em relação aos outros, os átomos de uma substância sem
provocar uma reação.
Wollaston
descobriu também que quando se trabalha com um feixe de luz muito estreito
oriundo de uma fenda de 0,01 mm, e não de aberturas maiores, como fez Newton, o
espectro solar resultante apresentava-se sete linhas negras sobrepostas ás
cores brilhantes.
Foi
aí que Joseph Fraunhofer, um jovem construtor de instrumentos ópticos alemão,
quando usou inicialmente um prisma e depois grades de difração, constatou que o
espectro solar na realidade contém centenas de linhas negras sobre as cores.
Ele designou as linhas mais forte pelas letras do Alfabeto, começando de A até
I, e mapeou 574 linhas entre a linha B (no vermelho) e a linha H (no violeta).
Também ocorriam linhas nas regiões invisíveis do espectro. Com o passar do
tempo, verificou-se que o número de linhas era bem maior do que se esperava,
chegando a vários milhares.
Há
vários séculos já se sabia que muitos materiais também podem emitir luz quando
excitados. Este é o principio dos fogos de artifício: no qual para obter luz
verde usam-se sais de bário; para luz vermelha, sais de estrôncio; amarela,
sais de sódio e assim por diante. Fraunhofer observou que ao se passar por um
prisma a luz emitida por aqueles materiais incandescentes, o resultado era um
espectro discreto, e não contínuo como o espectro solar. Esse espectro discreto
era formado por linhas luminosas brilhantes, cujas energias pareciam
corresponder aquelas das linhas negras sobrepostas ao espectro solar. Um outro
aspecto interessante percebido por ele é que o conjunto de linhas negras do
espectro solar era idêntico ao do espectro da luz da lua ou dos planetas, mas
diferente das estrelas, cada uma das quais apresentava um espectro particular.
Pois a luz da lua ou dos planetas é apenas um reflexo da luz solar e as estrelas
possuem luz própria.
Com a colaboração de dois cientistas
da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, levou às consequências enormes para
a química e a física. O químico Robert Wilhelm Bunsen, inventor do queimador de
gás comum de laboratório, uniu-se em 1859 ao físico Gustav Robert Kirchhoff na
criação do espectroscópio, instrumento simples, mas de alcance extraordinário.
A espectroscopia possibilitou a
descoberta, em poucos anos, de inúmeros elementos químicos, em especial muitos
dos que correspondiam às lacunas presentes na tabela periódica que seria
publicada por Dimitri Mendeleiev em 1869. Também os lantanídeos, de separação
extremamente difícil, foram prontamente identificados pela espectroscopia. A
descoberta mais retumbante propiciada pela espectroscopia, contudo ocorreu em
1868. O estudo do espectro solar ficava facilitado durante eclipses, quando se
podia observar apenas a borda do disco solar, sem os problemas normais de
ofuscamento. Lockyer, concluiu que o sol devia ter um novo elemento desconhecido
na Terra, que denominou Hélio, em homenagem ao deus grego do sol.
O processo de descobertas de novos
elementos inclusive do hélio no sol, 27 anos antes de ser encontrado na Terra,
mostrou a extraordinária importância da espectroscopia no estudo da
constituição intima da matéria.
O matemático suíço Jakob Balmer
chegou a uma equação em 1885 que hoje traz seu nome e que expressa
perfeitamente tal relação, para as linhas do espectro do hidrogênio, que
representa os valores de energias e ou comprimentos de onda:
1 = R (1 – 1) Onde
λ = comprimento de onda correspondente à
λ 22 n2 linha
espectral (em cm); R = constante, que provou ser igual a 109677cm-1;
n=3,4,5,6,...
Em nosso cotidiano, o
exemplo mais comum de onda ou oscilação eletromagnética é a luz. Uma observação
de grande importância é observar a luz ao atravessar um prisma de vidro. Um
feixe de luz branca (luz solar ou de uma lâmpada incandescente comum) se decompõe
em várias cores, que formam o chamado espectro luminoso, que vai variando
gradativamente do vermelho ao violeta, fenômeno idêntico ocorre na formação do
arco-íris, em que as gotículas de água no ar agem sobre a luz do mesmo modo que
o prisma de vidro. A diferença entre uma cor e outra reside nos comprimentos de
onda e nas frequências, que variam para cada cor. Em um espectro completo das
ondas eletromagnéticas é muito mais amplo do que o da luz visível, isto é, das
ondas que podemos perceber por meio da visão. A maior parte dos nossos
conhecimentos sobre átomos, moléculas e núcleos vêm desses estudos sobre a
radiação emitida ou absorvida por eles, portanto a espectroscopia foi de grande
ajuda nos conhecimentos químicos e várias pessoas contribuíram para esse longo
processo de descoberta até chegar no que conhecemos hoje.
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