O sulfeto de zinco- ZnS tem a propriedade denominada de fosforescência, capaz de emitir um brilho amarelo-esverdeado depois de exposto à luz. Analise as afirmativas a seguir, todas relativas ao ZnS, e marque a opção correta:
(a) salto de núcleos provoca fosforescência.
(b) salto de nêutrons provoca fosforescência.
(c) salto de elétrons provoca fosforescência.
(d) elétrons que absorvem fótons aproximam-se do núcleo.
(e) ao apagar a luz, os elétrons adquirem maior conteúdo energético.

Passo 1

O enunciado pede: entre as opções (a) a (e), marque qual afirmação é correta sobre o ZnS que apresenta fosforescência. As afirmações são:
  • (a) salto de núcleos provoca fosforescência.
  • (b) salto de nêutrons provoca fosforescência.
  • (c) salto de elétrons provoca fosforescência.
  • (d) elétrons que absorvem fótons aproximam-se do núcleo.
  • (e) ao apagar a luz, os elétrons adquirem maior conteúdo energético.
Informações relevantes fornecidas (implícitas no enunciado):
  • O material é sulfeto de zinco (ZnS) e exibe fosforescência (emite brilho por algum tempo após exposição à luz).
  • O enunciado apresenta cinco possíveis explicações/mecanismos e pede a correta.

Passo 2

O que é fosforescência (explicação didática e passo a passo)?
  • Quando um material recebe luz, fótons podem ser absorvidos por elétrons que passam a estados excitados (possuem mais energia que no estado fundamental).
  • A energia de um fóton é dada por \,E_{\text{fóton}} = h\nu\,ó, onde h é a constante de Planck e \nu a frequência da luz. Essa relação mostra que só pode haver transição eletrônica se houver fótons com energia compatível com a diferença entre níveis de energia.
  • Em muitos materiais existem dois caminhos principais para a emissão de luz após excitação:
    • Fluorescência: emissão rápida (tempo típico nanosegundos) por retorno direto de um estado excitado singlete ao estado fundamental singlete — transição “permitida”.
    • Fosforescência: emissão retardada, porque o elétron fica preso por mais tempo num estado de energia menos favorável à emissão (por exemplo estado triplete ou armadilha/trap em defeito cristalino). A transição emissiva é “muito menos provável” (proibida ou parcialmente proibida), o que alonga o tempo de vida e produz o brilho prolongado.
  • Em sólidos como o ZnS, além do esquema singlete/triplete, defeitos na rede ou impurezas formam “armadilhas” eletrônicas que capturam elétrons (ou lacunas) e liberam-nos lentamente, causando o brilho prolongado.

Passo 3

Por que “salto de elétrons” é o mecanismo relevante?
  • Fosforescência envolve mudança de estado eletrônico (elétrons mudando de nível energético, recombinando-se e emitindo fótons). Isso é exatamente “salto de elétrons”.
  • A emissão visível (o brilho amarelo-esverdeado no ZnS) ocorre quando elétrons excitados retornam a estados de energia mais baixos e liberam a diferença de energia na forma de fótons: \,E_{\text{fóton}} = E_{\text{estado excitado}} - E_{\text{estado final}}\,ó.
  • Em ZnS, impurezas/defeitos criam níveis dentro da banda proibida que retardam a recombinação, levando à fosforescência. Tudo isso envolve movimento/estado dos elétrons, não do núcleo.

Passo 4

Por que as opções (a) e (b) estão erradas (salto de núcleos / salto de nêutrons)?
  • “Salto de núcleos” ou “salto de nêutrons” referem-se a processos nucleares (mudanças no núcleo atômico, decaimento radioativo, captura de nêutrons etc.). Esses processos ocorrem com energias muito maiores (keV–MeV) e não são responsáveis por luminescência óptica observada como fosforescência.
  • A fosforescência é um fenômeno eletrônico/óptico ligado à estrutura eletrônica e defeitos do sólido, não a rearranjos do núcleo ou movimentos de nêutrons. Portanto (a) e (b) são incorretas.

Passo 5

Por que a opção (d) está errada (elétrons que absorvem fótons aproximam-se do núcleo)?
  • Quando um elétron absorve energia e vai para um nível excitado, a sua energia média aumenta e, em geral, sua distribuição de probabilidade fica mais espalhada, com maior raio médio em relação ao núcleo. No modelo de Bohr (útil qualitativamente), o raio do nível n cresce com n como \,r_n = a_0 n^2\,, então níveis mais altos têm maior distância média ao núcleo.
  • Logo, ao absorver um fóton e subir de nível, o elétron tende a ficar, em média, mais afastado do núcleo, não mais próximo. Assim (d) é falso.

Passo 6

Por que a opção (e) está errada (ao apagar a luz, os elétrons adquirem maior conteúdo energético)?
  • Enquanto a luz incide, elétrons são excitados para níveis superiores. Ao apagar a luz, a fonte de excitação cessou; não há razão física para os elétrons “adquirirem” mais energia só porque a iluminação terminou.
  • Pelo contrário, após cessar a excitação, os elétrons excitados relaxam gradualmente (emitindo fótons ou sendo devolvidos por recombinação), portanto perdem energia com o tempo. A fosforescência é justamente a emissão dessa energia ao longo do tempo; não um ganho de energia quando se apaga a luz. Logo (e) é falso.

Passo 7

Resumo conceitual final e reforço prático para a prova (dica amigável)
  • Lembre: luminescência visível (fluorescência, fosforescência) é sempre sobre transições eletrônicas e emissão de fótons com energia \,E_{\text{fóton}} = h\nu\,ó.
  • Fosforescência = demora na emissão porque a recombinação é “proibida” ou porque elétrons ficam presos em armadilhas (defeitos/impurezas). Sempre pense em elétrons, níveis de energia, e armadilhas — nunca em mudanças nucleares.
  • Se tiver dúvida rápida: pergunte-se “isso envolve elétrons mudando de nível elétronico?” — se sim, pode ser fosforescência; se envolver núcleo ou nêutrons, descarte.

Resposta

(c)

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