Nesta série de experimentos estamos mostrando como foi a montagem da mostra interativa de experimentos “Química, Quântica e Sociedade”, criada para comemorar o Ano Internacional das Ciências e Tecnologias Quânticas. 2025 foi escolhido pela ONU como o ano para se celebrar os avanços científicos e tecnológicos decorrentes do estudo da mecânica quântica. A mostra foi financiada pelo CNPq.
No artigo de hoje vamos mostrar como demonstramos a tranformação de energia luminosa em energia elétrica em painéis solares, um tema muito atual e importante.
Prepare o experimento
Para mostrar os espectros atômicos, nós precisamos de átomos no estado gasoso e que sejam excitados por uma fonte de energia. Uma maneira de se fazer isso, é colocar determinados íons em uma chama. Nós mostramos este experimento no artigo “Teste de chama: a impressão digital dos átomos”, aqui no XCiência. Infelizmente, no local onde realizamos a mostra de experimentos de Quântica não seria possível usar uma chama. Assim, optamos por usar lâmpadas de gases, onde é a eletricidade que irá excitar os átomos.
Não é fácil encontrar lâmpadas de gases como hidrogênio, hélio ou outros gases nobres. Nós utilizamos lâmpadas de hidrogênio, hélio e neônio que fazem parte de um kit educacional importado.
Para acender as lâmpadas, nós usamos um componente eletrônico que gera alta tensão. O componente é o LG-105 (imagem abaixo). Ele precisa de uma tensão de entrada entre 3,6 e 6V. Assim, nós usamos um carregador de celular USB, que tem uma tensão de 5V. O componente pega essa tensão de entrada de 5V e transforma em milhares de volts na saída, o suficiente para acender uma lâmpada de gás.
As lâmpadas de gás que são mais fáceis de serem encontradas são as lâmpadas fluorescentes, que contém vapor de mercúrio no seu interior. Para acender estas lâmpadas, precisamos de um reator adequado ao tamanho e potência da lâmpada.
Construímos uma caixa feita com MDF de 6 mm de espessura e corte a laser, para proteger e acionar uma lâmpada de neônio, usando o mesmo componente para gerar a alta tensão. Desta forma, temos um material mais portátil e que pode ser usado em sala de aula mais facilmente.
Para observar o espectro atômico, usamos um espectroscópio feito com a impressão 3D, uma versão do espectroscópio de papelão que descrevemos anteriormente, e que foi feito usando o corte a laser. Este espectroscópio usa uma rede de difração e não o plástico de um CD ou DVD.
Além das lâmpadas de gás e do espectroscópio, criamos um modelo em 3D dos níveis de energia eletrônicos do átomo de hidrogênio. Usamos o software online e gratuito TinkerCAD para criar o modelo.
O modelo possui uma base que representa o segundo nível de energia do hidrogênio e uma escada com os níveis de 3 a 6. Na escada temos setas coloridas representando transições eletrônicas dos níveis 3, 4, 5 e 6 para o nível 2. Quando o elétron vai de um nível de maior energia para o nível 2, ocorre a liberação de luz visível. Colocamos na base uma linhada cor da luz emitida em cada caso.
Use o experimento na sua aula (ou mostra)
O painel que nós montamos permite que se acenda cada uma das lâmpadas independentemente. Ligamos o carregador de celular na tomada e um dos fios de entrada do transformador ao interruptor. Os fios de saída do transformador são ligados nos eletrodos da lâmpada.
Chame a atenção dos alunos para as diferentes cores da luz emitida pelas lâmpadas. Peça para os alunos observarem a luz apontando a fenda do espectroscópio para cada uma das lâmpadas. Eles podem registrar o espectro colocando a câmera do celular na janela do espectroscópio e tirando uma foto ou gravando um vídeo.
O que acontece
O estudo dos espectros atômicos foi um dos pontos de partida para a Quântica. Niels Bohr elaborou postulados que diziam que o elétron está em órbitas fixas ao redor do núcleo e que, diferente do que a física clássica permitiria, o elétron apresenta energia constante enquanto está nestas órbitas. Assim, ele introduz a ideia de que a energia dos elétrons em um átomo é quantizada, só pode assumir alguns valores.
No modelo atômico de Bohr, elétrons podem ganhar energia e saltar para outras órbitas. Ao retornar para a órbitas de menor energia, ocorre a emissão de energia na forma de luz. A energia (e a cor) da luz emitida depende da diferença de energia das órbitas em o que o salto eletrônico aconteceu.
Hoje não usamos mais o modelo de Bohr. O modelo atual coloca os elétrons não em órbitas ao redor do núcleo, mas sim em orbitais (regiões do espaço de maior probabilidade do elétron existir com um certo nível de energia). Não existe mais a ideia de uma trajetória do elétron ao redor do núcleo, uma vez que o elétron é visto como partícula e como onda.
A explicação dos saltos dada por Bohr é explicada na mecânica quântica por transições eletrônicas entre orbitais. Assim, ao invés de dizer que o elétron saltou da ´robita 1 para a 2, podemos dizer que um elétron no orbital 1s realizou uma transição para o orbital 2s ou 2p.
É importante chamar a atenção dos alunos para o fato de que a emissão de luz só ocorre quando o elétron perde energia ao retornar a um nível de energia mais baixo. As linhas de luz que vemos no espectro descontínuo são uma impressão digital do átomo e mudam para cada elemento, uma vez que cada átomo possui um número de prótons e elétrons diferente e com isso, diferentes níveis de energia.
Finalmentes
Você fala sobre os espectros atômicos nas suas aulas? Gostou do experimento e do modelo? Comente abaixo e compartilhe com seus colegas.
Veja toda a série de montagens criadas para a mostra do Ano Internacional das Ciências e Tecnologias Quânticas aqui: https://www.xciencia.org/2025/06/20/quantica-com-experimentos-mostra-interativa-no-ano-internacional-das-ciencias-quanticas/.
