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Fisica Quantica

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Por:   •  6/4/2014  •  2.627 Palavras (11 Páginas)  •  380 Visualizações

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O SURGIMENTO DA FÍSICA QUÂNTICA

(NOTAS DE AULA)

SILVIO SENO CHIBENI

Departamento de Filosofia - IFCH - UNICAMP

A história das grandes transformações sofridas pela física e que culminaram na formulação da mecânica quântica na segunda metade da década de 1920 começou no primeiro ano do século, quando 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 freqüências; 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.

Figura 1: Espectro de radiação do corpo negro, para T=1600oK.

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Cálculos dessa grandeza a partir das teorias clássicas  eletromagnetismo, mecânicas clássica e estatística  fornecem resultados em completo desacordo com os dados empíricos, como se vê no gráfico (curva de Rayleigh-Jeans), exceto na região de altos comprimentos de onda (ou baixas freqüências). Essa discrepância constituiu um problema grave para a física do final do século passado. Depois de várias tentativas fracassadas de obter os resultados experimentais corretos através de manipulações nas teorias clássicas, Planck percebeu que com a simples introdução da hipótese de que os osciladores eletrônicos, responsáveis pela emissão da radiação eletromagnética (luz), só podem vibrar com determinados valores de energia podia obter previsões teóricas em perfeito acordo com a experiência. Ora, tal hipótese, além de ad hoc, não parecia ser fisicamente admissível, dada a sua incompatibilidade com um ponto básico das teorias da época. A quantização da energia de oscilação dos elétrons conflita com o caráter contínuo da energia, conforme sempre se aceitou, e com boas razões, inclusive de ordem experimental.

Malgrado a repugnância que lhes causava, e a desestruturação das bases da física que acarretava, essa hipótese acabou sendo provisoriamente tolerada pelos físicos, pois era a única de que se dispunha para dar conta dos fatos. Prosseguiu-se, porém, imaginando que a quantização ocorreria apenas nos osciladores eletrônicos atômicos, mas não na energia irradiada, que, segundo o eletromagnetismo, se propaga na forma de ondas eletromagnéticas.

Em 1905, porém, Einstein propôs, no segundo dos três artigos que publicou naquele mesmo ano (do primeiro já falamos; o terceiro artigo deu a público a teoria da relatividade especial), que a quantização deveria ser estendida à energia eletromagnética livre. Essa idéia de Einstein, talvez ainda mais inaceitável que a de Planck, surgiu no contexto de suas investigações de um fenômeno descoberto por Hertz em 1887, o chamado efeito fotoelétrico. Tal efeito consiste no favorecimento da emissão de raios catódicos (elétrons) propiciado pela incidência de luz sobre o cátodo. Um esquema simplificado do aparelho para a observação do efeito é o seguinte:

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Figura 2: O efeito fotoelétrico.

Até o trabalho de Einstein, esse fenômeno não despertou muito a atenção dos físicos. Supunha-se que a energia transferida pelas ondas eletromagnéticas de luz aos elétrons do cátodo provocava o seu desprendimento, para que se movessem na direção do ânodo, formando-se assim uma corrente elétrica através do circuito. Ao propor que a energia eletromagnética da luz era quantizada, ou seja, que se propagava em “pedaços”, ou “quanta” (posteriormente batizados com o nome de fótons), Einstein previu que se fossem realizados experimentos para a medição de certos parâmetros do efeito fotoelétrico, os resultados mostrariam que sua hipótese, e somente ela, forneceria as previsões corretas. Essas inusitadas previsões eram: 1) que a energia cinética dos elétrons independeria da intensidade da luz; 2) que existiria uma freqüência de corte da luz incidente, abaixo da qual o efeito cessa, não importando quão intensa seja a luz; e 3) que os elétrons seriam ejetados imediatamente, não importando quão baixa seja a intensidade da luz.

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Ora, essas três previsões contrariam de modo frontal as previsões clássicas, que partem do pressuposto de que a luz é uma onda eletromagnética, e que portanto a energia que transporta se distribui continuamente pelo espaço.

Para perplexidade geral, medições cuidadosas realizadas em 1914 pelo grande experimentalista americano Robert Millikan confirmaram as previsões de Einstein. Foi por este trabalho e pela determinação da razão carga/massa do elétron que Millikan ganhou o Prêmio Nobel, em 1923; e foi por haver explicado (antecipadamente!) as observações de Millikan que Einstein ganhou o seu, em 1921.

Uma importante confirmação independente da hipótese do quantum de luz surgiu em 1923, com a detecção, pelo físico americano Arthur Compton, de um fenômeno que ficou conhecido como efeito Compton. Em seu experimento Compton bombardeou um alvo de grafite com raios-X de uma dada freqüência. Medindo a freqüência da radiação espalhada pelo alvo, verificou que surgia, ao lado da esperada radiação com a freqüência da radiação incidente, outra com freqüência menor. Em termos da teoria ondulatória da radiação eletromagnética  e tinha-se como certo que os raios-X eram uma radiação desse tipo, já que se haviam observado difração e interferência de raios-X , a existência da radiação “anômala” detectada era completamente inexplicável. Se se assume, porém, que os raios-X também são quantizados, ou seja, consistem de “partículas”, o efeito pode ser explicado em termos simples. Ao colidir com os elétrons do grafite, tais partículas transferem-lhes parte de sua energia, sendo pois refletidas com menos energia do que tinham antes. Essa

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