Física quântica

Na esteira do bem-sucedido desenvolvimento da mecânica clássica, do eletromagnetismo e da termodinâmica, os físicos do início do século XX buscavam solucionar questões cruciais que estavam na fronteira da ciência da época. O interesse predominante se concentrava na obtenção de um modelo definitivo para o átomo e na explicação dos fenômenos relacionados à natureza da luz. A efervescência da busca pelas respostas corretas fez com que o primeiro quarto do século passado fosse marcado pelo nascimento de um dos maiores triunfos científicos de todos os tempos: a física quântica.

Um dos principais problemas de então consistia em explicar a maneira pela qual a energia da radiação térmica se distribuía ao longo das diversas frequências do espectro eletromagnético. A dificuldade foi resolvida em 1900, quando o físico alemão Max Planck (1858-1947) assumiu que a energia era liberada de modo discreto, e não contínuo, na forma de vários pequenos “pacotes” com energia proporcional à frequência da radiação – aos quais ele denominou quanta, plural da palavra latina quantum. A hipótese se mostrou capaz de explicar matematicamente a distribuição e foi o passo primordial de todo o desenvolvimento subsequente. O passo seguinte, cinco anos mais tarde, seria dado por Albert Einstein (1879-1955).

Embora à época não fosse admitida outra forma de propagação da luz senão a ondulatória, intrigava a existência de um fenômeno cujo mecanismo não podia ser explicado em termos da luz enquanto onda. Verificava-se o chamado efeito fotoelétrico quando uma placa metálica era bombardeada por um feixe luz e tinha elétrons arrancados de sua superfície. Em 1905, Einstein explicou o efeito a partir de uma mudança fundamental de paradigma: segundo ele, a própria luz era constituída de quanta, e eram essas partículas de luz – mais tarde denominadas fótons – que interagiam com os elétrons do metal individualmente. Descobria-se, assim, a dualidade onda-partícula da radiação eletromagnética: dependendo do experimento, a natureza da luz poderia ser percebida como ondulatória ou corpuscular.

Em 1913, era ainda misteriosa a origem do tipo de luz emitida por gases aquecidos. Sabia-se que o espectro resultante era discreto, com emissão de radiação apenas em certas frequências. A causa, porém, era completamente desconhecida. A solução do enigma foi dada por Niels Bohr (1885-1962), que desenvolveu um novo modelo de átomo adotando uma abordagem quântica. Segundo Bohr, os elétrons orbitavam o núcleo atômico e podiam ocupar apenas certas órbitas, caracterizadas por quantidades específicas de energia. Os elétrons podiam ainda saltar de uma órbita a outra conforme perdessem ou ganhassem energia, liberando ou absorvendo um fóton de energia equivalente. O modelo se mostrou extremamente adequado para explicar a estranha emissão: aquecendo-se um gás, os elétrons de seus átomos ganhavam energia e realizavam um salto quântico para uma órbita superior; no salto de retorno à órbita original, liberavam um fóton com energia igual à inicialmente recebida.

A posterior realização do clássico experimento da fenda dupla com elétrons demonstrou que também as partículas poderiam apresentar comportamento ondulatório. Não apenas o que sempre fora tido como onda poderia apresentar comportamento de partícula – como a luz –, mas entidades classicamente consideradas partículas poderiam ter comportamento de onda – como os elétrons. Na década de 1920, as interpretações do comportamento ondulatório da matéria e o formalismo matemático desenvolvido conduziram a uma formulação da mecânica adequada ao mundo microscópico, a mecânica quântica, delimitando decisivamente os revolucionários limiares da física moderna.

Referências bibliográficas:

EISBERG, R.; RESNICK, R. Física Quântica: Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas. Rio de Janeiro: Elsevier, 1979. p. 19-42.

FEYNMAN, R. P. Lições de Física de Feynman. Porto Alegre: Bookman, 2008. p. 1-12.

HEWITT, P. G. Física Conceitual. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 582-610.

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