Quantização- o fracasso da física clássica

Disciplina: Química Geral I
Quantização: O fracasso da Física Clássica
Por Maron Stanley Silva Oliveira Gomes1
Isaac Newton expôs no século XVII as leis da mecânica clássica, que apresentam grande
sucesso na explicação do movimento de partículas grandes. No século XIX, começaram a surgir
evidências do fracasso da mecânica clássica, pois esta era falha na explicação do movimento de
partículas pequenas. Mostrarei agora alguns fatos que evidenciam as falhas desta mecânica
dentro desta nova perspectiva.
Um dos fatos que caracteriza o fracasso da Física clássica é a radiação do corpo negro,
um corpo capaz de emitir e de absorver uniformemente todas as freqüências da radiação. A
teoria da radiação do corpo negro foi desenvolvida por uma série de cientistas, Wilhelm Wiem,
Josef Stefan, Rudwing Stefan e outros. A explicação da radiação do corpo negro era um desafio
no século XIX, porém o Físico Lorde Rayleigh deu uma explicação baseado nas teorias da Física
clássica, mas infelizmente sua explicação só servia para comprimentos de onda grandes, e
fracassava vergonhosamente nos comprimentos de onda curtos. Seus resultados para
comprimentos de onda curtos eram absurdos, uma vez que mostravam grande radiação nas
regiões de alta freqüência do espectro e garantiam que corpos frios deveriam irradiar nas regiões
do visível e do ultravioleta e assim deveriam brilhar no escuro, ou seja, não existiria escuridão.
Este episódio é conhecido como a catástrofe do ultravioleta.
Outro fato que a mecânica clássica não consegue explicar é o efeito fotoelétrico, mas
antes de mostrar o porquê do erro tratarei um pouco sobre este efeito.
O efeito fotoelétrico é baseado na emissão de elétrons por metais expostos a radiação,
Atkins mostra algumas características deste efeito, que são mostradas a seguir:
1. Não há emissão de elétrons, qualquer que seja a intensidade da radiação, a menos que a
freqüência desta radiação seja mais elevada que um certo valor, o limiar de freqüência,
característico do metal.
2. A energia cinética dos elétrons emitidos cresce linearmente com a freqüência da radiação
incidente, mas é independente da intensidade desta radiação.
3. Mesmo em intensidades muitos baixas da luz incidente, os elétrons são emitidos
imediatamente depois da iluminação, desde que a freqüência seja superior ao limiar de
freqüência.
O efeito fotoelétrico não pode ser explicado à luz da Física clássica, que apresenta um
fracasso total, por dois principais problemas:
1. A teoria ondulatória implica que o módulo do vetor elétrico oscilante E de uma onda
luminosa aumenta quando a intensidade do feixe de luz é aumentada. Como a força
exercida pelo feixe incidente sobre o elétron é dada por eE, isto sugere que a energia
cinética dos fotoelétrons deveria também aumentar quando o feixe de luz for mais intenso.
2. De acordo com a teoria ondulatória, o efeito fotoelétrico deveria ocorrer para qualquer
freqüência da luz incidente, desde que esta fosse suficientemente intensa para fornecer a
energia necessária para ejetar os fotoelétrons. Entretanto existe para cada superfície uma
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Professor do Instituto Federal do Piauí, Campus Picos. Email: [email protected]
Disciplina: Química Geral I
freqüência característica ν0. Para freqüências menores do que ν0 o efeito fotoelétrico não
ocorre, qualquer que seja a intensidade de iluminação.
Uma descoberta que possibilitou um maior entendimento do efeito fotoelétrico foi o caráter
dual da radiação eletromagnética, ou seja, ora se comporta como onda, ora como partícula
(fótons).
Baseado nesta descoberta o físico francês Louis de Broglie sugeriu que qualquer partícula,
não apenas os fótons, deslocando-se com um momento linear p tem um comprimento de onda
dado pela relação de de Broglie:
ℎ
λ=
݉‫ݒ‬
onde h é a constante de Planck.
Este caráter dual mostrado pela matéria e pela radiação recebe o nome de dualidade
onda-particula, que atinge o coração da Física clássica, que por sua vez encara ondas e partícula
como entidades separadas. A falência da Física clássica no tratamento de corpos pequenos é um
indicio de que seus conceitos fundamentais eram falsos, assim uma nova mecânica foi imaginada
para substituí-la: a mecânica quântica.
A mecânica quântica absorve o conceito de dualidade onda-particula. A onda que na
mecânica quântica substitui o conceito clássico de trajetória é a função de onda, ψ (psi).
O cientista Erwin Shrödinger sugeriu uma equação para determinar uma função de onda
de qualquer sistema, esta equação é chamada de equação de Shrödinger, independente do
tempo, e é mostrada abaixo:
Ĥψ(x) = Eψ(x)
Onde Ĥ é o operador hamiltoniano.
As funções de onda desta equação devem satisfazer as condições de continuidade, para
que sejam aceitas, esta condição estabelece que em um intervalo determinado a função deve ser
continua, finita e unívoca.
Foram apresentadas neste texto algumas características e conceitos importantes para a
compreensão inicial da mecânica quântica, que vai muito além do que foi mostrado.