A RAZÃO
JUNHO / 2012
PÁGINA 9
Artigos
Consolidação da física quântica
Valdir Aguilera
A
o propor que a energia é quantizada,
isto é, que existe no
Universo em forma
de pacotinhos chamados
quanta de energia, Planck
havia lançado uma semente
que tardou cerca de um quarto de século para germinar e
produzir frutos maduros.
Nesse meio tempo, muitos esforços foram despendidos na
tentativa de se formular uma
teoria geral que explicasse
fenômenos observados e que
se suspeitava ocorrerem no interior do átomo.
Já vimos, na edição de
abril, que essa teoria veio a
ser a Mecânica Quântica, mas,
como nos ensinou Liebniz, em
seu famoso princípio da continuidade, "a natureza não dá
saltos", vários passos intermediários foram necessários
antes de se chegar ao ponto
em que estamos hoje. Vamos
examinar rapidamente alguns
desses passos.
Niels Bohr – físico dinamarquês que teve papel fundamental no desenvolvimento
e interpretação dos novos conceitos que estavam borbulhando na mente dos físicos
–, propôs que os elétrons do
átomo giram em órbitas circulares em torno de um núcleo central, como os nossos
planetas giram em torno do
Sol. Esse modelo, errôneo, é
bom assinalar, é popular até
os dias atuais. Mas não é um
modelo cativante? Afinal, não
dizia Hermes Trismegisto que
"o que está em cima é igual
ao que está embaixo"? Se
Bohr havia ouvido falar de
Hermes é algo que podemos
apenas supor.
Este modelo simples teve
sucesso espetacular na explicação de propriedades do átomo de hidrogênio, o átomo
mais simples que existe. Para
construir seu modelo, Bohr se
baseou em apenas dois postulados:
1. os elétrons se movem
em determinadas órbitas sem
irradiar energia;
2. os átomos irradiam
energia quando um elétron
salta de uma órbita para outra.
Referindo-se aos seus
postulados, Bohr havia
dito: “Vamos supor estas
coisas e ver o que acontece”. O que resultou foi
um sucesso enorme.
O primeiro postulado era necessário, porque
a Física Clássica ensina,
acertadamente, que uma
carga elétrica em movimento acelerado – o movimento circular do elétron
em torno do núcleo é um
movimento acelerado – emite
radiação, energia eletromagnética. Se, no átomo, o elétron
irradiasse, perderia energia e
em pouquíssimo tempo cairia
no núcleo em uma trajetória
fatal, e não existiriam átomos
estáveis, não existiria matéria
organizada.
O segundo postulado veio
acompanhado de uma equação que permitia calcular certa propriedade da radiação diretamente relacionada com as
energias associadas às órbitas.
Essa equação produziu resul-
tados que correspondiam ao
que era observado e não explicado por outras teorias. Daí
o sucesso de Bohr.
Com o modelo de Bohr
surgia a Velha Mecânica
Quântica, interessante mistura de conceitos clássicos e
quânticos. Os conceitos clássicos estavam profundamente
arraigados nos meios científicos e funcionavam razoavelmente bem. Mas os quanta
tinham sedutoramente se infiltrado nas pesquisas teóricas.
Apesar do sucesso da Velha Mecânica Quântica, os físicos ainda não estavam satis-
um físico austríaco, Wolfgang
Pauli, prestar socorro.
Pauli enunciou um princípio de exclusão que limita o
número de elétrons em cada
órbita. O que isso significa?
Comparemos, novamente, o
modelo de Bohr com nosso
sistema solar. Cada planeta
ocupa uma órbita específica,
caracterizada por apenas um
número: sua distância do Sol.
Por seu lado, as órbitas atômicas precisavam de três números para serem caracterizadas. Mas não eram suficientes. A rotação do elétron
forneceu uma quarta infor-
Físicos modernos não aceitam que
o átomo seja formado de elétrons que
giram em torno de um núcleo central.
feitos: ela não explicava fenômenos produzidos por átomos
que têm mais de um elétron.
Ajustes eram necessários.
Um dos primeiros aportes
para o enriquecimento do modelo de Bohr foi oferecido pelos físicos holandeses S. Goudsmit e G. Uhlenbeck. Eles sugeriram que, além do movimento de translação ao redor
de um centro, os elétrons giravam em torno de si mesmos.
Com esta proposta, outros
fenômenos puderam ser explicados. Ainda faltava saber como os elétrons se acomodavam
em suas órbitas. Foi a vez de
mação que, com as três demais, caracterizam completamente as órbitas atômicas. Foi
o que propôs Pauli: dois
elétrons que tenham associado a si o mesmo conjunto
daqueles quatro números não
podem ocupar simultaneamente a mesma órbita. Que
números são estes? Um deles
está associado com a energia
do elétron no átomo; dois
com seu movimento de translação em torno do núcleo central; e o quarto, com seu giro
em torno de si mesmo.
Como um dos nossos propósitos é desmistificar a físi-
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mover como um punhado de
pacotinhos que ele chamou de
fótons. (Uma curiosidade: foi
pela explicação do efeito fotoelétrico que Einstein abiscoitou o Prêmio Nobel de
Física; não foi pela Teoria da
Relatividade!).
Voltando a Broglie, ele estendeu à matéria essa propriedade dual da luz, conjeturando que, "se a luz pode
comportar-se ora como onda
ora como partícula (os fótons), um elétron também
pode". Ou seja, um elétron
pode comportar-se como uma
partícula ou como uma onda,
dependendo do fenômeno que
vai produzir. Mais tarde confirmou-se experimentalmente
que, em dadas condições, um
feixe de elétrons produzia
efeitos que exigem deles comportamento ondulatório!
Todos esses acontecimentos mais a equação de Schroedinger, que apresentamos
na edição de abril, consolidaram a Mecânica Quântica,
a mais preciosa jóia da física
quântica.
Para concluir, faltava ainda acomodar a Teoria da Relatividade, de Einstein. Foi
Paul A. M. Dirac, um físico
inglês, quem desenvolveu a
Mecânica Quântica Relativista. Foi este passo que levou
à hipótese – confirmada posteriormente –, da existência
de um antielétron e, finalmente, da antimatéria.
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ca quântica, apontando erros
comuns que se cometem em
nome dela, deixemos claro
que a maioria dos físicos modernos não considera o átomo
como formado de elétrons que
giram em torno de um núcleo
central. Para eles, esta descrição é ultrapassada e não
tem sentido. Preferem admitir que os elétrons do átomo
formam uma espécie de nuvem que envolve o núcleo
atômico e que uma trajetória
não pode ser definida com
precisão.
O passo seguinte para a
consolidação da Mecânica
Quântica foi dado por
um francês, Louis de
Broglie, que estudava História e a deixou para se
dedicar à Física e Matemática, seduzido pelos
acontecimentos que vimos
descrevendo. Ele ficou
sabendo que Einstein tinha usado a ideia dos pacotinhos de energia de
Planck para explicar como a luz conseguia arrancar
elétrons de metais, fenômeno
conhecido como efeito fotoelétrico – hoje com incontáveis
aplicações. Antes de Einstein,
considerava-se que a luz se
propagava como ondas. Com
esse comportamento ondulatório, para arrancar um elétron de metais seria necessário
esperar muito tempo, e a emissão eletrônica era imediata, no
mesmo instante em que a luz
incidia sobre metais os elétrons
jorravam como uma enxurrada. O que Einstein propôs foi
que, além de se propagar como
ondas, a luz podia também se
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