Evolução da Física Moderna
Alex Cesar Pereira Rocha
Josué Gabriel Leão
Peres Antônio Mello Souza
A Física Moderna englobam as teorias recente da Física, desde discussões
sobre a estrutura atômica e como os seus modelos podem explicar e prever fenômenos,
passando pela quântica que foi uma revolução sobre como se mede e imagina uma
determinada quantidade, tendo ainda a relatividade de Einstein a qual também foi muito
discutida, pois ela mudava entre outras coisas as concepções sobre o tempo o espaço e a
luz, até chegar no auge da física moderna com a tentativa de unificação da Física através
das teoria das cordas. Veremos neste trabalho um pouco sobre estes temas da Física
Moderna.
1. Modelo Atômico
Os modelos atômicos foram criados com a intenção de não apenas explicar
fenômenos físicos, mas também para tentar provê-los. Assim vários modelos foram
criados para descrever como era a estrutura atômica, descreveremos aqui os modelos
atômicos de três estudiosos, Thomson, Nagaoka e Rutherford.
1.1. Modelo Atômico de Thomson
O modelo atômico de Thomson apresentava uma forma esférica e baseava-se
numa distribuição homogênea de cargas positivas, e os elétrons estariam distribuídos
uniformemente no interior, em anéis concêntricos e toda a massa do átomo era dada
pelos elétrons
Este modelo explicava qualitativamente os fenômenos de emissão de radiação
eletromagnética por um corpo, porém ele não explicava a dispersão de partículas alfa,
por esta falha o átomo de Thomson teria que ser revisto e substituído.
1.2. Modelo Atômico de Nagaoka
Segundo este modelo, existe um grande número de elétrons distribuídos
regularmente com intervalos iguais e se repelindo pela lei de Coulomb, cujas cargas
estão distribuídas em um único anel. Este modelo ficou conhecido como sistema
saturniano.
Este modelo explica de maneira satisfatória a regularidade de linhas espectrais
e a emissão de radiação beta. Porem este modelo prevê um número grande de elétrons
para o átomo de hidrogênio esta previsão derruba esse modelo juntamente com a
questão da estabilidade nuclear.
1.3. Modelo Atômico de Rutherford
O modelo atômico de Rutherford descrevia as cargas positivas do átomo
concentrada no centro, em um minúsculo e denso núcleo, sendo este o núcleo atômico,
ou seja, o átomo era composto por um núcleo o qual os elétrons giram em órbitas
elípticas ao seu redor.
Rutherford se formou como bacharel em Física Matemática e Química e foi
considerado um dos maiores cientistas do século XX, é considerado o criador da Física
Atômica Moderna, realizava experimentos simples, porém rigorosos, chegando a ganhar
o Premio Nobel e fundou uma sociedade dialética.
Ao realizar experimentos de radiação Rutherford detectou as radiações alfa,
beta e gama, (nomes designados por ele e conhecido até hoje). Estudando a partícula
alfa, viu que eram pouco penetrantes, não interagiam com o campo elétrico e magnético
e que essas partículas alfa sofriam um espalhamento, desviando do campo elétrico.
Levando-o a concluir que as partículas alfa e beta estavam carregadas eletricamente.
Estudou também os raios gama e com a colaboração de Frederick Soddy
descobriu elementos radioativos, entre eles o Tório.
Rutherford determinou a idade da Terra em 3,4 bilhões de ano, através da taxa
de decaimento e proporção relativa de Urânio e Chumbo. Dados recentes estimam a
idade da Terra em 4,6 bilhões de anos.
Na Inglaterra Rutherford desenvolveu uma câmara de ionização com
hidrogênio, esta câmara continha gás a baixa pressão, usando-a para medir a carga
elétrica da partícula alfa.
Observou também que todos os minérios radioativos tinham gás hélio em
oclusão. Sendo: Partícula alfa = átomo de hélio duas vezes carregado.
Através de seus experimentos, Rutherford viu que um feixe de partículas alfa
ficava difuso ao passar por uma placa de mica.
Rutherford trabalhou com Bohr e Thomson e posteriormente assumiu o
laboratório Cavendish, substituindo Thomson. Foi Bohr quem aperfeiçoou o modelo
atômico de Rutherford.
Determinou o núcleo de Hidrogênio de próton. A construção do primeiro
acelerador de partículas foi nesta época.
Alguns trabalhos de estudo feitos por alunos orientados por Rutherford
ganharam o Premio Nobel.
2. Do Contínuo ao “Quanta”
A necessidade de explicar fenômenos físicos fez surgir uma mudança na
concepção de quantidade, assim as forma de descrever fenômenos de maneira contínua
foi substituído pela forma quântica.
A primeira medida a ser quantizada foi a energia atômica e assim outras
medidas também passaram a ser quantizadas, como: Energia, Matéria, Carga elétrica,
Radiação e outras.
Um quanta é a menor medida que se pode ter de uma quantidade, e os outros
valores são os seus múltiplos inteiros. Por exemplo, um centavo é a menor quantidade
de moeda real, logo um centavo é um quanta de real.
Para as concepções do dia-a-dia, dizer se uma quantidade é continua ou
quantizada as vezes não importa, pois um quanta pode ser inexpressível e ignorada.
A luz também pode ser evidenciada por considerações quânticas, para
desvendar seu caráter de onda ou de chuva de fótons. Para isso depende da ordem de
grandeza que é feita a observação, porem os comportamentos ocorrem (fenômenos são
observados). Por mais que tenha uma predisposição de achar uma “coisa”, existe uma
evidencia experimental que deve comprová-la.
O efeito fotoelétrico e a radiação de corpo negro foram dois fenômenos
envolvendo a luz que foi explicada usando as teorias quânticas.
2.1. Efeito Fotoelétrico
A física clássica previa que a energia luminosa era proporcional à intensidade,
ou seja, se colocar uma lâmpada 100 W e mudar para 1000 W aumenta a intensidade
bem como a energia.
Já a teoria quântica diz que a energia luminosa é proporcional à freqüência, ou
seja, se utilizar uma radiação de determinada freqüência e apenas aumentarmos a
intensidade a energia não aumentará, porém se mudarmos a radiação para uma
freqüência maior a energia também aumentará, desta forma o Efeito Fotoelétrico provou
experimentalmente que a energia luminosa era quantizada pela freqüência.
2.2. Radiação de Corpo Negro
A radiação de corpo negro era um mistério da Física fundamental um desafio
para comunidade física. Para saber qual seria a radiação emitida por um corpo negro a
uma determinada temperatura, podendo ser um corpo negro um forno a uma dada
temperatura com luz dentro. Neste caso a radiação emitida é igual a radiação absorvida,
a temperatura não muda e é igual em qualquer ponto, esse era um problema importante
no sec.XIX, devido à siderurgia, fabricação de vidros etc.
Max Planck pensou o forno como um recipiente contendo gás com certas
moléculas se movendo em determinada temperatura e radiação emitida. Ele imaginou
essa situação como um oscilador harmônico.
Planck tentou achar a fórmula certa, para expressar o espectro, sabia que
deveria atingir o máximo e depois cair, e encontrou essa formula fazendo uso de uma
constante h, a qual foi chamada de constante de Planck, e percebeu que usando esta
constante ajustaria os resultados teóricos com os resultados experimentais. Assim
Planck viu que a energia dentro de um forno era dada por E=nhv, sendo n um número
inteiro, logo a energia não pode ser uma energia qualquer ela deve ser um múltiplo
inteiro de hv, ou seja, a hv era um quanta da energia.
Planck não quantizou a energia da luz, ele apenas estabeleceu a relação entre
emissão e absorção, agora os estados de energia são discretos e não mais contínuos.
3. Einstein e o Universo Relativístico
Para Einstein o universo era relativo porque os resultados dos eventos
dependiam dos observadores, ou seja, dos referenciais. Fenômenos poderiam ter
resultados diferentes dependendo de onde se fazia as observações.
Einstein através de seus estudos enunciou dois postulados que dão base a suas
terias. O primeiro é que as leis Físicas são as mesmas em todos os referenciais inerciais,
não existe um referencial absoluto. O segundo é que a velocidade da luz é a velocidade
limite. Nada é mais veloz que a luz no vácuo.
Entre seus estudos também estavam a dilatação temporal e a contração
espacial, com isso ele demonstrou que o tempo e o espaço também dependiam do
referencial, ou seja, eram relativos.
Para exemplificar a dilatação temporal, usa-se um experimento imaginário, o
qual consiste em duas naves espaciais se deslocando paralelamente uma em relação a
outra a uma velocidade próxima a da luz. Um feixe de luz é transmitido por uma nave e
refletido por outra. Através da observação de um referencial em repouso em relação as
naves, esse referencial observa uma medida do tempo maior do que para um observador
em movimento junto com as naves.
A contração espacial é exemplificada através da análise de uma régua em
movimento com velocidade próxima a da luz apresenta uma redução no tamanho se
levarmos em conta um observador que esta em repouso com relação a régua, e para um
observador se movendo com a mesma velocidade da régua ela não se contrai.
Outra importante contribuição da relatividade foi sobre o éter. O éter era o
meio no qual a luz deveria se propagar, e a falta de evidências de sua existência seguida
dos fatos que comprovaram que a luz se propaga no vácuo e que o seu movimento não
depende de nenhum referencial, fez com que a existência do éter fosse descartada.
4. Teoria das Cordas
Essa teoria pode evitar problemas associados à presença de partículas pontuais
em uma teoria física, como uma densidade infinita de energia associada à utilização de
pontos matemáticos. E também é dirigido pela grande esperança de que ela possa vir a
ser uma teoria do tudo, onde traz uma possível solução da gravitação quântica que
poderá descrever naturalmente as interações similares ao eletromagnetismo e outras
forças da natureza.
De acordo com esta teoria nosso universo possui 11 dimensões:
3 espaciais (altura, largura e comprimento);
1 temporal (tempo);
7 recurvada (propriedade como a massa e carga elétrica, por exemplo).
A teoria foi iniciada na década de 60 e teve participação de vários
pesquisadores o qual propõe unificar toda a Física e unir a Teoria da Relatividade e a
Teoria Quântica num único formalismo matemático.