EVOLUO DA FSICA II

FSICA QUNTICA

Primeiros Anos do Sculo XX...

Inaplicabilidade de leis e de princpios da Mecnica e da Eletrodinmica clssicas ao mundo atmico e molecular (tomo de Rutherford).

A Fsica clssica no tem como explicar a existncia de molculas.

Primeiros Anos do Sculo XX...

A partir dos trabalhos pioneiros de Niels Bohr, e de Louis de Broglie, seria desenvolvida a chamada Mecnica quntica, na base das pesquisas e formulaes de

Max Born (1882-1970),

Ernst Pascual Jordan (1902-1980),

Werner Heisenberg (Mecnica matricial),

Erwin Schrdinger (Mecnica ondulatria),

Wolfgang Pauli e Paul Adrien Maurice Dirac, a qual daria respostas apropriadas aos fenmenos no mundo atmico

e subatmico.

Dualidade Partcula/Onda

Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987).

De famlia aristocrtica francesa.

Formado em Histria.

Interesse intelectual voltado para a Fsica,

ao estudar os trabalhos de Planck e de Einstein.

Formou-se durante a Primeira Guerra Mundial emCincias fsicas, e, aps o conflito, trabalhou emFsica terica no laboratrio de seu irmo, napesquisa da estrutura da matria, utilizando raios-X.

Dualidade Partcula/Onda

(1924) Tese de doutorado (Pesquisa sobre a Teoria dosQuanta), com sua revolucionria tese de Mecnicaondulatria, na qual toda a partcula material estariaassociada a uma onda, pelo que o eltron poderia serconcebido como partcula-onda.

Sustentaria que, como todos os fenmenos naturaisenvolviam certa forma de matria e de radiao (ondaseletromagnticas), toda onda deveria ter, igualmente,propriedades da partcula, e toda matria deveria ter,igualmente, propriedade de onda.

Definiria o eltron como partcula-onda, apesar de nohaver, na poca, nenhuma evidncia experimental danatureza ondulatria das partculas.

de Broglie

Receberia o PNF em 1929 .

Medalha Max Planck de 1938.

Escreveu os livros Introduction ltude de lamcanique ondulatoire(1930) e Certitudes etIncertitudes de la Science(1966).

Dualidade Partcula/Onda

(1927) A teoria seria confirmada por Clinton JosephDavisson (PNF-1937) e Lester Germer (1896-1971),quando examinaram a disperso dos eltrons lentos porsuperfcies lisas.

Verificaram que a relao entre o ngulo da intensidademxima, a velocidade dos eltrons e o espaamento dasmalhas de crista a mesma que para uma onda, com acondio de que se atribua aos eltrons um comprimentode onda, dado pela frmula de Louis de Broglie, ou seja,um feixe de eltrons sofria difrao como acontece comuma onda.

(1925) Quatro outros desenvolvimentos tericos e experimentais...

O fsico ingls Patrick Maynard Stuart Blackett (1897-1974, PNF-1948) publicaria sua experincia com acmara de Wilson, havendo fotografado, pela primeira vez,a trajetria de um prton.

A introduo pelos fsicos holandeses Samuel Goudsmit(1902-1978, MMP-1964) e George Uhlenbeck (1900-1988, MMP-1964) de nmeros qunticos fracionrios paraexplicar o espectro do hidrognio e a formulao dahiptese de que os eltrons possuam uma rotaointrnseca, a que denominaram spin(giro).

O eltron se comportaria como girando em torno de seueixo, com propriedades de um m, como se tivesse ummomento angular intrnseco (spin) em torno de seu eixo.

Wolfgang Pauli, props um modelo de tomo baseadoem eltrons de quatro nmeros qunticos (o quartonmero s poderia ter dois valores: -1/2 ou 1/2, sob oargumento de que dois eltrons no poderiam ocupar omesmo estado quntico, mas dois eltrons poderiamocupar uma mesma rbita. (PRINCPIO DA EXCLUSO)

Mecnica Quntica

Erwin Schrdinger (1887-1961)

Em 1925, Schrdinger inventaria sua conhecidaequao matemtica, uma equao de onda, em queo eltron deixaria de ser um ponto posicionado emvrios locais em volta do ncleo do tomo para serrepresentado como uma onda vertical, girando emvolta e pelo ncleo em nveis definidos de energia.

Erwin Schrdinger

A teoria Mecnica quntica ondulatria, com aEquao para ondas estacionrias dos eltronsatmicos, foi exposta em seis artigos, publicados em1926 no Annalen der Physik, de Leipzig.

(1927), sucedeu a Max Planck como professor deFsica terica na Universidade de Berlim.

Em 1933, com a ascenso do nazismo, transferiu-separa a Inglaterra (Oxford), e compartilhou o PrmioNobel de Fsica com Paul Dirac, e a Medalha MaxPlanck (MMP) de 1937.

Werner Heisenberg (1901-1976)

(1925) Utilizando-se da lgebra matricial paradescrever o eltron, desenvolveria a chamadaMecnica matricial.

Estudou com Max Born e doutorou-se em 1923. Deseus contatos em Gttingen com Bohr, aceitou oconvite para colaborar no Instituto de Fsica tericade Copenhague.

Para fundamentao matemtica contou com acolaborao dos fsicos alemes Max Born (MMP-1948) e Ernst Pascual Jordan (1902-1980, MMP-1942).

Duas Teorias: mesmos resultados

A dificuldade seria resolvida com a Teoria dacomplementaridade de Bohr.

Segundo a teoria de Bohr, os conceitos de onda e departcula eram duas descries complementares damesma realidade cada uma sendo apenasparcialmente correta e de mbito limitado, ou seja,apesar de suas estruturas e conceitos diferentes, asduas teorias eram equivalentes.

Werner Heisenberg

Heisenberg em 1927, seu famoso artigo Sobre o Contedo Intuitivo da Cinemtica Quntica e Mecnica, no qual props o Princpio da Incerteza.

O princpio formulado teria o decidido apoio de Bohr, e seria conhecido como a interpretao de Copenhague, marco do nascimento da Mecnica quntica.

Werner Heisenberg

De 1927 a 1941, Heisenberg seria professor de Fsicada Universidade de Leipzig, onde trabalhou comPauli, com quem desenvolveria a Eletrodinmicaquntica.

Diretor do Instituto Kaiser Guilherme (atualInstituto Max Planck), tendo falecido de cncer.

Heisenberg receberia por suas contribuies para aMecnica quntica o Prmio Nobel de Fsica de 1932e a Medalha Max Planck de 1933.

Modelo Atmico Orbital

Em 1926, generalizaria a teoria partcula-onda para abrangerpartculas ligadas, como eltrons nos tomos.

A equao contempla os resultados de Bohr para as energiasdo tomo de hidrognio e explica, igualmente, com grandepreciso, as propriedades de todos os tomos.

Este modelo quntico considera o eltron como onda dematria, e adota a Equao de Schrdinger, que serve para seobter a energia do eltron e sua posio mais provvel numdado instante. Nessa formulao, no era possvel determinara trajetria da partcula.

Schrdinger

Seu trabalho reforava a formulao Heisenberg,segundo a qual, quanto maior a precisoexperimental de posio de um eltron, menor apreciso na determinao de seu momento linear, evice-versa.

Como ambos os parmetros so essenciais para seconhecer a trajetria, Heisenberg descartava, assim,o conceito (vlido para partcula macroscpica) detrajetria, e sustentava que a posio de umapartcula no poderia ser prevista com exatido, e spoderia ser determinada por meio do experimento.

O modelo deixaria de ser determinstico para ser probabilstico, estatstico.

O modelo quntico atual mantm as sete regies de nveis de energia, ou camadas eletrnicas, que para os 92 elementos qumicos existentes so K (2 eltrons), L (8), M (18), N (32), O (32), P (18) e Q (2); os quatro subnveis de energia (s, p, d, f) esto dentro das camadas, cada com um nmero mximo de eltrons (s- 2, p- 6, d-19, f- 14).

Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984)

Matemtico e fsico o matemtico e fsico.

Graduou-se Dirac em Engenharia eltrica e Matemtica na Universidade de Bristol, e, em 1923, ganhou uma bolsa para pesquisa no St. Johns College, em Cambridge, onde estudou as Teorias atmica e quntica e conheceu Niels Bohr.

(1926) Tese de doutorado em Fsica, sobre a Mecnica matricial de Heisenberg. Participou em 1927, da V Conferncia de Solvay, em Bruxelas, onde apresentou sua Teoria da transformao, mostrando a equivalncia das abordagens de Heisenberg e Schrdinger.

Conferncia de Solvay

Dirac

Ao aplicar a funo de onda da Equao de Schrdinger aocampo eletromagntico, Dirac trouxe o campo de foraeletromagntico para o domnio da Mecnica quntica, o queo torna pioneiro no desenvolvimento da Eletrodinmicaquntica.

Em 1928, formularia, com a incorporao de conceitos daTeoria da relatividade (Teoria relativstica do eltron), suafamosa equao (Equao de Dirac) para descrever ocomportamento do eltron, uma deficincia da Equaode Schrdinger, por no contemplar o spin do eltron,descoberto, em 1925, por Uhlenbeck e Goudsmit.

Baseado em sua Equao, chegaria, em 1930, concluso deque a emisso beta poderia ser explicada por uma novapartcula subatmica com a mesma massa do eltron, mascom carga positiva equivalente.

Dirac

A proposta da existncia de uma antimatria (no caso umeltron positivo), nova e revolucionria, seria recebida comceticismo e tida como absurda no meio cientfico.

A Equao de onda de Dirac para o eltron relativstico nos determinava os nveis energticos, mas tambmintroduzia, automaticamente, o spin do eltron,aperfeioando, assim, a Teoria ondulatria no relativsticado eltron com spin, de Wolfgang Pauli.

(1932) O psitron seria descoberto por Carl Anderson(1905-1991), em sua pesquisa de raios csmicos,confirmando, assim, a previso de Dirac.

Acrescentou uma nova dimenso de matria, a antimatria,ao Universo.

Dirac

Dividiria com Schrdinger o Prmio Nobel de Fsica de1933 e a Medalha Max Planck de 1952.

Dirac autor das importantes obras:

Quantum Theory of the Electron(1928)

Principles of Quantum Mechanics(1930)

Alm de ter escrito muitos artigos e proferidoconferncias sobre Mecnica quntica, Relatividade,Cosmologia.

Foi professor de Matemtica da Universidade deCambridge de 1932 a 1969, e, em 1971, assumiu a ctedrade Fsica da Universidade do Estado da Flrida.

Controvrsia Einstein-Bohr

Uma das mais famosas e longas controvrsiascientficas seria travada, nas dcadas de 20, 30 e 40,entre dois campos opostos, surgidos na Fsica apartir da formulao da chamada interpretao deCopenhague sobre o modelo probabilstico daMecnica quntica.

Foi nesse contexto que Einstein proferiu seu famosoargumento de que Deus no joga dados, a queBohr teria retrucado: pare de dizer o que Deuspode ou no pode fazer.

Controvrsia Einstein-Bohr

Einstein no concordava com o carter aleatrio da teoria quntica, e se oporia interpretao de Heisenberg/Bohr de que a realidade era criada pelo observador.

De seu lado, se colocariam, alm do prprio criador da Hiptese quntica, Planck, fsicos como Marie Curie, Schrdinger, von Laue, Rosen, David Bohm.

Em apoio nova Mecnica, Bohr e Heisenberg contariam com o apoio de Born, Pauli, Dirac, entre outros.

Controvrsia Einstein-Bohr

Num primeiro momento, a crtica de Einstein se concentraria na acusao de que a interpretao de Copenhague recolocava o Homem no centro do Cosmos, de onde Coprnico o expulsara havia cerca de 500 anos.

Nesse sentido, escreveu: a crena num mundo externo independente da percepo subjetiva a base de todas as Cincias naturais.

Bohr argumentava que, graas a Einstein, a Cincia adotara a relatividade do Espao e do Tempo, dependentes do estado de movimento do observador.

Nesse sentido, a Mecnica quntica apenas estendeu a realidade dependncia do observador. Forado a reconhecer que a Mecnica Quntica descrevia corretamente todas as experincias atualmente concebveis, Einstein passaria a alegar ser ela incompleta, pois s faz previses estatsticas.

Controvrsia Einstein-Bohr

A essa crtica, Bohr respondia tratar-se, na verdade, de umavirtude, e no de fraqueza, porque correspondia indeterminao que existe no mundo.

Para mostrar que a Teoria quntica era incompleta, Einstein,em 1935, com a colaborao dos fsicos Boris Podolsky (1896-1966) e Nathan Rosen (1909-1995), publicaria um artigo, noPhysical Review, intitulado Se a realidade fsica descritapela Mecnica Quntica pode ser consideradacompleta.

No artigo, os autores afirmavam que se, sem perturbar umsistema fsico, for possvel predizer com certeza (isto , com aprobabilidade igual a um) o valor de uma quantidade fsica,ento existe um elemento de realidade fsica correspondente aessa quantidade fsica e apresentavam um experimentomental.

Paradoxo EPR

Bohr refutou o argumento do que seria conhecido comoparadoxo EPR com seu Princpio da Complementaridade.

O irlands John Stuart Bell (1928-1990), publicou, em1964, artigo intitulado Sobre o Paradoxo EPR, com umteorema, argumentando existir uma grandeza que poderia sermedida, uma desigualdade de Bell que se fosse comprovada,Einstein estaria certo, e se no fosse, estaria a Mecnicaquntica.

Experincia levada a cabo pelo francs Alain Aspect (1947),em 1982, mostrou que a informao quntica pelo fenmenodo entrelaamento quntico se propaga instantaneamente,dando, assim, mais uma comprovao experimental Mecnica quntica.

REFERNCIA

ROSA, C. A. de P. Histria da Cincia: a cincia e otriunfo do pensamento cientfico no mundoconteporneo. 2. ed. Braslia: FUNAG, 2012.