Introduction to Quantum Mechanics

Jan 22, 2022
admin

A mecânica quântica pode soar intimidante. Mas pode ser muito divertido aprender sobre isso! Realmente faz você ‘esticar’ seu cérebro e expandir suas habilidades de pensamento crítico. E a mecânica quântica não acontece apenas em laboratórios de física de alta tecnologia. As aplicações da mecânica quântica estão à nossa volta. Mesmo dentro do dispositivo que você está usando para ler este artigo!

Então o que é mecânica quântica de qualquer maneira?

Essencialmente, mecânica quântica é o estudo de como as partículas atômicas existem e interagem umas com as outras.

Vocês podem estar familiarizados com a mecânica clássica, tal como as três leis do movimento de Newton. A mecânica clássica permite aos cientistas fazer previsões muito precisas para objetos grandes. Mas estas previsões não funcionam tão bem quando você olha para objetos em uma escala menor.

Aqui é onde a mecânica quântica entra. Ela descreve as leis da energia na escala dos átomos. A melhor maneira de entender a mecânica quântica é através da história de suas principais descobertas.

Uma breve história da Mecânica Quântica

1900: Planck e Quanta

Na virada do século XX, muitos físicos pensavam que não havia mais nada a descobrir no seu campo. No entanto, um grande problema permaneceu. Isto tinha a ver com objectos quentes.

Pense na sua torradeira ou no topo do seu fogão. Quando os elementos ficam quentes, eles brilham de vermelho. Se você fosse capaz de aumentar ainda mais a temperatura, eles brilhariam de branco. Este padrão de mudança de cor com a temperatura é o mesmo para qualquer objeto, não importa do que o objeto é feito.

No início, os cientistas usaram a física clássica para tentar entender este padrão. Os seus modelos previam que os objectos quentes deveriam emitir luz que se encontra na sua maioria na gama de frequências ultravioletas.

O espectro electromagnético. Os raios gama de alta energia estão na extrema esquerda e as ondas de rádio de baixa energia estão na extrema direita (Let’s Talk Science usando uma imagem da Inductiveload via Wikimedia Commons).

Mas as suas experiências mostraram que quase nenhuma luz ultravioleta foi emitida! Este problema foi chamado de catástrofe ultravioleta. Foi resolvido por Max Planck, um físico teórico alemão. Ele é frequentemente chamado o pai da mecânica quântica.

Planck criou uma nova fórmula matemática para as frequências da energia da luz emitida a partir de um objecto quente. Ele mostrou que os objetos quentes emitiriam frequências vermelhas. Objetos mais quentes emitiriam freqüências de todas as cores visíveis, fazendo-os parecer brilhar de branco. Mais importante, a fórmula de Planck previu que não seriam emitidas frequências ultravioletas. Encaixava perfeitamente na evidência experimental!

A fórmula do Planck funcionou por causa de uma ideia chave. Antes do Planck, os cientistas acreditavam que a energia estava em uma escala contínua. Eles pensavam que era possível que um objecto tivesse qualquer valor energético nessa escala. A hipótese radical de Planck era que no nível sub-atômico, objetos quentes só podiam emitir energia em pequenas unidades ou “pacotes”. Ele chamou esses pacotes de quanta (um único quanta é chamado de quantum). Planck disse que a quantidade de energia em um quantum aumentava com sua freqüência. As frequências mais baixas, como a luz vermelha, têm menos energia que as frequências mais altas, como as da luz branca.

No entanto, Planck não tinha uma razão para que a energia fosse quantificada desta forma. Ele escreveu em uma carta a um colega que fazer esta suposição matemática em sua fórmula tinha sido um “ato de desespero”. A resposta a isso viria de Niels Bohr, 13 anos mais tarde.

1905: Einstein e Photons

Mas antes de Bohr, a teoria quântica ajudou a resolver outro problema no mundo da física – o efeito fotoelétrico. Esta é a observação que a luz brilhante sobre uma superfície metálica pode causar a ejeção de elétrons do metal.

Efeito Fotoelétrico (Let’s Talk Science usando uma imagem de Wolfmankurd via Wikimedia Commons).
Demonstração do Efeito Fotoelétrico (2015) pelo Centro Nacional STEM (3:04 min.).

Mecânica Clássica descreve a luz como uma onda. A altura de uma onda é chamada de sua amplitude. Você esperaria que uma onda com maior amplitude empurrasse elétrons para fora da superfície com mais energia. O tempo entre os picos de onda é chamado de sua freqüência. Você esperaria que ondas com maior freqüência atingissem e ejetassem mais elétrons da superfície.

Mas como na maioria dos experimentos quânticos, o inesperado foi observado. Quando o metal foi exposto à luz, uma maior amplitude causou a ejeção de mais elétrons. E a luz com maior freqüência fez com que os elétrons se ejetassem com mais energia. A física clássica não poderia explicar isto!

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Previsões clássicas

Observações quânticas

Grande amplitude

Grande energia

Grande amplitude

>Mais electrões ejectar

Superior frequência

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Mais electrões ejectar

Superior frequência

Aumentar energia

Mas o que poderia explicar isto? Albert Einstein, o famoso físico alemão, tinha uma teoria. Ele aplicou a explicação quântica de Planck à luz. Ele teorizou que a luz às vezes se comporta como pacotes discretos de energia eletromagnética. Ele chamou estes pacotes de fotões.

Você sabia?

Einstein recebeu seu Prêmio Nobel de Física em 1921 não diretamente por sua teoria da relatividade, mas por “seus serviços à Física Teórica, e especialmente por sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico”.

Se um feixe de luz tem uma amplitude maior, isto significa que contém mais fotões. Se mais fotões atingirem a superfície metálica, há mais colisões, então mais electrões são ejectados.

A energia contida em um fóton depende apenas da sua frequência. Isto é como o quanta de energia de Planck. Assim, a luz com uma frequência maior transferirá mais energia para os electrões, que é o que foi observado experimentalmente.

1913: Bohr e Electron Orbitals

A teoria quântica estava a ganhar tracção. Mas ainda era apenas uma explicação matemática para algumas observações estranhas. Ninguém conseguia explicar porque é que a energia vinha em pacotes discretos. Até Neils Bohr, quer dizer. Em 1913, o físico dinamarquês propôs um novo modelo para a estrutura do átomo.

Antes de Bohr, os cientistas sabiam que um átomo é feito de um núcleo carregado positivamente com elétrons carregados negativamente orbitando ao seu redor. Bohr revolucionou este modelo. Ele disse que aqueles elétrons tinham que estar em um de um conjunto de caminhos específicos. Esses caminhos eram como as órbitas dos planetas em torno do Sol. Ele chamou-os de orbitais de elétrons. Cada orbital tem um nível de energia associado.

Quando um elétron absorve energia suficiente, ele “salta” de um orbital para o próximo orbital maior. Quando um elétron “cai” de um orbital para o próximo menor, ele emite energia. A quantidade de energia emitida é exactamente a diferença de energia entre as duas orbitais. É por isso que a energia existe em valores discretos, como “quanta”, e não em uma escala contínua.

Modelo Bohr mostrando um salto de elétron para um nível de energia mais alto e caindo para um nível de energia mais baixo (©2020 Let’s Talk Science).

A energia quantificada que o Planck viu era radiação eletromagnética emitida pelos elétrons nos objetos quentes. Os fótons de Einstein, por outro lado, transferiram sua energia para os elétrons do metal. Se a energia do fotão fosse suficientemente elevada, o electrão deixaria a sua órbita e deixaria o metal por completo. Assim, os orbitais de elétrons de Bohr forneceram uma explicação teórica para a mecânica quântica.

Mecânica Quântica Hoje

Planck, Einstein, Bohr (e muitos outros) ganharam o Prémio Nobel da Física pelo seu trabalho em mecânica quântica. Mas se eles estivessem vivos hoje, o mundo seria irreconhecível para eles, por causa de suas próprias descobertas!

Você sabia?

Temos a teoria quântica a agradecer pela Ressonância Magnética (MRI). Isto ajuda os médicos a tirar fotos do interior do seu corpo.

Os computadores funcionam com mecânica quântica. Mas porquê? Por causa dos transistores.

Mãe em um computador mostrando a localização dos transistores (Fonte: Neziha Kalı Ertuğrul via ).

Transistores são pequenas peças eletrônicas dentro de computadores que armazenam bits de informação. Quando um transistor é ligado, ele conduz eletricidade, e o computador lê isso como um “1”. Quando um transistor é desligado, ele não conduz mais eletricidade, e o computador lê isso como um “0”. Os computadores falam numa língua de 1s e 0s. Eles ligam ou desligam os transístores para codificar a informação.

O que é que isto tem a ver com mecânica quântica? Bem, os transístores são feitos de um material que é um semicondutor.

O que é um Semicondutor (2015) por MITK12Videos (4:45 min.).

A mecânica quântica diz-nos que um electrão só pode ocupar determinados níveis de energia. Quando olhamos para um grande grupo de elétrons, como aqueles encontrados em semicondutores, esses níveis são “bandas”, ou faixas de valores energéticos permitidos.

Quando o semicondutor está conectado a uma tensão que está dentro da banda de energia, ele conduz a eletricidade. Quando está ligado a uma tensão que está fora da banda de energia permitida, não conduz electricidade. Ele atua como isolante. É assim que os transístores se ligam ou desligam, que o computador lê como 1 ou 0.

Sabes?

Silício é o material semicondutor mais comum usado em transístores de computador. Foi assim que o famoso Vale do Silício ganhou o seu nome. Esta parte da Califórnia é considerada um grande centro de inovação tecnológica.

Algo que usa um código binário de 1s e 0s é chamado digital. Quase qualquer dispositivo digital que você possa pensar usa transistores semicondutores. Seu computador, seu telefone celular, até mesmo sua televisão! Imagine o mundo sem estas coisas, ou sem a Internet. Este seria o mundo sem a mecânica quântica.

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