História da Mecânica Quântica

A história da Física Quântica se dá a partir do século XX, quando a Física clássica já não era mais capaz de explicar alguns fenômenos relacionados aos estudos de corpos submetidos a elevadas temperaturas - emissão de radiação térmica, também conhecida como a catástrofe do ultravioleta, e outros problemas como, por exemplo, o comportamento dual da luz, a descrição da função de onda, o efeito fotoelétrico, o efeito Compton, os decaimentos radioativos, a produção de raios-X, entre outros fenômenos físicos. Ela surge na necessidade de analisar, explicar e descrever o comportamento dos sistemas físicos em dimensões próximas ao tamanho de moléculas, átomos e partículas subatômicas.

O responsável pela primeira grande descoberta da Mecânica Quântica foi o físico alemão Max Ludwing Planck com a quantização de energia, descoberta essa que explica um dos mais relevantes problemas da Física na época: a radiação de um corpo negro. Planck chegou ao resultado tentando explicar os dados do espectro de radiação de corpos negros, experimentos antes realizados por Lummer & Pringsheim e Rubens & Kurlbaum.

Ele defendeu que a irradiação do calor acontece em pequenas porções de energia e não em um fluxo constante, o que seria intuitivo a partir do conhecimento de física clássica, essas pequenas porções ou “pacotes” de energia foram denominadas de quanta, que significa quantidade, nome que deu origem a palavra quântica. Durante essa descoberta nasce, então, a constante de Planck representada pela letra h:

h=6,6310-34 m2 kg/s

A teoria de Planck foi postulada para provar que só existe na natureza energia em valores discretos: o quantum ou os quanta. Essa teoria é oposta a característica determinista da Mecânica Clássica que vigorava na época, dando origem, dessa forma, à Mecânica Quântica que apresentava como objeto de estudo a natureza em escala atômica e subatômica, onde as partículas que compõem os átomos também não obedecem as leis newtonianas.

Anos depois, em 1905, Albert Einstein publicou uma série de artigos que marcou a data como o “ano miraculoso da Física” (anni mirabilis). Num desses artigos, Einstein propôs que a quantização de energia deveria ser estendida a todo o espectro eletromagnético livre. Essa ideia 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, o que levou Einstein a ganhar o Prêmio Nobel, em 1921. Tal efeito consiste no aparecimento de um movimento ordenado de elétrons propiciado pela incidência de luz sobre certos materiais metálicos.

As inusitadas previsões nessa nova forma de descrever o mundo subatômico eram: 1) que a energia cinética dos elétrons independeria da intensidade da luz; 2) que existiria uma frequência 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.

Em 1924 Louis de Broglie publicou em sua tese de doutorado, que as partículas quânticas também apresentam um comprimento de onda, assim como a luz e, portanto, deveriam apresentar comportamento ondulatório em determinadas condições. O físico francês previu que os elétrons deveriam apresentar um padrão de interferência ao serem submetidos ao experimento de dupla fenda, assim como as ondas apresentam. Em 1927, sua hipótese foi confirmada pelo experimento de Davisson-Germer: estava estabelecida a dualidade entre onda e matéria.

O motivo por trás do comportamento dual da matéria permaneceu desconhecido até que, em 1927, Werner Heisenberg enunciou um princípio físico derivado das propriedades matemáticas da teoria quântica. De acordo com esse princípio, conhecido como o princípio da incerteza, há pares de variáveis que não podiam ser medidos simultaneamente com total precisão. A essas variáveis dá-se o nome de variáveis conjugadas.

Em 1926 Erwin Schrodinger deduz a sua famosa equação que descreve o comportamento ondulatório de partículas no interior de um átomo por meio de uma função de onda - está, uma equação diferencial parcial linear que descreve como o estado quântico de um sistema físico muda com o tempo. Ela permitiu a criação de um modelo completo para o átomo, foi construída com base no modelo atómico de Bohr incorporando as idéias quânticas de Planck. A equação de Schrödinger constitui a base do formalismo mais operativo da mecânica quântica e rege o comportamento de uma partícula a nível atômico.

Referências

[1] ANJOS, Talita Alves dos. "O nascimento da mecânica quântica "; Brasil Escola. Disponível em:

https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-nascimento-mecanica-quantica.htm#:~:text=O%20in%C3%ADcio%20da%20mec%C3%A2nica%20qu%C3%A2ntica,calor%20emitido%20por%20um%20corpo. Acesso em 22 de fevereiro de 2022.

[2] HELERBROCK, Rafael. "O que é física quântica?"; Brasil Escola. Disponível em:

https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-fisica-quantica.htm#:~:text=A%20F%C3%ADsica%20qu%C3%A2ntica%2C%20tamb%C3%A9m%20conhecida,mol%C3%A9culas%2C%20%C3%A1tomos%20e%20part%C3%ADculas%20subat%C3%B4micas. Acesso em 22 de fevereiro de 2022.

[3] Porto Editora – equação de Schrödinger na Infopédia. Porto: Porto Editora. Disponível em: https://www.infopedia.pt/$equacao-de-schrodinger. Acesso em 20 de fevereiro de 2022.

[4] Conhecimento Científico - Mecânica Quântica, o que é? História, conceituação e aplicabilidade. Disponível em: https://conhecimentocientifico.com/mecanica-quantica/. Acesso em 20 de fevereiro de 2022.