Quando átomos e moléculas são excitados por luz com comprimento de onda na região do infravermelho, eles emitem fótons também na região do infravermelho.
Passo 1
O enunciado afirma: “Quando átomos e moléculas são excitados por luz com comprimento de onda na região do infravermelho, eles emitem fótons também na região do infravermelho.”
Pergunta implícita: essa afirmação é verdadeira ou falsa?
Informações relevantes dadas pelo enunciado:
Pergunta implícita: essa afirmação é verdadeira ou falsa?
Informações relevantes dadas pelo enunciado:
- Há excitação por luz cujo comprimento de onda está na região do infravermelho.
- A afirmação conclui que, após essa excitação, os átomos e moléculas emitem fótons também na região do infravermelho.
Passo 2
Primeiro conceito que precisamos dominar: quanto de energia tem um fóton e como isso se relaciona com o comprimento de onda. A energia de um fóton é dada por
onde
é a constante de Planck,
é a velocidade da luz e
é o comprimento de onda. Isso significa: comprimentos de onda maiores (infravermelho) correspondem a fótons de menor energia; comprimentos menores (UV) correspondem a fótons de maior energia. É importante porque só ocorre excitação se a energia do fóton casar com a diferença de energia entre níveis do sistema.
Passo 3
Agora vamos ver que tipos de transições absorvem/emitam no infravermelho. Para moléculas as transições típicas na região do infravermelho são vibrações moleculares (e rotações associadas). Uma forma simples de ver isso: os modos vibracionais têm energias pequenas comparadas às transições eletrônicas, e essas energias tipicamente caem na faixa do infravermelho. Um modelo útil é o oscilador harmônico vibracional, cujos níveis são aproximadamente
onde
e
é a energia do quantum vibracional. As diferenças entre esses níveis podem corresponder a fótons infravermelhos.
Passo 4
Mas nem toda molécula que tem vibrações irá absorver ou emitir IR. Existe uma condição: a transição vibracional precisa ser “ativa em IR”, isto é, a vibração tem de causar variação do momento de dipolo elétrico da molécula. Em linguagem simples: se durante a vibração a distribuição de cargas da molécula muda, ela interage com o campo elétrico da luz e pode absorver/emitir IR. Exemplos práticos:
- CO
é ativo em IR em certos modos e absorve/mede IR (importante no efeito estufa). - N
e O (diatômicas homonucleares) não têm mudança de dipolo na vibração e, portanto, não absorvem/emitem no IR nessa transição vibracional.
Passo 5
Explicando o que acontece depois da absorção: uma molécula que absorveu um fóton IR passa para um estado vibracional excitado. A partir daí existem vários caminhos de relaxação:
- relaxação radiativa: a molécula emite um fóton e volta a um nível de menor energia (fóton possivelmente na região IR); isso é chamado emissão espontânea (ou estimulada, em condições específicas);
- relaxação não-radiativa: a energia é transferida para outras moléculas ou para movimentos térmicos (fônons, colisões) sem emissão de fótons;
- transporte de energia para outros modos internos (conversão interna) seguido por emissão em outra faixa ou dissipação térmica.
Qual caminho domina depende muito das taxas: a taxa de emissão radiativa (relacionada ao coeficiente de Einstein
) versus a taxa de colisões/quenching. Em condições de baixa densidade (por exemplo, gases raros ou em vácuo), a emissão radiativa pode ocorrer com razoável probabilidade. Em gás a pressão ambiente ou em meio condensado (líquido/sólido), colisões são frequentes e relaxação não-radiativa costuma dominar — então você não observa muitos fótons IR emitidos.
Passo 6
Agora sobre átomos: transições eletrônicas típicas de átomos têm energias maiores (UV/visível). Para um átomo emitir ou absorver um fóton no infravermelho, precisa existir um par de níveis atômicos cuja diferença de energia coincida com a energia de um fóton IR. Existem tais transições (por exemplo, entre níveis finos, hiperfinos ou entre estados de Rydberg), mas elas não são as transições eletrônicas “comuns” que usamos quando pensamos em cores de átomos. Portanto, afirmar que “átomos … sempre emitem IR” é exagerado — depende dos níveis disponíveis. Moléculas têm muito mais motivos para interagir fortemente com IR via vibrações.
Passo 7
Algumas consequências práticas e exemplos:
- CO
e H O absorvem e também podem emitir radiação infravermelha — por isso aparecem em espectros de emissão e absorção IR e são importantes em transferência radiativa atmosférica. - N
não absorve nas vibrações fundamentais e, portanto, não emite IR por essas transições. - Em laboratório, para observar emissão espontânea IR é comum reduzir a pressão para evitar colisões que “apagam” a emissão.
Passo 8
Resumo do comportamento geral (aqui a pegada didática):
- Condição necessária para absorver/emitir IR em vibração: mudança de momento de dipolo durante a vibração.
- Após absorção, a emissão radiativa é possível, mas compete com processos não-radiativos; em meios densos, a energia tende a ser perdida sem emissão de fótons.
- Para átomos, as transições que caem no IR existem, mas não são as transições eletrônicas usuais; depende muito do átomo e dos níveis envolvidos.
Passo 9
Avaliação final da afirmação do enunciado: a frase é genérica demais. Para moléculas, muitas vezes é verdade que excitação por IR pode levar à emissão de fótons IR, mas nem sempre — depende se a vibração é ativa em IR e se a emissão radiativa compete com relaxação não-radiativa. Para átomos, não é uma generalidade: só em transições cuja diferença de energia corresponde ao IR haverá emissão nessa faixa.
Resposta
Falso.