O que é física quântica? Descubra agora
Entenda a mecânica das partículas subatômicas e seus exóticos comportamentos.
Há uma célebre frase de Richard Feynman, em que ele diz: “Se você acha que entendeu alguma coisa sobre mecânica quântica, então é porque você não entendeu nada”. Feynman, a saber, fora uma das maiores mentes brilhantes do século XX, contribuindo em muito para o entendimento dessa nova física do mundo pequeno. E há muitos universitários, estudantes de Física, Engenharia, Matemática e afins, que acham que entendem mecânica quântica.
Se a Física Clássica já apresenta fenômenos e explicações nada intuitivas, a Física Quântica é praticamente toda contra-intuitiva. É uma frente da Física muito difícil de ser entendida por vários motivos, mas um dos principais é que não nos fornece imagens mentais para comparar fenômenos observados no cotidiano com os fenômenos no mundo subatômico. Explicar Quântica é uma tarefa árdua, mas muito bonita!
O surgimento da Física Quântica
Essencialmente, temos vários episódios na história da ciência que contribuíram para o surgimento da física quântica. Vejamos: – 1838: descobrimento dos raios catódicos realizado por Michael Faraday. – 1859-1860: introdução do termo corpo negro por Gustav Kirchhoff. – 1877: sugestão feita por Ludwig Boltzmann sobre os estados de energia de um sistema físico serem discretos. – 1900: hipótese quântica de Max Planck, que dizia que qualquer sistema de radiação de energia atômica poderia teoricamente ser dividido num número de elementos de energia discretos E, tal que cada um destes elementos de energia seja proporcional à frequência f, com as que cada um poderia de maneira individual irradiar energia, como o mostra a seguinte equação: E = hf, onde h é a constante de Planck.
Então, em 1905, para explicar o efeito fotoelétrico (1839), isto é, que a luz brilhante em certos materiais pode funcionar para expulsar elétrons do material, Albert Einstein postulou baseado na hipótese quântica de Planck, que a luz é composta de partículas quânticas individuais, as quais mais tarde foram chamadas fótons (1926). A expressão "mecânica quântica" foi usada pela primeira vez num artigo de Max Born chamado Zur Quantenmechanik (A Mecânica Quântica). Nos anos que se seguiram, esta base teórica lentamente começou a ser aplicada a estruturas, reações e ligações químicas.
Em poucas palavras, em 1900, o físico alemão Max Planck introduziu a ideia de que a energia era quantizada, com o fim de derivar uma fórmula para a dependência da frequência observada com a energia emitida por um corpo negro. Em 1905, Einstein explicou o efeito fotoelétrico por um postulado sobre que a luz, ou mais especificamente toda a radiação eletromagnética, pode ser dividida num número finito de "quanta de energia", que são localizados como pontos no espaço.
"De acordo com as suposições a ser contempladas aqui, quando um raio de luz se está propagando desde um ponto, a energia não está distribuída continuamente sobre espaços cada vez maiores, mas é constituída de um número finito de quanta de energia que são localizados em pontos no espaço, movendo-se sem dividir-se e podendo ser absorvidos ou gerados só no seu conjunto. (Albert Einstein)”.
Esta frase foi denominada a frase mais revolucionária escrita por um físico no século XX. Estes quanta de energia seriam chamados mais tarde de fótons, um termo introduzido por Gilbert N. Lewis em 1926.
Max Planck logrou explicar, através de uma hipótese que a ele próprio repugnava, o espectro de radiação do corpo negro. Um pequeno orifício aberto em um corpo oco representa aproximadamente um “corpo negro” (não confundir com “buraco negro”, que é algo muito diferente!).
Tal orifício aparecerá negro para corpos em temperaturas usuais, daí advindo o seu nome. No entanto, à medida que a temperatura se eleva, o orifício se torna vermelho, depois amarelo e, finalmente, branco (neste ponto, ou mesmo antes, o material se funde; fenômeno do mesmo tipo pode ser observado aquecendo-se um pedaço de metal.)
A cada temperatura corresponde uma coloração da luz emitida, que resulta da mistura de radiações luminosas de diferentes frequências; cada freqüência contribui na mistura em uma determinada proporção, fornecendo uma determinada parcela de energia à energia total irradiada pelo orifício. Essas proporções podem ser medidas experimentalmente. A figura abaixo mostra o gráfico de uma grandeza proporcional à energia irradiada em função do comprimento de onda.
A ideia de que cada fóton teria que consistir de energia em termos de quanta foi um feito notável, já que efetivamente eliminou a possibilidade que a radiação de um corpo negro alcançasse energia infinita (teoria clássica), o que se explicou em termos de formas de onda somente.
O que é quantizar?
Em Física Moderna uma grandeza é dita quantizada, ou discreta, quando não apresenta valores contínuos. Para entendermos isso, imagine que haja um punhado de água sendo aquecida em uma panela de alumínio. Quando o cronômetro está zerado, a água está a 20 ºC. Ela é aquecida continuamente até atingir 80 ºC. Enquanto o tempo passa, a temperatura da panela assume todos os valores entre 20 ºC e 80 ºC.. Não há um valor sequer nesse intervalo pelo qual o punhado de água não tenha passado. Quando isso acontece, dizemos que a água foi aquecida
As grandezas físicas são ditas quantizadas quando entre um valor que ela pode assumir e outro, existem valores proibidos. Por exemplo, a menor energia que um elétron pode possuir ao orbitar em torno de um núcleo de hidrogênio é -13,6 eV. Se este elétron for "aquecido" ele poderá saltar para o nível seguinte (-3,4 eV), mas jamais possuirá uma energia intermediária. Todos os valores de energia entre -13,6 eV e -3,4 eV estão proibidos! Por isso dizemos que a energia está quantizada.
Assim, em física, uma quantização é um procedimento matemático (bem complexo) que atribui um valor específico a um sistema físico. Algumas grandezas físicas que são quantizadas são a energia, momento angular, carga elétrica, campo elétrico, dentre outras. Todas passam por procedimentos de quantização que são métodos que permitem construir modelos de uma partícula dentro da mecânica quântica.
Nestes procedimentos, resumidamente podemos dizer que se assinala a magnitude física expressável em termos das coordenadas canônicas do sistema clássico. Em seguida, métodos são adotados para construir teorias quânticas de campos a partir de uma teoria clássica de campos.
O conceito de estado e a probabilidade na mecânica quântica
Em física, chama-se "sistema" um fragmento concreto da realidade que foi separado para estudo. Dependendo do caso, a palavra sistema refere-se a um elétron ou um próton, um pequeno átomo de hidrogênio ou um grande átomo de urânio, uma molécula isolada ou um conjunto de moléculas interagentes formando um sólido ou um vapor. Em todos os casos, sistema é um fragmento da realidade concreta para o qual deseja-se chamar atenção.
A especificação de um sistema físico não determina unicamente os valores que experimentos fornecem para as suas propriedades (ou as probabilidades de se medirem tais valores, em se tratando de teorias probabilísticas).
Além disso, os sistemas físicos não são estáticos, eles evoluem com o tempo, de modo que o mesmo sistema, preparado da mesma forma, pode dar origem a resultados experimentais diferentes dependendo do tempo em que se realiza a medida (ou a histogramas diferentes, no caso de teorias probabilísticas).
Essa ideia conduz a outro conceito-chave: o conceito de "estado". Um estado é uma quantidade matemática (que varia de acordo com a teoria) que determina completamente os valores das propriedades físicas do sistema associadas a ele num dado instante de tempo (ou as probabilidades de cada um de seus valores possíveis serem medidos, quando se trata de uma teoria probabilística). Em outras palavras, todas as informações possíveis de se conhecer em um dado sistema constituem seu estado.
Cada sistema ocupa um estado num instante no tempo e as leis da física devem ser capazes de descrever como um dado sistema parte de um estado e chega a outro. Em outras palavras, as leis da física devem dizer como o sistema evolui (de estado em estado).
Muitas variáveis que ficam bem determinadas na mecânica clássica (são substituídas por distribuições de probabilidades na mecânica quântica, que é uma teoria intrinsecamente probabilística (isto é, dispõe-se apenas de probabilidades não por uma simplificação ou ignorância, mas porque isso é tudo que a teoria é capaz de fornecer).
Princípios da mecânica quântica
Dentre os três princípios, o que nos importa e é mais fácil de explicar é o da superposição. Na mecânica quântica, todos os estados são representados por vetores em um espaço vetorial complexo. No entanto, imagine os famosos vetores que você conhece mesmo, por simplicidade. Assim, cada vetor no espaço representa um estado que poderia ser ocupado pelo sistema. Portanto, dados dois estados quaisquer, a soma algébrica (superposição) deles também é um estado.
Os outros dois princípios, medidas de grandeza físicas e evolução de um sistema, fazem referência a um formalismo matemática muito complexo de ser apresentado aqui neste artigo. Caso esteja curioso, procure saber sobre formalismo Hamiltoniano. Se você não for bom em matemática, aconselho não perder seu tempo.
Mecânica quântica e física clássica
Todos os objetos obedecem às leis da mecânica quântica, e a mecânica clássica é apenas uma aproximação para grandes sistemas de objetos (ou uma mecânica quântica estatística de uma grande coleção de partículas). As leis da mecânica clássica, portanto, seguem as leis da mecânica quântica como uma média estatística no limite de grandes sistemas ou grandes números quânticos.
Muitas propriedades macroscópicas de um sistema clássico são uma conseqüência direta do comportamento quântico de suas partes. Por exemplo, a estabilidade da matéria bruta (composta por átomos e moléculas que entrariam em colapso rapidamente apenas sob forças elétricas), a rigidez dos sólidos e as propriedades mecânicas, térmicas, químicas, ópticas e magnéticas da matéria são todos resultados da interação de cargas elétricas sob as regras da mecânica quântica.
O comportamento aparentemente "exótico" da matéria postulado pela mecânica quântica se torna mais aparente quando se lida com partículas de tamanho extremamente pequenas. As leis da física clássica, frequentemente considerada "newtoniana", continuam precisas na física em predizer o comportamento da grande maioria dos objetos "grandes" (da ordem do tamanho de grandes moléculas ou maiores).
Embora a mecânica quântica se aplique principalmente aos regimes atômicos menores de matéria e energia, alguns sistemas exibem efeitos da mecânica quântica em larga escala. Superfluidez, o fluxo sem fricção de um líquido a temperaturas próximas de zero absoluto, é um exemplo bem conhecido. O mesmo ocorre com o fenômeno intimamente relacionado da supercondutividade, o fluxo sem atrito de um gás de elétrons em um material condutor (corrente elétrica) a temperaturas suficientemente baixas.
O embate histórico sobre Dualidade Onda-Partícula
A dualidade constitui uma propriedade básica dos entes físicos em dimensões atômicas – e por tal descritos pela mecânica quântica – que consiste na capacidade dos entes físicos subatômicos de se comportarem ou terem propriedades tanto de partículas como de ondas.
A ideia da dualidade teve origem em um debate sobre a natureza da luz e da matéria, que remonta ao século XVII, quando Christiaan Huygens e Isaac Newton propuseram teorias concorrentes para descrever a luz: a luz foi pensada tanto para consistir de ondas (Huygens) ou de partículas (Newton).
A partir do trabalho de Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Niels Bohr e muitos outros, a teoria científica atual sustenta que todas as partículas também têm uma natureza de onda (e vice-versa). Este fenômeno foi verificado não somente para partículas elementares, mas também para as partículas compostas, como átomos e até mesmo moléculas.
Huyges e Newton
No século XVII, havia uma grande controvérsia sobre a natureza da luz visível. Duas teorias tentavam estabelecer respostas para esta questão: a teoria corpuscular de Isaac Newton e a teoria ondulatória do físico holandês Christiaan Huygens. Ambas as teorias satisfaziam os fenômenos de reflexão e refração.
Até as descobertas da difração e da interferência em 1665 e da polarização em 1678, puseram em xeque a teoria de Newton, já que essas descobertas não possuíam explicações caso a luz fosse considerada um feixe de partículas.
Fresnel, Maxwell e Young
No início do século XIX, os experimentos da fenda dupla, realizada por Young, forneceu argumentos para a teoria ondulatória de Huygens. A experiência da fenda dupla, mostrou que, quando a luz é enviada através de uma rede, uma característica padrão de interferência é observado, muito semelhante ao padrão resultante da interferência de ondas de água; o comprimento de onda da luz pode ser calculado a partir desses padrões.
No final do século XIX, James Clerk Maxwell explicou luz como é a propagação de ondas eletromagnéticas de acordo com as equações de Maxwell. Essas equações foram verificados experimentalmente por Heinrich Hertz em 1887, e tornou-se a teoria da onda amplamente aceita.
Planck e Einstein
Em 1905, Albert Einstein propôs que a radiação eletromagnética era quantizada, conhecida como fóton. Ele trouxe a ideia de que se a luz é absorvida ou emitida por um corpo, isso irá ocorrer nos átomos do corpo. Quando um fóton de frequência f é absorvido por um átomo, a energia hf do fóton é transferida da luz para o átomo.
No efeito fotoelétrico, quando iluminamos uma superfície de um metal com comprimentos de onda suficientemente pequeno, a luz provoca a emissão de elétrons do metal. Através de alguns experimentos, provou-se que o efeito fotoelétrico não depende da intensidade da luz incidente, mas sim de um certo comprimento de onda, chamado de comprimento de onda de corte. Esse resultado não é explicado pela física clássica. A luz, comportando-se como onda eletromagnética teria energia para ejetar elétrons, independente da frequência emitida, porém, isso não é verídico.
Esse fenômeno é facilmente compreendido quando interpretamos a luz em termos de fótons. Os elétrons são mantidos na superfície de um certo material e, para escapar dele, o elétron necessita de uma energia mínima, que depende do que o material é constituído e recebe o nome de função trabalho. Quando a energia hf cedida por um fóton a um elétron é maior que a função trabalho do material, este elétron poderá escapar do alvo.
Louis de Broglie
A dualidade partícula-onda foi enunciada pela primeira vez em 1924, pelo físico francês Louis-Victor de Broglie, que anunciou que os elétrons apresentavam características tanto ondulatórias como corpusculares, comportando-se de um ou outro modo dependendo do experimento específico.
De Broglie fundou seu raciocínio inicialmente na intuição e nos conhecimentos acerca do efeito fotoelétrico para chegar a esta conclusão. Vimos que Einstein concluiu que, em determinados processos, as ondas se comportam como se fossem corpúsculos. De Broglie imaginou então o inverso, ou seja, se ondas se comportam como partículas, porque não esperar que partículas se comportem como ondas?
Levando sua ideia a cabo e confrontando-a com dados empíricos o físico francês foi capaz de relacionar com sucesso o comprimento de onda associado ao comportamento ondulatório da “partícula” com sua massa mediante a fórmula λ = h/p, onde p representa o módulo do vetor quantidade de movimento, ou seja, o produto da massa pelo módulo da velocidade (m.v) do ente; h representa a Constante de Planck, e λ é o comprimento de onda associado.
Observando-se a fórmula verifica-se facilmente que, à medida que a massa ou sua velocidade aumenta, diminui-se consideravelmente o comprimento de onda. Os corpos macroscópicos têm associada uma onda, porém sua massa é tão grande que pode-se afirmar que apresentam um comprimento de onda desprezível, porém não nulo.
Embora no mundo macroscópico tais efeitos ondulatórios sejam por tal imperceptíveis, no mundo subatômico estes certamente não o são, e por tal, na hora de se falar sobre “partículas” atômicas é muito importante se considerar a dualidade – já que o comportamento ondulatório determinado pelo comprimento de onda que possuem é a única forma de se explicar muitos de seus fenômenos.
No Enem de 2017 2ª aplicação e Enem 2019, fora cobrado o conteúdo sobre o conhecimento desse embate histórico entre cientistas a favor da ideia corpuscular da luz e de outros a favor da ideia ondulatória da luz. Tais questões seguem abaixo:
(Enem 2017 – 2ª aplicação) O debate a respeito da natureza da luz perdurou por séculos, oscilando entre a teoria corpuscular e a teoria ondulatória. No início do século XIX, Thomas Young, com a finalidade de auxiliar na discussão, realizou o experimento apresentado de forma simplificada na figura. Nele, um feixe de luz monocromático passa por dois anteparos com fendas muito pequenas. No primeiro anteparo há uma fenda e no segundo, duas fendas. Após passar pelo segundo conjunto de fendas, a luz forma um padrão com franjas claras e escuras.
Revista Brasileira de Ensino de Física, n. 1, 2007 (adaptado).
Com esse experimento, Young forneceu fortes argumentos para uma interpretação a respeito da natureza da luz, baseada em uma teoria
a) corpuscular, justificada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer dispersão e refração.
b) corpuscular, justificada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer dispersão e reflexão.
c) ondulatória, justificada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer difração e polarização.
d) ondulatória, justificada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer interferência e reflexão.
e) ondulatória, justificada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer difração e interferência.
Solução: O experimento de Young consiste basicamente num desenvolvimento de um método para a obter duas fontes de luz em fase pela dupla difração dos raios luminosos através de fendas no anteparo. Assim, prova-se a natureza ondulatória da luz uma vez que se verifica a interferência entre as ondas geradas, ilustrada pelo aparecimento de franjas claras (interferência construtiva) e franjas escuras (interferência destrutiva).
(Enem 2019) Quando se considera a extrema velocidade com que a luz se espalha por todos os lados e que, quando vêm de diferentes lugares, mesmo totalmente opostos, os raios luminosos se atravessam uns aos outros sem se atrapalharem, compreende-se que, quando vemos um objeto luminoso, isso não poderia ocorrer pelo transporte de uma matéria que venha do objeto até nós, como uma flecha ou bala atravessa o ar; pois certamente isso repugna bastante a essas duas propriedades da luz, principalmente a última.
HUYGENS, C. in: MARTINS, R. A. Tratado sobre a luz, de Cristian Huygens.
Caderno de História e Filosofia da Ciência, supl. 4, 1986.
O texto contesta que concepção acerca do comportamento da luz?
a) O entendimento de que a luz precisa de um meio de propagação, difundido pelos defensores da existência do éter.
b) O modelo ondulatório para a luz, o qual considera a possibilidade de interferência entre feixes luminosos.
c) O modelo corpuscular defendido por Newton, que descreve a luz como um feixe de partículas.
d) A crença na velocidade infinita da luz, defendida pela maioria dos filósofos gregos.
e) A ideia defendida pelos gregos de que a luz era produzida pelos olhos.
Solução: Pelo trecho “isto não pode ocorrer pelo transporte de matéria”, contesta-se o modelo corpuscular de Newton, já que este descreve a luz como um feixe de partículas (matéria).
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