ENSINO - ESTRUTURA DA MATÉRIA

COMO FUNCIONAM OS SEMICONDUTORES.

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2012

2011

UM POUCO DO QUE SOMOS FEITOS, UM POUCO DE HISTÓRIA DA ELETRÔNICA E A TABELA PERIÓDICA DOS ELEMENTOS

(c) PY5AAL A Eletrônica está intimamente ligada à Física Moderna e à Química, muitos dos dispositivos eletrônicos atualmente, nada mais são do que resultado das pesquisas realizadas há séculos até a atualidade. E claro, atualmente as pesquisas que resultaram em lucrativo$ dispositivo$ eletrônico$, hoje vendidos aos bilhõe$ de unidades anuais... (Qual família hoje, por mais humilde, não possui pelo menos um aparelho celular??). A seguir há uma pequena introdução à estrutura da matéria, esta é necessária para entender o princípio de funcionamento de alguns dispositivos eletrônicos.

Boa leitura!!

Professor Ângelo Antônio Leithold.

A MATÉRIA E A ENERGIA

(c) PY5AAL Tudo o que existe na natureza é constituído de átomos ou suas combinações. Atualmente, sabemos que o átomo é a menor estrutura da matéria que apresenta as propriedades de um elemento químico. A estrutura do átomo (A grosso modo) é semelhante a do Sistema Solar, consistindo em um núcleo, onde fica concentrada a massa, como o Sol, e em partículas girando ao seu redor, denominadas elétrons, equivalentes aos planetas. Da mesma forma que o Sistema Solar, o átomo tem grandes espaços vazios, estes podem ser atravessados por partículas menores, fótons, por exemplo. O núcleo atômico é constituído de partículas carregadas positivamente, os prótons, e partículas de massa e tamanho semelhantes aos prótons, mas sem carga, os nêutrons. É o número de prótons ou chamado número atômico que possibilita a identificação de um elemento químico, que determina seu comportamento em relação a outros elementos.

O elemento químico natural mais simples é o hidrogênio, possui apenas um próton, contudo o número de nêutrons dos elementos mais pesados pode variar, e sua quantidade definirá diferentes isótopos. Assim, os elementos químicos podem existir com diferentes números de nêutrons. O urânio por exemplo, na natureza existe como três isótopos, que são: Urânio-234, U-235 e 238. Todos possuem 92 prótons, mas 142, 143 e l46 nêutrons respectivamente.

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NO PRINCÍPIO...

(c) PY5AAL Demócrito, Epicuro em torno de 450 a.C. => palavra átomo [a (significado: não, negação => Exemplo: Atemporal....fora do tempo); tomo (significado: divisão, fatias => Exemplo: Tomografia....impressão em fatias)]. Assim, a-tomo => não divisível...). Até o século XVII, essa idéia era associada aos quatro elementos dos quais era composto tudo na Terra (água, fogo, ar e terra.... lembrem da aula...rs...). Newton (.1662) tenta explicar a lei de Boyle PV = cte. tratando gases como partículas rígidas estáticas que se repelem mutuamente com força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as partículas. Bernulli (.1738) primeira descrição cinética dos gases. Formulou um modelo similar ao que apareceu mais de um século depois, conseguindo antecipar inclusive propriedades dos gases que só seriam conhecidas cerca de 50 anos depois. Em 1789, Antoine Lavoisier publicou uma lista de 33 elementos químicos, os agrupou em gases, metais e não-metais. Döbereiner observou que, quando arranjado pelo peso atômico, o segundo membro de cada tríade era aproximadamente a média do primeiro e do terceiro. Isso ficou conhecido como a lei das tríades. Em 1811, o italiano Amedeo Avogadro apresentou hipóteses para a teoria atômica, que entretanto não foram muito aceitas até meados do século XIX:

-Partículas de um gás são pequenas, comparadas com a distância média entre elas.

-Partículas dos elementos consistem, às vezes, de 2 ou mais átomos unidos (chamou esses agrupamentos de moléculas).

-Volumes iguais de gases em T e V constantes contêm números iguais de moléculas.

(c) PY5AAL Em 1829, Johann Wolfgang Döbereiner observou que muitos dos elementos poderiam ser agrupados em tríades (grupos de três) com base em suas propriedades químicas. Lítio , sódio e potássio , por exemplo, foram agrupados como sendo ''macios'', metais reativos. Leopold Gmelin trabalhou com o sistema de tríades, e em 1843 identificou dez tríades, três grupos de quatro, e um grupo de cinco. Em 1857, Jean-Baptiste Dumas publicou um trabalho descrevendo as relações entre os vários grupos de metais. Por volta de 1887, H. Hertz realizava a série de experimentos com os quais demonstrou a existência das ondas eletromagnéticas. Para isso utilizou um circuito ressonante tipo bobina-capacitor, convenientemente acoplado a um par de pontas metálicas colocadas a uma pequena distância uma da outra. Induzindo um pulso de tensão no sistema, ondas eletromagnéticas eram emitidas pelo sistema e uma faisca entre as pontas era produzida. A uma certa distância desse sistema, um outro sistema análogo, funcionava como receptor das ondas hertzianas. No receptor, a energia eletromagnética capturada pelo sistema era utilizada para produzir a centelha nas correspondentes pontas. Hertz media a intensidade do sinal recebido afastando controladamente as pontas do receptor, até que estas não produzissem mais centelhas, para uma dada condição do gerador. Analisando cuidadosamente o problema, verificou que podia obter faiscas com distâncias maiores entre as pontas, se deixasse a luz produzida pelas pontas do gerador atingir as do receptor. Em 1895, o alemão Wilheim K. Roentgen fazia experiências com um tubo de raios catódicos quando acidentalmente observou que uma folha de papel embebido em cianeto de bário-platina ficava fluorescente quando perto de um tubo de raios catódicos. A fluorescência era observada a 2 metros de distância do tubo. Assim procedeu a um estudo detalhado das propriedades raios, que por ser de natureza desconhecida na época foram chamados de raios X. Na Inglaterra em 1897, Thomson iniciou seus experimentos no Laboratório Cavendish, propôs que os raios eram partículas materiais carregadas negativamente e desenvolveu um método para medir a razão entre a sua carga e massa. Usando um tubo de raios catódicos (Figura 1) com dois ânodos A e B ligados a um potencial positivo, e um catodo negativo, com pressão baixa no interior do tubo, observou ionização do gás residual e uma luz emitida na região entre o catodo e o ânodo A. Diminuindo a pressão abaixo de um certo valor, não havia emissão de luminosidade, mas era observável a imagem do ânodo no anteparo fosforescente colocado na extremidade do tubo. Observou que os raios catódicos eram desviados por campos elétricos ou magnéticos, e ao se aplicar uma diferença de potencial entre as placas D e E, a imagem era desviada (É assim que funciona o ''tubo de imagem''... de TV).

Figura 1: Tubo de Raios Catódicos utilizado por Thomsom. (Fonte: Angeloleithold.)

(c) PY5AAL Em 1918, Arthur H. Compton estudou o espalhamento de raios X. Esses experimentos o levaram a descobrir, em 1922, um importante efeito, hoje conhecido como efeito Compton, que não tem explicação dentro da teoria clássica. Ao incidir raios X de comprimento de onda conhecido sobre um alvo de grafite, observou que os raios X espalhados num dado ângulo apresentavam duas componentes, uma com comprimento de onda igual ao da radiação incidente, outra de comprimento de onda maior dependente do ângulo de espalhamento. A diferença foi chamada deslocamento Compton. Pelo eletromagnetismo clássico, uma onda de certa freqüência, ao atingir os elétrons do material do alvo, os faz oscilar na mesma freqüência, irradiando uma nova onda de freqüência igual à incidente, mas ocorreu um pico deslocado . A teoria eletromagnética clássica prevê uma quantidade de movimento associada à radiação eletromagnética, a radiação espalhada, tem o pico correspondente ao comprimento de onda igual à radiação incidente, com características de dois processos diferentes:

- O espalhamento descrito por J.J. Thomson com base na eletrodinâmica clássica, chamado espalhamento Thomson.

- O espalhamento Rayleigh, em homenagem ao seu descobridor.

(c) PY5AAL Quanticamente ocorre apenas uma variação do espalhamento Compton, o elétron espalhador está livre, ou fracamente ligado ao átomo é arrancado no processo de colisão. No espalhamento Rayleigh, a colisão é com um elétron das camadas mais internas do átomo, a energia de ligação é maior, após a colisão com o fóton, o elétron continua ligado ao átomo. O fóton foi espalhado pelo átomo como um todo.

No espalhamento Thomson, o fóton é espalhado após a colisão direta com o núcleo, energeticamente, o resultado é idêntico, a massa do núcleo é aproximadamente igual à massa do átomo. Mas a distribuição angular da radiação espalhada é diferente para cada caso e o espalhamento Thomson é menos provável que o Rayleigh. Para fótons de energia do ultravioleta e luz visível, o espalhamento Compton é praticamente impossível, pois não há energia para extrair o elétron. Sendo o fóton partícula elementar, é inexplicável a mudança de comprimento de onda numa colisão. Pela quântica, a explicação é mais simples, neste caso há absorção do fóton pelo elétron na colisão e a emissão de um outro fóton, de comprimento maior que o absorvido (menos energético). Dirac desenvolveu a equação correspondente relativística, para descrever o movimento de um elétron.No caso de uma partícula lívre, com momento nulo corresponde a uma partícula com energia (massa) negativa. Se o momento for não nulo, as energias são ainda mais negativas.

(c) PY5AAL Dirac previu a existência de elétrons com energia negativa e elétrons com energia positiva, tendo disponível um estado possível de energia mais baixa (energia negativa), que migraria para aquele estado, emitindo a diferença de energias na forma de fótons. Assim, todos os elétrons disponíveis iriam para os estados negativos, mas isso deixaria nosso Universo impossível de existir. Dirac postulou então que a natureza é de tal forma que todos os estados de energia negativa estão ocupados. Não há como os elétrons passar para os estados de energia negativa, conhecidos como o mar de Dirac. As partículas com com massa negativa não interagem com o mundo usual. Assim, não podem ser observadas. Dirac previu ainda que um fóton de alta energia, maior que a abertura entre as duas faixas de energias permitidas para os elétrons, poderia ceder toda a energia para um elétron de energia negativa, este elétron teria energia positiva e seria observado como um elétron normal em nosso mundo. No mar de elétrons de Dirac, de energia negativa, sobraria um lugar vago, ''um buraco'', ou ''lacuna''. Um buraco se comporta como uma partícula de massa positiva (igual a do elétron), e com carga oposta à do elétron. É visto em nosso universo como similar ao elétron, com carga oposta, é o pósitron ou anti-elétron. O fenômeno é um par partícula-antipartícula, visto pelo fóton de alta energia. Em 1932 Anderson descobriu o pósitron em fotos tiradas com câmaras de bolhas. Nestas, há um campo magnético aplicado na direção perpendicular ao plano da fotografia, o pósitron e o elétron, têm cargas opostas e fazem um movimento espiralado em direções opostas (Veja aqui). As espirais têm raio decrescente devido a perda de velocidades das partículas, por colisões com outros elétrons no material. O elétron e o pósitron perdem energia passando para órbitas mais baixas, emitindo fótons a cada passagem, num átomo positônico, o pósitron perde momento angular e chega perto do elétron, estes se aniquilam mutuamente (o elétron ocupa o buraco!) emitindo cerca de dois fótons. Um feixe de fótons, ao atravessar uma determinada espessura de matéria perde intensidade, para fótons de luz visível, bastam espessuras da ordem de frações de mm para ocorrer a absorção total da radiação. Fótons de raios X ou gama, grande parte destes fótons incidentes pode atravessar espessuras de vários cm sem sofrer interação. Para um feixe monocromático, o número de fótons absorvidos deve ser proporcional à espessura, pois a absorção de um fóton numa dada posição depende apenas da probabilidade de interação e não do que aconteceu anteriormente com os outros fótons. Na tabela 1 se observam as diversas interações possíveis de ocorrer para radiação eletromagnética ionizante – raios X, raios gama e fótons de aniquilação – e consequências das interações.

Na figura 2 está representado o comportamento da densidade dos elementos químicos com o número atômico. Os pontos cheios correspondem a elementos sólidos e os vazados aos gases (escala à direita). As retas verticais representam as fronteiras entre os períodos (linhas horizontais da Tabela Periódica), indicados pelos números em fundo preto. As retas de tendência do conjunto têm fatores de correlação R2 de 0,46105 (elementos sólidos) e 0,96793 (elementos gasosos).

TABELA PERIÓDICA DOS ELEMENTOS

O químico russo Dmitri Ivanovich Mendeleiev publicou a tabela periódica entre 1869 e 1870. Os elementos foram catalogados em linhas ou colunas em ordem de peso atômico. Na tabulação, previu por lacunas a não descoberta de elementos, como o gálio e o germânio, o que foi prontamente aceito pela comunidade científica internacional. Com o desenvolvimento das teorias de estrutura atômica e da mecânica quântica da configuração eletrônica dos átomos, cada linha correspondia ao preenchimento de um nível quântico de elétrons. Como nos átomos mais massivos têm sub-níveis, as tabelas modernas têm períodos cada vez mais longos na parte de baixo da tabela. Em 1913, o físico inglês Henry G. J. Moseley, mediu as frequências de linhas espectrais específicas de raios X de um número de 40 elementos contra a carga do núcleo (Z). Foram identificadas algumas inversões na ordem da tabela periódica, ratificou o modelo atômico de Bohr. Moseley corrigiu a ordem dos elementos pela massa atômica e não pelo número atômico. Após a publicação da tabela periódica de Mendeleiev, as lacunas deixadas foram preenchidas pela descoberta de elementos químicos. O último elemento de ocorrência natural descoberto é o frâncio em 1939. A tabela periódica aumentou com a adição de elementos sintéticos e transurânicos. O primeiro elemento transurânico como o netúnio, formado pelo bombardeamento de urânio com nêutrons num ciclotron em 1939. Na figura 2 está representado um modelo moderno da Tabela Periódica.