Sobre o funcionamento das lâmpadas de cátodo oco, é CORRETO afirmar que:
Escolha apenas 1 alternativa.
a) Uma alta diferença de potencial elétrico entre o ânodo e o cátodo provoca a ionização do gás (p. ex.: argônio ou neônio) e acelera os cátions na direção do ânodo. Os íons do gás nobre atingem o cátodo e “expelem” átomos do cátodo metálico para a fase gasosa. Os átomos metálicos na fase gasosa são excitados por meio de colisões com elétrons de alta energia e emitem fótons para retornar ao estado fundamental.
b) Uma alta diferença de potencial elétrico entre o ânodo e o cátodo provoca a ionização do gás (p. ex.: argônio ou neônio) e acelera os cátions na direção do cátodo. Os íons do gás nobre atingem o cátodo e “expelem” átomos do cátodo metálico para a fase gasosa. Os átomos metálicos na fase gasosa são excitados por meio de colisões com elétrons de alta energia e emitem fótons para retornar ao estado fundamental.
c) Uma alta diferença de potencial elétrico entre o ânodo e o cátodo provoca a ionização do gás (p. ex.: argônio ou neônio) e acelera os cátions na direção do cátodo. Os íons do gás nobre atingem o cátodo e “expelem” átomos do cátodo metálico para a fase gasosa. Os átomos metálicos na fase gasosa são excitados por meio de colisões com elétrons de alta energia e emitem fótons para retornar ao estado excitado.
d) Uma alta diferença de potencial elétrico entre o ânodo e o cátodo provoca a excitação do gás (p. ex.: argônio ou neônio) e acelera os cátions na direção do cátodo. Os íons do gás nobre atingem o cátodo e “expelem” átomos do cátodo metálico para a fase gasosa. Os átomos metálicos na fase gasosa são excitados por meio de colisões com elétrons de alta energia e emitem fótons para retornar ao estado fundamental.
e) O cátodo oco não é consumido durante o funcionamento da lâmpadas de cátodo oco.
b) Uma alta diferença de potencial elétrico entre o ânodo e o cátodo provoca a ionização do gás (p. ex.: argônio ou neônio) e acelera os cátions na direção do cátodo. Os íons do gás nobre atingem o cátodo e “expelem” átomos do cátodo metálico para a fase gasosa. Os átomos metálicos na fase gasosa são excitados por meio de colisões com elétrons de alta energia e emitem fótons para retornar ao estado fundamental.
c) Uma alta diferença de potencial elétrico entre o ânodo e o cátodo provoca a ionização do gás (p. ex.: argônio ou neônio) e acelera os cátions na direção do cátodo. Os íons do gás nobre atingem o cátodo e “expelem” átomos do cátodo metálico para a fase gasosa. Os átomos metálicos na fase gasosa são excitados por meio de colisões com elétrons de alta energia e emitem fótons para retornar ao estado excitado.
d) Uma alta diferença de potencial elétrico entre o ânodo e o cátodo provoca a excitação do gás (p. ex.: argônio ou neônio) e acelera os cátions na direção do cátodo. Os íons do gás nobre atingem o cátodo e “expelem” átomos do cátodo metálico para a fase gasosa. Os átomos metálicos na fase gasosa são excitados por meio de colisões com elétrons de alta energia e emitem fótons para retornar ao estado fundamental.
e) O cátodo oco não é consumido durante o funcionamento da lâmpadas de cátodo oco.
Passo 1
O enunciado pede para escolher a alternativa CORRETA sobre o funcionamento das lâmpadas de cátodo oco. As alternativas descrevem, em frases diferentes, processos envolvendo: diferença de potencial entre ânodo e cátodo, ionização ou excitação do gás (p. ex. argônio/neônio), direção de aceleração dos cátions, sputtering (átomos do cátodo sendo “expelidos” para a fase gasosa), e se os átomos metálicos em fase gasosa são excitados por colisões com elétrons e para qual estado eles emitem fótons ao retornar. Também há uma alternativa dizendo que o cátodo não é consumido. Preciso decidir qual dessas descrições corresponde corretamente ao fenômeno real numa lâmpada de cátodo oco.
Passo 2
Explicação básica e termos importantes (bem devagar, tipo “amigo te explicando”):
- Ionização significa remover elétrons de átomos do gás, formando íons positivos; por exemplo,
. - Excitação significa promover um elétron de um átomo a um estado de energia mais alto sem arrancá-lo.
- Emissão de fótons acontece quando um átomo no estado excitado perde energia e volta a um estado de menor energia (normalmente ao estado fundamental), liberando um fóton com energia igual à diferença de níveis. Emissão não faz o átomo “voltar ao estado excitado” — emissão reduz a energia.
Esses conceitos vão nos ajudar a checar cada frase do enunciado.
Passo 3
O que acontece quando aplicamos uma alta diferença de potencial entre ânodo e cátodo?
- O cátodo é mantido negativo e o ânodo positivo. Elétrons
são acelerados do cátodo em direção ao ânodo; esses elétrons de alta energia colidem com átomos do gás nobre e os ionizam: . - Os íons formados são cátions
, que sendo positivos são atraídos para a eletrodo negativo — ou seja, para o cátodo. Portanto: os cátions vão em direção ao cátodo, não ao anodo. Isso já descarta qualquer alternativa que diga o contrário.
Passo 4
Sputtering (expulsão de átomos do cátodo):
- Os íons positivos
que chegam ao cátodo têm energia cinética (fornecida pelo campo elétrico) e ao colidirem com a superfície do cátodo podem arrancar átomos da superfície metálica para a fase gasosa. Esse processo chama-se sputtering. - Como consequência, o cátodo é de fato consumido gradualmente (há perda de material do cátodo). Logo a alternativa que afirma que o cátodo não é consumido está errada.
Passo 5
O que acontece com os átomos metálicos arrancados do cátodo?
- Os átomos metálicos que entram na fase gasosa (átomos neutros do metal) podem ser excitados por colisões com elétrons de alta energia presentes no plasma. Essas colisões promovem elétrons internos do átomo do metal a níveis excitados.
- Quando esses átomos excitados relaxam, eles emitem fótons correspondentes às transições para níveis de menor energia. Normalmente o processo útil é exatamente a emissão de fótons quando voltam ao estado fundamental (ou a níveis de energia mais baixos). Emissão corresponde à perda de energia; portanto dizer que emitem para retornar ao estado excitado é logicamente errado. Emissão leva a estados de menor energia (p.ex. ao fundamental).
Passo 6
Agora verificando as alternativas com o que vimos:
- (a) diz que os cátions são acelerados na direção do ânodo — isso contraria a física do campo elétrico (cátions vão ao cátodo). Logo (a) está errada.
- (b) diz que os cátions são acelerados para o cátodo, que íons atingem o cátodo e expelam átomos metálicos, e que esses átomos são excitados por colisões com elétrons e emitem fótons ao retornar ao estado fundamental — isso concilia exatamente com o mecanismo real (ionização do gás, sputtering, excitação por colisões e emissão ao relaxar). (b) parece correta.
- (c) tem a mesma sequência de sputtering mas afirma que os átomos metálicos emitem fótons para retornar ao estado excitado — isso é incoerente: emissão reduz energia, não a aumenta; portanto (c) está errada.
- (d) afirma que a alta diferença de potencial provoca a excitação do gás (em vez de ionização) como passo inicial; a etapa primordial para haver íons que causem sputtering é a ionização (formação de
), não apenas excitação. Portanto (d) está errada. - (e) diz que o cátodo não é consumido; como vimos pelo sputtering, o cátodo sofre desgaste (é consumido), então (e) está errada.
Passo 7
Resumo da justificativa curta e final (pra te dar confiança na prova):
- Direção dos íons: positivos vão ao cátodo (cátodo é negativo).
- Sputtering: íons positivos batem no cátodo e arrancam átomos metálicos.
- Esses átomos são excitados por colisões com elétrons do plasma e, ao relaxarem, emitem fótons ao voltarem a estados de menor energia (normalmente ao estado fundamental).
- O cátodo é consumido.
Tudo isso coincide com a alternativa (b).
Resposta
b)