Teoria dos Quanta

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Teoria dos Quanta

Teoria dos QuantaA teoria dos quanta engloba o conjunto de princípios físicos capazes de descrever e explicar o comportamento da matéria e da luz nas escalas atômica e subatômica, por meio de interpretações que diferem daquelas sustentadas pela mecânica clássica e se baseiam na emissão descontínua de energia. A mecânica quântica busca descrever e explicar as propriedades das moléculas e átomos e de seus elementos constituintes: elétrons, prótons, nêutrons e partículas como os quarks. Essas propriedades incluem as interações das partículas entre si e com a radiação eletromagnética.

Influenciados pelas ideias de Newton, a maioria dos físicos do século XVIII acreditava que a luz consistia de partículas, chamadas corpúsculos, mas já começavam a acumular-se evidências da teoria ondulatória da luz, aceita quase universalmente no fim do século XIX. Em 1900 o físico alemão Max Planck formulou uma hipótese audaciosa, segundo a qual a radiação é emitida de forma descontínua, em minúsculos pacotes denominados quanta, teoria que representou um impulso fundamental à ciência contemporânea.

Radiação e Corpo Negro
Radiação e Corpo NegroNo século XIX, várias pesquisas baseadas em teorias da física clássica buscaram explicar o fenômeno da radiação, um tipo de energia capaz de propagar-se no espaço na ausência de meio material e que se apresenta sob diferentes formas (ondas eletromagnéticas, raios infravermelhos, luz visível, raios ultravioleta, raios X, raios gama). Essas interpretações partiam do estudo da radiação num corpo negro, radiador ideal hipotético capaz de absorver e reemitir toda a energia radiante que sobre ele incide.


As ideias da física clássica, no entanto, embora explicassem os fenômenos de interferência e difração relativamente à propagação de luz, não esclareciam a absorção e a emissão de luz. Todos os corpos irradiam energia eletromagnética na forma de calor; na verdade, um corpo emite radiação em todos os comprimentos de onda. A energia irradiada é máxima num comprimento de onda que depende da temperatura do corpo; quanto mais quente o corpo, mais curto o comprimento de onda para a radiação máxima.

Até o início do século XX acreditava-se que a energia irradiada por um corpo negro existia sob a forma de ondas eletromagnéticas contínuas. Essas pesquisas permitiram explicar o fenômeno do arco-íris e calcular a temperatura da superfície solar (leis de Stefan-Boltzmann e de Wien), mas não resultaram na formulação de uma expressão matemática universal da questão, que permitisse conhecer a composição do espectro formado por todos os comprimentos de onda em que se pode decompor a radiação em função da temperatura. Era preciso mudar a base de raciocínio. O físico alemão Max Planck foi o primeiro a pensar que a chave do problema podia estar na descontinuidade da energia radiante.

Teoria do Quantum de Ação de Planck

Teoria do Quantum de Ação de Planck

A partir de resultados experimentais, Planck enunciou, em 1900, uma fórmula matemática capaz de fixar o poder emissivo do corpo negro para todos os comprimentos de onda. Planck considerava as moléculas do corpo negro osciladores elétricos lineares (um oscilador harmônico ou linear é qualquer partícula oscilante na qual o deslocamento seja periódico e possa ser representado matematicamente como função senoidal do tempo). A elas aplicou as leis dos movimentos harmônicos e usou sua hipótese para determinar o estado microscópico do sistema e formular a teoria quântica. Planck concluiu que a energia radiante não é emitida de forma contínua, mas como múltiplos inteiros de uma quantidade, o quantum, ou seja, só podem ser emitidas certas quantidades discretas de energia e nunca valores intermediários. A energia de um quantum pode ser descrita pela fórmula  , em que   é a frequência (inversamente proporcional ao comprimento de onda) da radiação emitida ou absorvida, e h a constante universal de Planck, cujo valor é 6,63 x 10-34 joules por segundo.

A teoria de Planck segundo a qual a energia radiante é descontínua como a matéria, não só estava em contradição com as ideias admitidas até a época, como também com a natureza ondulatória dessa energia, comprovada em vários estudos experimentais. Por essa razão, Planck tentou conciliar sua teoria com a física clássica ao afirmar que, ainda que a emissão fosse descontínua, a absorção se mantinha contínua.

A teoria quântica de Planck foi usada em 1905 por Albert Einstein para explicar o efeito fotoelétrico -- a liberação de elétrons de alguns metais em função da incidência de luz ou outro tipo de radiação eletromagnética. Em 1887, Gustav Ludwig Hertz observara que determinados materiais emitiam cargas elétricas quando submetidos à ação da luz. Comprovou-se mais tarde que todos os metais apresentam esse efeito ao serem submetidos à ação de raios de comprimento de onda suficientemente pequeno. Para os metais alcalinos, o fenômeno ocorria dentro da gama visível de radiações. Esse efeito não era explicável com base na teoria ondulatória da luz.

Ao estudar o fenômeno a partir da teoria de Planck, Einstein concluiu que a energia luminosa emitida em forma de quanta conserva sua natureza descontínua durante a propagação e é absorvida da mesma maneira. De acordo com essa interpretação, a energia luminosa de frequência   era transportada por corpúsculos de energia  , chamados por Einstein de quanta de luz, mas posteriormente denominados fótons.

A energia   de um fóton incidente é empregada para realizar o trabalho de arrancar um elétron do átomo e para conferir-lhe energia cinética. Se um fóton não dispõe de energia suficiente, é impossível somar a energia de outro fóton para conseguir arrancar um elétron. Deduz-se assim que para o processo de liberação dos elétrons, a energia total dos raios que incidem sobre o metal não influi, mas sim sua frequência  , que determina a energia individual de cada fóton.

De acordo com esse modelo físico, ainda que um feixe de raios do intervalo vermelho do espectro eletromagnético (raios infravermelhos) tenha muita energia em conjunto, ou seja, muitos fótons, a energia de cada fóton é pequena, porque a luz vermelha, de grande comprimento de onda, tem baixa frequência e o valor de   (a energia do fóton) é pequeno, e como consequência essa energia não é suficiente para arrancar um elétron do metal. Essa explicação do fenômeno fotoelétrico foi a primeira confirmação da teoria quântica e valeu a Einstein o Prêmio Nobel de física em 1921.

Números Quânticos

Números Quânticos

Em 1913, Niels Bohr empregou a teoria de Planck para formular um modelo atômico no qual os elétrons giram em orbitais (níveis energéticos) em torno do núcleo, da mesma forma que os planetas gravitam em torno do Sol no sistema solar. Um átomo em seu estado fundamental apresenta elétrons em seus níveis energéticos mais baixos. Ao receber energia radiante ou resultante da colisão com outros elétrons, o elétron salta de seu nível energético para outro de maior energia e entra num estado excitado. Como essa é uma situação instável, o átomo, ao retornar a seu nível energético inicial, emite energia eletromagnética na forma de quanta de luz, ou fótons. Segundo Bohr, as únicas órbitas permitidas são aquelas para as quais o momento angular do elétron é um número inteiro n, número quântico principal, multiplicado por.

O alemão Arnold Sommerfeld modificou essa teoria e criou outro número quântico, o secundário ou orbital l, para tornar a órbita elíptica. Mais tarde se criou o número quântico magnético m, que indica a inclinação da órbita e o número quântico de spin s, que determina o sentido de rotação do elétron. A ordem dos valores que esses números podem adotar deu origem a uma distribuição de níveis e subníveis energéticos, a partir da qual pode-se determinar a estrutura eletrônica dos átomos e, consequentemente, a tabela periódica dos elementos.

Mecânica Quântica

Mecânica Quântica

Embora se aplicasse apenas ao átomo de hidrogênio, o modelo atômico de Bohr representou o ponto de partida para a elaboração do conceito de mecânica quântica. Em 1924, o francês Louis de Broglie postulou que, da mesma forma que as radiações, a matéria comporta-se ora como onda, ora como partícula, o que ficou evidenciado em experiências posteriores que demonstraram o fenômeno de difração de elétrons. Dois anos depois, Erwin Schrödinger descreveu esse comportamento mediante uma estrutura matemática denominada mecânica ondulatória.

Descartada a concepção tradicional do elétron como uma simples carga pontual num meio sem estrutura, passou-se a aceitar que essa partícula em movimento é sempre acompanhada de uma série de ondas que, em última análise, determinam sua direção. Para definir a natureza ondulatória do elétron, o alemão Werner Heisenberg enunciou em 1927 o princípio da incerteza, segundo o qual é impossível realizar qualquer medição numa partícula muito pequena sem afetar seu estado natural. Ao utilizar um supermicroscópio, por exemplo, para determinar a posição de um elétron, a radiação empregada, com um comprimento de onda muito pequeno e uma elevada energia, modificaria o momento e, portanto, a velocidade do elétron. Heisenberg adotou então uma interpretação que apenas indica as regiões do espaço nas quais é mais provável que o elétron se encontre.

Ao aplicar a mecânica quântica ao estudo do átomo, desapareceram as trajetórias deterministas dos primeiros modelos atômicos, que foram substituídas por expressões de probabilidade ou pelas equações de onda criadas por Erwin Schrödinger. Nesse sentido, a mecânica quântica não apenas eliminou os problemas lógicos da física teórica, como também permitiu resolver novos problemas, tais como a interpretação das forças de valência e de forças intermoleculares nas ligações químicas.

Eletrodinâmica Quântica

Eletrodinâmica Quântica

A extensão dos princípios quânticos às interações estabelecidas entre partículas atômicas carregadas e um campo eletromagnético torna a física atômica e nuclear um vasto campo de experimentação para essa teoria, em virtude do comportamento fundamentalmente eletromagnético dos átomos e das moléculas. Essa interpretação, conhecida como eletrodinâmica quântica, demonstrou sua eficácia na detecção de algumas partículas subatômicas com uma precisão de milionésimos.

Desde que, em 1931, o britânico Paul Adrien Dirac fundou as bases da eletrodinâmica quântica com a descoberta de uma equação explicativa do movimento de spin, ou rotação do elétron, que incorporava a teoria quântica e a da relatividade de Einstein, a física se aperfeiçoou até chegar à conclusão definitiva de que as partículas carregadas interagem por emissão e absorção de fótons. Esses fótons são virtuais, ou seja, os fenômenos a eles relacionados ocorrem como se esses corpúsculos existissem, embora não possam ser vistos ou detectados.

A interação de duas partículas carregadas ocorre em séries de processos de complexidade crescente. No caso mais simples apenas intervém um fóton. Num processo de segunda ordem são dois os fótons envolvidos, e assim sucessivamente. Esses processos correspondem a todas as formas possíveis nas quais as partículas podem interagir por intercâmbio de fótons virtuais, e cada um deles pode ser representado graficamente por meio do modelo de diagrama idealizado por Richard Feynman, físico americano que desenvolveu a eletrodinâmica quântica na forma como ela é mais conhecida. Segundo sua interpretação, a emissão e absorção de fótons são realizadas por partículas carregadas, como elétrons ou pósitrons.

Todos os fenômenos que ocorrem em sistemas microscópicos manifestam uma quantização. Isso quer dizer que se realizam de acordo com múltiplos de pequenos valores, os quanta.

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