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Potencialidade Regional e Tecnologias Sociais: o sertão Piauiense em evidência
Um estudo sobre os experimentos que demonstraram a natureza ondulatória
da matéria
Rubens Raimundo de Sousa Oliveira
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Piauí – [email protected].
Amanda Conrado Lima
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Piauí – [email protected].
Valéria Alves da Costa
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Piauí – [email protected].
Resumo: Na mecânica quântica, a luz e outras radiações eletromagnéticas podem apresentar uma natureza dual
onda-partícula. Em 1924, o físico francês Louis-Victor de Broglie defendeu em sua tese de doutorado que a
dualidade onda-partícula, aplicado à radiação eletromagnética, era também uma propriedade da matéria. A presente
pesquisa teve como objetivo, apresentar os experimentos que demonstraram a natureza ondulatória da matéria. Este
trabalho constituiu-se de uma pesquisa bibliográfica de natureza qualitativa, pois foram feitos estudos de livros texto
de ensino superior e identificados quais experimentos demonstraram a natureza ondulatória da matéria. Em 1927,
três anos depois que de Broglie defendeu sua tese, os físicos ingleses Thomson e Read elaboraram um experimento
que demonstraram a natureza ondulatória da matéria. O experimento por eles proposto ficou conhecido como o
experimento de Thomson e Read. No mesmo ano que Thomson e Read demonstraram a natureza ondulatória dos
elétrons, os físicos C. J. Davisson e L. H. Germer também confirmaram experimentalmente a hipótese de de Broglie,
tal experimento ficou conhecido como o experimento de Davisson-Germer. Em 1989, A. Tonomura e seus
associados verificaram à natureza ondulatória dos elétrons através do experimento da fenda-dupla.
Palavras chave: Mecânica Quântica, Natureza Ondulatória da Matéria.
1. Introdução
Na mecânica quântica, também chamada de mecânica ondulatória, a luz e outras
radiações eletromagnéticas podem apresentar uma natureza dual onda-partícula, ou melhor,
podem se comportar ora como uma onda eletromagnética em certos experimentos, ora como
partícula (fóton) em outros experimentos.
Em 1924, o físico francês Louis-Victor de Broglie (1892 - 1987) defendeu em sua tese de
doutorado que a dualidade onda-partícula, aplicado à radiação eletromagnética, era também uma
propriedade da matéria, isto é, elétrons e outras partículas podem se comportar como ondas ao se
moverem pelo o espaço. Para de Broglie, deveria haver uma simetria fundamental da natureza, já
que esta é composta exclusivamente de matéria e radiação.
Ele atribuiu ainda que tanto para a matéria como para a radiação, a energia total E está
relacionada ao seu movimento ondulatório, no qual é dado pela Eq. (1.1), e o comprimento de
onda associado a uma partícula, também chamado de comprimento de onda de De Broglie, é
dado pela Eq. (1.2), onde p é a quantidade de movimento linear, ou momento linear da partícula,
e é definido como o produto da massa m da partícula pela sua velocidade v, e h que aparece
também na Eq. (1.1), é a constante fundamental da mecânica quântica, a constante de Planck.
(1.1)
(1.2)
ISSN:2316-8854 - Edição atual - Anais do EITEC. Volume 3, Número 2. Picos: Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia do Piauí, 2014
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Do exposto, de Broglie descreveu os elétrons e outras partículas por uma onda de
matéria, uma onda que governa o seu movimento, e cujo comprimento de onda é dado pela Eq.
(1.2). A presente pesquisa foi realizada com o apoio do Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia do Piauí, e teve como objetivo, apresentar os experimentos que demonstraram a
natureza ondulatória da matéria.
2. Procedimentos Metodológicos
Este trabalho constituiu-se de uma pesquisa bibliográfica de natureza qualitativa, pois
foram feitos estudos de livros texto de ensino superior e identificados quais experimentos
demonstraram a natureza ondulatória da matéria.
Os estudos serviram de base para a coleta de dados e analisar sobre a temática do artigo
presente, enquanto a identificação possibilitou fazer uma melhor seleção dos experimentos. Os
livros texto escolhidos foram três em sua totalidade, e são de autoria de Halliday, Resnick e
Krane (2010), Peruzzo, Pottker e Prado (2012) e Tipler e Llewellyn (2012).
A análise da coleta de dados se deu em três etapas, primeiramente foram feito uma
pesquisa sobre os três livros citados, no qual os autores faziam uma abordagem clara e
compreensível tanto do tema em questão quanto do objetivo proposto, na segunda etapa foi
possível identificar quais experimentos demonstraram a natureza ondulatória da matéria, e na
terceira etapa foi permitido selecionar três experimentos.
3. Resultados e discussões
Em 1927, três anos depois que de Broglie defendeu sua tese, os físicos ingleses Thomson
e Read elaboraram um experimento para demonstrar a natureza ondulatória da matéria. O
experimento por eles proposto ficou conhecido como o experimento de Thomson e Read.
Thomson e Read fizeram um feixe monoenergético de elétrons incidir sobre um alvo na
forma de um pó fino constituído de pequenos cristais metálicos, e atrás deste alvo tinham
colocado um filme fotográfico para servir como anteparo para os elétrons, logo em seguida,
observaram um padrão de difração no filme, isto é, demonstraram de forma evidente a natureza
ondulatória dos elétrons. A figura 2.1 mostra os resultados obtidos por Thomson e Read.
Figura 2.1. (a) Experimento de Thomson e Read. (b) padrão de difração
de elétrons. (c) padrão de raios x. (Halliday; Resnick; Krane, 2010)
No mesmo ano que Thomson e Read demonstraram a natureza ondulatória dos elétrons,
os físicos C. J. Davisson e L. H. Germer também confirmariam experimentalmente a hipótese de
de Broglie, tal experimento ficou conhecido como o experimento de Davisson-Germer.
Davisson e Germer fizeram um feixe de elétrons de baixa energia atingir um alvo de
cristal de níquel, e acidentalmente, descobriram que o gráfico da intensidade do feixe de elétrons
refletido em função do ângulo de espalhamento mostrava máximos e mínimos, o que eles tinham
observado era a difração de elétrons, ou seja, demonstraram a natureza ondulatória dos elétrons.
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A figura 2.2 mostra o esquema do experimento de Davisson-Germer, e a figura 2.3, o
gráfico obtido do experimento, onde é observado um máximo de interferência em φ=50o.
Figura 2.2. Fonte: Tipler, 2012.
Figura 2.3. Fonte: Tipler, 2012.
Em 1989, A. Tonomura e seus associados no Laboratório de Pesquisa Avançada da
Hitachi e na Universidade de Gakushui em Tóquio, propôs verificar a natureza ondulatória dos
elétrons através do experimento da fenda-dupla, o mesmo experimento realizado por Young para
demonstrar a natureza ondulatória da luz.
Tonomura fez incidir elétrons de modo que somente um a cada instante passava pelo
aparato contendo a fenda-dupla, e atrás deste aparato tinha colocado uma tela fluorescente para
servir como anteparo para os elétrons, após uma exposição imensamente longa, observou a
formação de um padrão de franjas de interferência na tela, isto é, tinha observado um padrão de
interferência de ondas. A figura 2.3 mostra o experimento da fenda-dupla realizado com elétrons,
e a figura 2.4, o número de elétrons coletados, na qual (a) possui 100, (b) 3000, (c) 20000 e (d)
70.000 elétrons.
Figura 2.3. Fonte: Tipler; Llewellyn, 2012.
Figura 2.4. Fonte: Halliday; Resnick; Krane, 2010.
4. Considerações finais
Assim com o trabalho elaborado, foi possível observar e compreender claramente que a
dualidade onda-partícula da radiação também é aplicada a matéria. A descoberta da natureza
ondulatória da matéria, tanto do ponto de vista teórico como experimental, é considerado um dos
maiores feitos da Física, pois contribuiu para que a mecânica quântica torna-se a teoria física de
maior sucesso que já foi desenvolvida pela espécie humana.
5. Referências
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; KRANE, Kenneth S. Física 4. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. 377p.
PERUZZO, Jucimar; POTTKER, Walmir Eno; PRADO, Thiago Gilberto do. Física Moderna e Contemporânea –
das teorias quânticas e relativísticas às fronteiras da física. São Paulo: Livraria da Física, 2012. v. 4. 460p.
TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física Moderna. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. 478p.
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