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O Mundo misterioso dos quanta e das ondas

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1domingo, 28 de Setembro de 2008

O Mundo misterioso dos quanta e das ondas*

A pedido do grupo de professores de português do 6º ano daEscola E. B.- 2º/3º Ciclo Dr. José de Jesus Neves Júnior, 15 de Junho de 2007

José FigueiredoCentro de Electrónica, Optoelectrónica e TelecomunicaçõesDepartamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia

Universidade do Algarve(http://w3.ualg.pt/~jlongras/palestras.html)

* Baseada no livro “O tio Alberto e o mundo dos Quanta”, Russell Stannard, Edições 70. Recomendado pelo Plano Nacional de Leitura para o 6º ano de escolaridade.


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Conteúdo

� O significado das palavras

� De que é feita a matéria?

� E a luz de que é feita?

� Dualidade onda-partícula

� O princípio da incerteza O tio Alberto

Louis Werner

Max (Planck)

Erwin Max (Born)

Niels

Alguns dos presentes no jantar dos cientistas malucos

Foto dos participantes no congresso (e jantar) do Hotel Savoy, Londres, 27 Outubro de 1930.


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O significado das palavras (para pensar e estudar) 1(semântica, «a arte da significação»)

Quanta: designação latina usada em física como plural de

quantum;

Teoria dos quanta: o m. q. teoria quântica;Teoria quântica: teoria introduzida por Max Planck, físico alemão (1858-1947), segundo a qual a emissão ou absorção de energia se faz de maneira descontínua e por múltiplos inteiros de uma mesma quantidade, para a mesma frequência, o quantum hv, o fotão.

Quantum: (Física) palavra latina inicialmente usada para designar a

quantidade discreta de energia electromagnética, o fotão, de

grandeza hv, onde v é a frequência da radiação e h uma constante

universal, a constante de Planck (do lat. quantu-, «quão grande»);


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O significado das palavras … 2

Partícula: corpo de dimensões infinitamente pequenas;

Partícula elementar (física): partícula que não é composta de constituintes mais simples; designação das várias formas que a energia pode tomar para se tornar matéria;

Onda (física): perturbação, contínua ou transitória, que se propaga com transporte de energia através de um meio físico;

Comprimento de onda: a distância ou espaço de propagação, durante um período, num fenómeno ondulatório;

Luz (física): designação que compreende não só as radiações visíveis, mas também as radiações electromagnéticas invisíveis.

Matéria (física): aquilo de que um corpo é feito, que ocupa espaço, tem massa e pode impressionar os nossos sentidos corporais;


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Tudo o que existe é feito de matéria e energia


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Que se podem manifestar de muitas formas …


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De que é feita a matéria?


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Toda a matéria macroscópica é feita de moléculas Molécula (Química): menor porção de uma substância, formada por

átomos, de um elemento ou elementos diferentes, que conserva as

propriedades químicas características dessa mesma substância (do lat. escol.

molecûla-, dim. de moles, -is, «massa»).

Átomo (Física): porção mais pequena de matéria que caracteriza um

elemento químico, composta por um núcleo (formado pelos protões e pelos

neutrões), muito menor que o átomo, e pela nuvem electrónica (formada

pelos electrões, cujo número é sempre igual ao dos protões num átomo

neutro); na filosofia antiga, partícula indivisível da matéria (do gr. átomos,

«indivisível»).

Electrão (Física): partícula fundamental carregada de electricidade negativa (carga elementar) que entra na constituição de todos os átomos e éresponsável pelas forças de ligação entre átomos nas moléculas (do gr. élektron, «âmbar-amarelo»).


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“Moléculas famosas” (para estudar)

Água Sal da cozinha

Etanol (C2H6O)

ADN

Futebuleno


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Os elementos naturais (para pensar e estudar)

Urânio

No Universo há apenas 92 elementos. Todo o que não foi criado pelo homem só contém matéria formada por átomos destes elementos. O Hidrogénio é o mais simples: possui um protão no núcleo orbitadopor um electrão. O Urânio é o maior, possuindo um núcleo com 92 protões e 146 neutrões, e uma nuvem electrónica formada por 92 electrões.

Hidrogénio (Prótio, deutério e trítio )

Ver também: http://w3.ualg.pt/~jlongras/O-atomo.swf.


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Os elementos naturais (para pensar e estudar)

Urânio

No Universo há apenas 92 elementos. Todo o que não foi criado pelo homem só contém matéria formada por átomos destes elementos. O Hidrogénio é o mais simples: possui um protão no núcleo orbitadopor um electrão. O Urânio é o maior, possuindo um núcleo com 92 protões e 146 neutrões, e uma nuvem electrónica formada por 92 electrões.

Hidrogénio (Prótio, deutério e trítio )Oxigénio

Ver também: http://w3.ualg.pt/~jlongras/O-atomo.swf.


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A tabela periódica dos elementos (para estudar)

Primeira tabela periódica

Ver http://w3.ualg.pt/~jlongras/tabela_periodica.swf


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Qual é o tamanho do átomo?

O átomo é mesmo muito pequeno.Vamos ver quanto.


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Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm

� 1 metro � 10 centímetros

Para “ver” os átomos, vamos imaginar que ficamos gradualmente muito pequenos …

O que vemos na área de ~1 m2 (10 000 cm2).

Na área de ~100 cm2.


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� 1 centímetro � 1 milímetro

Mais pequenos ainda …

Na área de ~1 cm2 vemos parte da mosca.

Na área de ~1 mm2 vemos o olho da mosca.


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� 100 micrómetros � 10 micrómetro

E ainda mais …

Na escala dos 10 micrómetros (10-5 m) as células ficam quase individualizadas.

Na escala dos 100 micrómetros (10-4 m) vemos os constituintes dos olhos da mosca.


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18domingo, 28 de Setembro de 2008Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm

� 1 micrómetro

Para o átomo ainda estamos enormes …

Na escala do micrómetro (10-6 m) é possível ver algumas células.

Pentium Intel

1 micrómetro é a dimensão típica dos componentes de um microprocessador(transístores, díodos, resistências, condensadores, etc.).


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� 10 nanómetros

Temos de continuar a diminuir …

As moléculas de ADN tem larguras da ordem de alguns nanómetros (10-8 m).

Aos 100 nanómetros (10-7 m) épossível ver o interior dos cromossomas.

� 100 nanómetros


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� 1 nanómetro � 100 picómetros

Até que enfim temos o tamanho do átomo …

A 100 picómetros (10-10 m) só se vê parte da nuvem formada pelos 6 electrões do átomo de carbono.

Na escala de 1 nanómetros (10-9 m) vêm-se alguns átomos de carbono.


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� 10 picómetros � 1 picómetro

Se continuarmos a ficar mais pequenos …

A 1 picómetro (10-13 m) vê-se o espaço vazio entre o núcleo e as órbitas dos electrões e começa-se a ver o núcleo.

A 10 picómetros (10-11 m) ainda sóse vê parte da nuvem electrónica formada pelos 6 electrões.


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� 100 fentómetros � 10 fentómetros

Um pouco mais …

A 10 fentómetros (10-14 m) seria possível ver o núcleo de um átomo de carbono (6 protões e 6 neutrões).

A 100 fentómetros (10-13 m) o núcleo atómico ainda aparece pequeno.


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� 1 fentómetro � 100 atómetros

chegamos ao fim da viagem … ufa!!

A 100 atómetros (10-16 m) seria possível examinar os ‘quarks’.

A 1 fentómetro (10-15 m) seria possível ver a “face” de um protão (com os seus três ‘quarks’).


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Resumo dos constituintes da matéria

� A matéria “macroscópica” é formada por moléculas

� Que são grupos de átomos do mesmo ou de elementos diferentes

� Os átomos são possuem um núcleo e uma nuvem electrónica

� A nuvem electrónica é formada por electrões, que têm carga eléctrica negativa

� O núcleo de um átomo contém protões e pode ter neutrões

� Num átomo neutro o número de protões é sempre igual ao número de electrões

� O protão tem carga eléctrica positiva, oposta à do electrão.

� O átomo no estado natural é sempre electricamente neutro

� O neutrão tem carga eléctrica nula (a carga eléctrica total dos seus constituintes é zero)

� O protão e o neutrão são formados por três ‘quarks’ cada um.


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Os átomos em acção (para estudar)

A corrente eléctrica é devida ao fluxo de electrões alimentado pela pilha

Os átomos estão constantemente a emitir luz, que, em geral, não é visível.


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E a luz … de que é feita?


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As luzes de todos os dias


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Sabemos que há luz de diferentes cores


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E a luz … será um feixe de partículas ou uma onda?


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Pensava-se que a luz era um feixe de partículasQuando a luz atinge um obstáculo com um orifício macroscópico cria-se um feixe rectilíneo


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Mais tarde, achou-se que era uma onda …Ondas na água Ondas na água

Difracção da luz num orifício circular

Difracção da luz numa fenda

Difracção (água)

Orifício micrométrico

Orifício centimétrico


Comprimento de onda: de alguns centímetros a vários metros

Comprimento de onda da luz visível: de ~400 nm a ~700 nm.Ver filme http://w3.ualg.pt/~jlongras/Difracção%20da%20Luz%20-%201%20fenda.wmv


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A dualidade onda-partícula da luz


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De facto, quando se propaga, a luz comporta-se

como uma onda electromagnética …Difracção (água) PolarizaçãoDifracção da luz

Interferência (água) Interferência da luz Padrão de cores devido à interferência

Ver filme difracção: http://w3.ualg.pt/~jlongras/Difracção%20da%20Luz%20-%201%20fenda.wmv

Ver interferência: http://w3.ualg.pt/~jlongras/DoubleSlit.swf

2 fendas(2 fontes)

2 “fontes”


Orifício centimétrico


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Mas, quando interage com a matéria, comporta-se como sendo um feixe de partícula … os fotõesEfeito fotoeléctrico: os fotões “arrancam” electrões de alguns materiais

Este efeito é usado nas lojas e elevadores

Quando a luz incide na placa metálica, alguns electrões dos átomos da superfície são arrancados, sendo atraídos para o colector que está a um potencial positivo relativamente à placa metálica, criando-se uma corrente eléctrica no circuito (ver ponteiro do amperímetro).

O fotão é o «quantum» de radiação electromagnética (luz) cuja energia éigual ao produto da frequência da radiação pela constante de Planckhv, onde v é a frequência da radiação e h é a constante de Planck, uma constante universal (do gr. phõs, photós, «luz» + -ão).


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A luz laser

Laser - acrónimo de L[ight] A[mplification] (by) S[timulated] E[mission] (of) R[adiation], amplificação de luz por meio de emissão estimulada de radiação: dispositivo gerador de um feixe de radiação electromagnética intensa, quase monocromática, possuindo múltiplas aplicações.


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O laser (para estudar)

Díodo laser*

Laser é uma fonte de luz (visível ou invisível) muito intensa, compropriedades muito diferentes da luz criada pelas fontes de luz tradicionais.O laser funciona graças à dualidade onda - corpúsculo da luz. (O tio Alberto também têm a ver com isto.)

*Laser usado nas demonstrações que iremos fazer.


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Luz “comum” (para estudar)

Luz laserMonocormática

Coerente

Pouco divergente

Policromática (muitas cores)

Incoerente Muito divergente


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Mas a dualidade onda-partícula não éapenas uma característica da luz


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De facto, o electrão, os átomos, e algumas moléculas … também se comportam como ondasSe o orifício não for muito estreito, temos um feixe bem definido

Se o orifício for muito estreito observa-se o padrão de difracção

Se a dimensão do orifício for da ordem do comprimento de onda característicos das ondas associadas às partículas materiais, que é muito menor que o comprimento de onda da luz visível, observa-se difracção.

Interferência quântica dos electrões isolados

Ver filme difracção: http://w3.ualg.pt/~jlongras/Electron%20Double%20Slite%20Experiments.wmv

Água Água Luz Luz Franjas

Electrões Electrões Microscópio electrónico

Franjas

Orifício nanométrico


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Dualidade onda partícula observada com a molécula de futebuleno (C60)


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Dualidade onda-partícula (para pensar e estudar)Ver dualidade onda-partícula: http://w3.ualg.pt/~jlongras/ParticleWave.swf

�Qualquer processo pode ser interpretado seja em termos de corpúsculos (partículas) seja em termos de ondas. Contudo, está para além das nossas possibilidades provar que estamos realmente lidando com corpúsculos ou com ondas, pois não podemos determinar simultaneamente todas as outras propriedades que caracterizam umcorpúsculo ou uma onda, conforme o caso.

� Segundo Niels (Bohr), os aspectos corpuscular e ondulatório são complementares: se demonstrarmos o carácter corpuscular de uma experiência, não será possível verificar, ao mesmo tempo o seu carácter ondulatório, e vice-versa.

� Conclusão: tanto a matéria como a radiação (energia) podem apresentar os dois comportamentos, embora nunca os possamos “ver”ao mesmo tempo.

Ver dualidade onda-partícula: http://w3.ualg.pt/~jlongras/ParticleWave.swf


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O Princípio da incerteza …


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Princípio da incerteza (para pensar e estudar)

� Na Física Clássica está implícita a ideia que qualquer grandeza associada ao movimento de uma partícula pode ser medida e descrita de modo exacto. Pode-se medir simultaneamente a posição e a velocidade de uma partícula com infinita precisão, e , portanto, saber o seu passado e o seu futuro. � De acordo com o princípio de incerteza da Física Quântica, proposto por Werner (Heisenberg), não podemos medir com exacta precisão e simultaneamente a velocidade e a posição de uma partícula. � Importante: A restrição “imposta” pelo princípio da incerteza não resulta de uma imperfeição devida aos instrumentos ou à qualidade dos métodos experimentais usados. É uma das propriedades inerentes à descrição quântica da natureza. Mesmo com instrumentos perfeitos a incerteza éintrínseca à natureza das coisas. Se conhecermos a velocidade com infinita precisão não podemos saber a posição; se soubermos a posição com infinita precisão não conheceremos a velocidade.


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Vamos agora ver algumas

demonstrações que ilustram a

dualidade onda-partícula da luz


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Demonstrações Montagem; arco-íris, guiagem da luz, efeito fotoeléctrico, difracção, …

Difracção da luz através de uma fenda

Ver filme difracção: http://w3.ualg.pt/~jlongras/Difracção%20da%20Luz%20-%201%20fenda.wmv

Fenda completamente fechada

Fenda novamente aberta, mas não completamente

Fenda completamente aberta

Fenda quase fechada


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Bibliografia - Enciclopédia Visual da Ciência, Editorial Verbo, 1994.

- Cosmos, Carl Sagan, Gradiva.

- O poder da luz, National Geographic, Outubro 2001.

- A Evolução da Física: de Newton à Teoria dos Quanta, Albert Einstein e LeopoldInfeld, Livros do Brasil.

- O Annus Mirabilis de Einstein - cinco artigos que revolucionaram a Física, John Stachel, Gradiva, 2005.

- Albert Einstein, Leopold Infeld, Publicações Europa-América.

- Cinco equações que mudaram o mundo, Michael Guillen, Gradiva.

- Subtil é o senhor - Vida e pensamento de Albert Einstein, Gradiva.

- Um mundo infestado de demónios, Carl Sagan, Gradiva.

- Óptica, Eugene Hecht, Fundação Calouste Gulbenkian, 1991.

- História da Ciência de 1543 ao presente, John Gribbin, Europa-América, 2005.

- A imagem da Natureza na Física Moderna, Werner Heisenberg, Livros do Brasil.

- Paradoxos e Realidade: Ensaio sobre os fundamentos da microfísica, Franco Selleri, Fragmentos, 1990.

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