UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
UNIDADE UNIVERSITÁRIA DE CIÊNCIAS EXATAS E
TECNOLÓGICAS
CURSO DE LICENCIATURA EM FÍSICA
EXPERIMENTOS QUE DERAM SUSTENTAÇÃO À FÍSICA
MODERNA
Ester Gomes Ferreira
ORIENTADOR: Prof. MSc. Renato Medeiros
Anápolis
2012
ESTER GOMES FERREIRA
EXPERIMENTOS QUE DERAM SUSTENTAÇÃO À FÍSICA
MODERNA
Monografia apresentada como Trabalho de
Conclusão do Curso de Licenciatura em
Física, para aobtenção do título de
Licenciado em Física pela Universidade
Estadual de Goiás.
Orientador: Prof. MSc. Renato Medeiros
Anápolis
2012
Aos meus pais
Eber Gomes da Silva e Luíza Helena Ferreira Gomes.
AGRADECIMENTOS
Agradeço de coração a Deus por ter me dado força, sabedoria e serenidade.
Aos meus pais Eber Gomes da Silva e Luiza Helena Ferreira Gomes pelo apoio
incondicional e incentivo nos momentos mais difíceis.
Ao meu esposo Lucas Egídio, pela força, amor e compreensão, que foram
essenciais nessa reta final.
Meus sinceros agradecimentos ao meu professor orientador Renato Medeiros,
pela amizade, orientação, incentivo e muita paciência.
Em especial ao meu avô Agustinho, que embora não tenha vivido o bastante para
contemplar mais essa etapa concluída, consigo imaginar o quanto ele estaria feliz
e orgulhoso por mais essa vitória, e juntos comemoraríamos!
Agradeço a Deus a oportunidade que tive de conhecer e conviver com pessoas
maravilhosas que de certa forma, fizeram parte dessa conquista, em especial a
Francielly Djanira, Halaine Mariano, Amanda Bárbara, Raizza Bongiovani e Paulo
Henrique Silva.
RESUMO
Ao final do século XIX, cientistas e estudiosos da época firmavam a idéia de que
todo o estudo em relação à física, enquanto ciência natural, seus conceitos e leis
já conhecidos, já havia atingido um nível máximo de conhecimento. Porém, no
início do século XX, surgiram novos conceitos e teorias, que propiciaram
alterações no conhecimento científico adquirido até o momento. A esse conjunto
de novas teorias, foi dado o nome de Física Moderna, iniciando com a Mecânica
Quântica e a Teoria da Relatividade, que quando apresentadas, trouxeram
solução, desvendando e explicando fenômenos que até então não haviam sido
alcançados, fato que revolucionou a história do pensamento científico. Trabalhos
importantíssimos desenvolvidos por diversos cientistas desempenharam papel
relevante no processo de transição para a nova Física. Com base nessa idéia, se
faz importante o conhecimento desses trabalhos, bem como o estudo da
proposta, desde os conceitos teóricos, montagem e realização. A proposta desse
trabalho é justamente analisar os métodos experimentais que foram utilizados na
comprovação de estudos, que em conjunto formam a chamada Física Moderna. É
bastante amplo o mundo de acontecimentos que colaboraram com notável
importância para a introdução e aperfeiçoamento de novas áreas e
conhecimentos físicos. Porém ressaltaremos com maior ênfase, o estudo de
alguns desses experimentos que apresentaram grande contribuição para o
desenvolvimento da Física Moderna: o experimento de Michelson-Morley (18811887); Radiação do corpo negro – Planck (1895); Efeito fotoelétrico – Hertz
(1887); Efeito Compton – Dualidade onda-partícula (1923); Hipótese de De
Broglie – Davisson-Germer (1924). O estudo desses experimentos abrangerá,
desde a vida dos autores envolvidos, a experimentação utilizada na realização de
cada experimento e suas contribuições científicas e históricas.
Palavras–chave: Corpo Negro; Efeito Fotoelétrico; Efeito Compton;
Dualidade onda-partícula.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Albert Abraham Michelson ...................................................................... 5
Figura 2: Edward Williams Morley .......................................................................... 6
Figura 3: Max Karl Ernst Ludwig Plank .................................................................. 7
Figura 4: Heinrich Rudolf Hertz .............................................................................. 7
Figura 5: Arthur Holly Compton .............................................................................. 8
Figura 6: Louis Victor Pierre Raymond De Broglie ................................................. 9
Figura 7: Clinton Joseph Davisson (esquerda) e Lester Halbert Germer ............... 9
Figura 8: Interferômetro de Michelson .................................................................. 10
Figura 9: Funcionamento do interferômetro de Michelson ................................... 11
Figura 10: Modelo prático de um corpo negro ...................................................... 12
Figura 11: Lei do deslocamento de Wien ............................................................. 13
Figura 12: Catástrofe do Ultravioleta .................................................................... 14
Figura 13: Distribuição de Planck para diferentes temperaturas .......................... 15
Figura 14: Representação das Leis de: Rayleigh, Wien e Planck ........................ 16
Figura 15: Efeito fotoelétrico................................................................................. 17
Figura 16: Representação do experimento realizado por Hertz ........................... 18
Figura 17: Espalhamento de Compton ................................................................. 20
Figura 18: Esquema do experimento realizado por Davisson – Germer .............. 22
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 1
Capítulo 1: Vida dos cientistas envolvidos nos experimentos.................................................. 5
Capítulo 2: Montagem e realização dos experimentos ........................................................... 10
2.1 Experimentos de Michelson-Morley ................................................................................. 10
2.2 Radiação do corpo negro – Planck .................................................................................. 12
2.3 Efeito fotoelétrico – Hertz .................................................................................................. 16
2.4 Efeito Compton – Dualidade onda-partícula................................................................... 19
2.5 Hipótese de De Broglie – Davisson-Germer .................................................................. 21
CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................................... 24
ANEXOS ......................................................................................................................................... 25
1
INTRODUÇÃO
O surgimento da Mecânica Quântica propiciou o desenvolvimento de uma
nova visão do estudo da Física, direcionada para um mundo microscópico, o que
colaborou de maneira geral para que ocorressem grandes avanços tecnológicos.
Para se chegar a um amplo entendimento da Física Moderna, é necessário
buscar antecedentes de sua história, bem como, o entendimento dos
experimentos envolvidos e que deram sustentação a toda teoria envolvida.
Há uma ampla relação de estudos e experimentos que contribuíram de
forma direta ou indireta, para o surgimento da Física Moderna. Fatos que
intrigavam, teorias com validade limitada, conhecimentos que não se estendiam a
determinadas situações, ou em alguns casos, eram ultrapassados, e a incessante
busca pelo conhecimento, típica do homem, despertaram o interesse da busca
por explicações que ainda não haviam sido atingidas, e de certa forma, a
aprimoração dos conhecimentos já obtidos.
Diante dessa idéia, se faz importante destacar aqui, alguns dos fatos e
acontecimentos marcantes, que antecederam seu surgimento.
Na década de 1850, o químico e físico William Crookes (1832-1919),
realizou experiências com o tubo de “raios catódicos”, onde observou a existência
de cargas elétricas nos gases. Anos mais tarde, em 1859, Gustav Robert
Kirchhoff (1824-1887), um físico alemão, realiza estudos sobre a “radiação do
corpo negro”; posteriormente propõe as três leis relacionadas à emissão de luz,
através de objetos incandescentes.
No ano de 1872, foi realizada pelo físico russo Aleksandr Grigoryevich
Stoletov (1839-1896), uma primeira análise experimental a respeito do efeito
fotoelétrico que é proveniente da incidência de radiação eletromagnética, sobre a
superfície de um metal qualquer, gerando a liberação de elétrons do material,
porém, foi somente no período entre 1886 e 1887, que essa proposta foi
comprovada, através de experiências com osciladores, desenvolvidas pelo físico
alemão Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894). Essas pesquisas e experimentos que
comprovam a existência do efeito fotoelétrico tiveram continuidade cinco anos
mais tarde, em 1902, com os estudos desenvolvidos pelo físico Phillip Eduard
2
Anton von Lenard (1862-1947), que apresentou as leis para o efeito fotoelétrico,
baseadas na existência de uma relação de dependência entre a energia dos
elétrons e a frequência da radiação incidente.
Posteriormente, no ano de 1905, Albert Einstein (1879-1955), apresenta
uma explicação quantizada para esse efeito, sendo laureado com o do prêmio
Nobel de Física, pelo desenvolvimento de seus trabalhos teóricos, em especial o
efeito fotoelétrico.
Em 1877, Ludwig Eduard Boltzman (1844-1906), físico austríaco,
apresenta grande contribuição para a Física Moderna, desenvolvendo trabalhos
na área da Termodinâmica Estatística, onde apresentou uma fórmula para a
medição da entropia de um gás ideal. Boltzman, juntamente com James Clerck
Maxwell (1831-1879), são considerados criadores da Física Estatística.
No período de 1881 a 1887, os norte-americanos Albert Abrahan Michelson
(1852-1931) e Edward Williams Morley (1838-1923), realizaram experimentos,
cujo objetivo era provar a existência ou não do éter, que consiste no meio que
possibilitaria a propagação de ondas eletromagnéticas (luz).
Em 1883, após observar o efeito termiônico, que ocorria em um metal,
devido ao aumento de temperatura, Thomas Alva Edison (1847-1931), constrói o
primeiro dispositivo termiônico, conhecido como a válvula de Edison, que
posteriormente propiciaria a invenção das válvulas termiônicas no ano de 1904,
por John Ambrose Fleming (1849-1945).
Em 1895, ocorre a descoberta dos raios X, pelo físico alemão Wilhelm
Konrad Roentgen (1845-1923), descoberta essa, que lhe rendeu em 1901 o
primeiro Nobel de Física.
Em 1897, Joseph John Thomson (1856-1940), demonstra através de
experiências com o tubo de raios catódicos, a existência de corpúsculos cuja
massa é bem inferior a dos átomos dos quais eles fazem parte – ele acaba de
descobrir a existência dos elétrons; descoberta que lhe rendeu o prêmio Nobel de
Física em 1906.
Em 1899 – 1900, o físico alemão Max Karl Ernest Ludwig Planck (18581947), apresenta as leis da radiação; apresentou a ideia de quanta – pacotes de
energia; estabeleceu um valor para a constante universal do quantum de energia,
conhecida como a constante de Planck (h = 6,63×10-34 J.s.), obtida através de
3
experimentos realizados com osciladores harmônicos, essa constante é de
grande importância para a teoria quântica, e expressa a proporcionalidade da
energia de um quantum em relação a sua frequência.
Na passagem desse mesmo ano, Otto Lummer (1860-1925) e Ernst
Pringsheim (1859-1917), realizaram as primeiras medidas para a radiação
espectral e William Thomson (1824-1907) observou que como resultado da
interação de um fóton com os elétrons mais afastados de um átomo de
determinado material, ocorria a transferência de energia desse fóton para o
átomo, de forma que o mesmo ficava agitado, ocorrendo a liberação dessa
energia em forma de um fóton com comprimento de onda e energia semelhantes
ao primeiro, porém este sendo liberado em uma outra direção, havendo o
espalhamento; fato que ficou conhecido como espalhamento ou efeito Thomson.
No ano de 1913, Niels Henrick David Bohr (1885-1962), apresenta um novo
modelo atômico, contribuindo de forma excelente para um profundo conhecimento
a respeito do átomo.
Em 1914, Robert Andrews Millikan (1868-1953), apresenta grande
contribuição para o mundo da física, estudando o comportamento das cargas
elétricas elementares, e em continuidade, determinando seu valor. Millikan,
também obteve grande destaque ao realizar dois grandes feitos: demonstrar a
veracidade das equações para o efeito fotoelétrico, propostas por Einstein e a
comprovação através de métodos experimentais, o valor da constante de Planck,
proposta teoricamente. Esses destaques fizeram com que Millikan recebesse o
prêmio Nobel da Física em 1923.
Em 1922, Otto Stern (1888-1969) e Walther Gerlach (1889-1979)
realizaram um experimento retratando a deflexão de partículas, o experimento
procurou observar se as partículas individuais, assim como os elétrons, possuíam
momento angular intrínseco.
No ano seguinte, Arthur Holly Compton (1892-1962), comprovou através de
experimentos a natureza corpuscular da luz. Observou que, ao entrar em contato
com a matéria, mais especificadamente, com os elétrons livres, ou aqueles que
estão em camadas mais afastadas do núcleo, o fóton tinha seu comprimento de
onda aumentado, e em consequência, sua energia diminuída. Da interação entre
os fótons e os elétrons, resulta que o elétron recebe parte da energia, fazendo
4
com que ele recue, e o restante da energia contida no fóton, faz com que o
mesmo tome uma direção de propagação diferente da inicial. Esse efeito
observado ficou conhecido como efeito Compton, e rendeu a Arthur Holly
Compton o prêmio Nobel de Física em 1927.
Em 1924, o cientista francês Louis Victor Pierre Raymond De Broglie
(1892-1987), em sua tese de doutorado, apresentou argumentos, propondo que a
matéria teria um comprimento de onda associado a ela. A hipótese de De Broglie
só foi comprovada experimentalmente, três anos após a data de lançamento da
proposta, por Clinton Davisson (1881-1958) e Lester Germer (1896-1971), e em
consequência a esse feito, no ano de 1927, De Broglie é laureado com o prêmio
Nobel de Física pela teoria da dualidade onda-matéria.
Em
1926
Walter
Elsasser
(1904-1991),
realizou
experimentos
comprovando a natureza ondulatória dos raios X, a partir do espalhamento de
elétrons em sólidos cristalinos.
No ano de 1937, o físico britânico, George Paget Thomson (1892-1975),
ganha destaque no mundo da física, recebendo o prêmio Nobel, por sua
demonstração
da
natureza
corpuscular
do
elétron,
comprovada
experimentalmente por meio da difração do elétron através de cristais.
Esses dentre outros diversos experimentos, tiveram participação na
elaboração e comprovação de um novo conjunto de teorias, denominado de
Física Moderna.
5
Capítulo 1: Vida dos cientistas envolvidos nos
experimentos
No primeiro momento abordaremos um breve relato sobre a vida dos
cientistas envolvidos em cada experimento proposto, a ser analisado através
desse trabalho.
Albert Abraham Michelson (1852-1931), cientista alemão, nascido em
Strelno na Polônia. Ainda quando criança mudou-se com sua família para os
Estados Unidos, onde iniciou sua vida escolar. Teve participação da Academia
Naval, onde posteriormente ministrou Química e Física. Michelson apresentava
grande interesse em relação ao estudo da luz, e soube aproveitar a
disponibilidade que tinha dos laboratórios da Academia, para aperfeiçoar seus
estudos e trabalhar na tentativa de construção de aparelhos que pudessem lhe
auxiliar nessa busca. Realizou diversos experimentos no período de 1881 a 1887,
cujo objetivo era descobrir um valor que medisse a velocidade da luz.
Figura 1: Albert Abraham Michelson
Em 1887, com o apoio de Edward Williams Morley (1838-1923), físico
norte-americano, nascido em Newark, desenvolveu o interferômetro, instrumento
que lhes possibilitou pesquisar e alcançar resultados relevantes para a velocidade
da luz, tais resultados rendeu a Michelson e Morley, o primeiro Prêmio Nobel
cientista norte-americano. Esses dois cientistas apresentaram grande contribuição
6
tanto nos cálculos de medida da velocidade de luz, com o alcance de valores bem
próximos ao que se tem hoje, como também no processo de andamento da
Teoria da Relatividade.
Figura 2: Edward Williams Morley
Max Karl Ernst Ludwig Plank (1858-1947) físico alemão nascido em Kiel.
Teve uma considerável carreira acadêmica, tanto como professor, como também
na ocupação de notáveis postos. Seus primeiros estudos desenvolvidos foram
voltados para a área da Termodinâmica, posteriormente surge o interesse em
relação aos estudos da radiação, e as “incertezas” envolvidas em toda sua teoria,
conceitos que não faziam ligação entre teoria e prática. Planck se dedica aos
seus estudos, e como fruto de seus esforços, alcança bom resultado, quando
consegue formular para a radiação, uma relação entre energia e frequência,
relacionadas a uma constante, que ficou conhecida como constante de Planck.
Os estudos desenvolvidos por Planck foram de tamanha importância para o
desenvolvimento da Física Moderna, em especial a Mecânica Quântica. Em 1918,
foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física, em função de suas contribuições,
que abriram novos rumos de estudo, e de certa forma estruturaram áreas de
pesquisas relacionadas, já existentes.
7
Figura3: Max Karl Ernst Ludwig Planck
Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) físico alemão nascido em Hamburgo.
Engenheiro já formado, Hertz decidiu seguir por outros rumos, optou pelo mundo
da Física. Foi professor universitário, ministrando aulas dessa disciplina. Os
trabalhos desenvolvidos por Hertz foram de grande importância para a elaboração
e aperfeiçoamento de conceitos da Mecânica Quântica. Dentre esses trabalhos,
destacam-se
experimentos
desenvolvidos
e
que
comprovaram
estudos
relacionados ao efeito causado pela incidência de ondas eletromagnéticas na
superfície de metal qualquer, o chamado efeito fotoelétrico, conceitos que já
haviam sido propostos e observados anteriormente por outro cientista. Durante
sua jornada de pesquisas, Hertz estudou modelos propostos por outros cientistas,
comprovando sua veracidade ou até mesmo, apontando suas impossibilidades.
Figura 4: Heinrich Rudolf Hertz
8
Arthur Holly Compton (1892-1962) físico Americano, nascido em Wooster.
Foi professor universitário, ministrando aulas de Filosofia e Física, atuou também
na área de pesquisas. Compton apresentava grande interesse em relação aos
estudos da radiação em especial os raios X; se dedicou a montagem de
experimentos que comprovassem seus estudos em relação à natureza
corpuscular da luz. Alcançou com êxito seu objetivo, sendo agraciado com o
Prêmio Nobel de Física em 1927, em virtude do feito descoberto por ele através
de seus experimentos, ficando conhecido como Efeito Compton.
Compton publicou diversos livros, no decorrer de sua carreira, abordando
desde conceitos da própria ciência, até conceitos tidos como interesses e idéias
do social.
Figura 5: Arthur Holly Compton
Louis Victor Pierre Raymond De Broglie (1892-1987), físico francês,
nascido em Dieppe. Iniciou seus estudos centrados na área de humanas. Porém,
com o passar dos anos, influenciado por seu irmão, que também era físico e
interessava-se pelo método experimental, surge um interesse pelo estudo e
compreensão da área de exatas, e De Broglie dá início a suas pesquisas focando
em primeiro instante o estudo dos raios X, baseando-se em conceitos já
propostos por outros cientistas da época. De Broglie propôs que assim como a luz
pode apresentar comportamento dual, a matéria também possui um comprimento
de onda associado a ela. Essa hipótese de existência, proposta por De Broglie, foi
9
tema de sua tese de doutorado, e só foi comprovada posteriormente através de
experimentos desenvolvidos pelos físicos americanos, Clinton Joseph Davisson
(1881-1958) e Lester Halbert Germer (1896-1971).
Em função dos resultados experimentais alcançados por Davisson-Germer,
em relação da teoria da dualidade onda-matéria, proposta anteriormente, Louis
De Broglie foi laureado com o Prêmio Nobel de Física em 1927.
Figura 6: Louis Victor Pierre Raymond De Broglie
Figura 7: Clinton Joseph Davisson (esquerda) e Lester HalbertGermer
10
Capítulo 2: Montagem e realização dos experimentos
Faremos a seguir uma análise sobre a montagem e realização dos
experimentos propostos anteriormente.
2.1 Experimentos de Michelson-Morley
Experimentos realizados pelos norte-americanos Albert Abrahan Michelson
e Edward Williams Morley no período de 1881 a 1887.
No ano de 1881, Michelson, utilizando um interferômetro, buscava
comprovar por meio dos primeiros experimentos, a existência de um meio de
referência privilegiado ligado ao éter, porém seu aparato apresentava uma
margem de erro bastante considerável. Michelson, não satisfeito com os
resultados negativos alcançados em suas experiências, quanto a existência desse
meio de propagação, acreditava ser necessário aprimorar seu aparelho de
medição, foi quando em 1887, contando com o apoio de Morley, trabalharam
juntos no aperfeiçoamento do interferômetro, recontruíram-no sobre um bloco de
granito e esse ficava flutuando sobre um reservatório composto por mercúrio, todo
cuidado voltado para que não houvesse interferência do ambiente no decorrer das
observações.
Figura 8: Interferômetro de Michelson
11
Dessa forma, conseguiram realizar observações com maior precisão, onde
o objetivo era medir a diferença de tempo gasto pela luz, para descrever duas
situações: a distância na direção do movimento da Terra, e em sua órbita em
torno do Sol, e o tempo gasto para percorrer a mesma distância apresentada na
primeira situação, porém, agora considerando uma direção perpendicular.
Para provar a existência desse meio de propagação (éter), seria necessário
comprovar que a luz poderia apresentar diferentes velocidades para diferentes
formas de movimentos – velocidade da luz na direção de rotação ou translação da
Terra e velocidade da luz ao percorrer uma direção perpendicular a esses
movimentos.
Porém
como
não
há
variação
nessas
duas
velocidades
apresentadas, ou seja, a luz apresenta velocidade constante independente das
direções percorridas, o objetivo dos experimentos não foi alcançado, ficando
comprovada a não existência do meio éter.
O princípio de funcionamento do interferômetro de Michelson pode ser
mostrado na figura 9:
Figura 9: Funcionamento do interferômetro de Michelson
Dois feixes de luz deveriam percorrer caminhos de mesmo comprimento,
porém em diferentes direções em relação ao movimento da Terra: um percorreria
uma direção paralela a esse movimento e o outro percorreria uma direção
12
perpendicular. Se fosse detectada uma diferença de velocidade em relação às
duas direções de propagação da luz, ficaria comprovada a existência do éter.
2.2 Radiação do corpo negro – Planck
A radiação é o processo de emissão contínua de energia desde a
superfície de qualquer corpo; essa energia é transportada no vácuo através das
ondas eletromagnéticas com velocidade de 300.000.000 m/s.
Um corpo negro se caracteriza por absorver toda energia incidente desde o
exterior e emitir toda energia incidente interior. Na natureza, não é comprovada a
existência de um corpo negro, porém ele pode ser substituído com uma grande
aproximação por uma cavidade que contenha um pequeno orifício. A energia
radiante que incide através do orifício é absorvida pelas paredes e somente uma
pequena (mínima) proporção se reflete através da abertura, portanto, pode-se
dizer que toda energia incidente é absorvida pelo corpo.
Figura 10: Modelo prático de um corpo negro
Max Planck alcançou grande destaque entre os estudiosos de sua época e
conservaria tal destaque por muitas outras décadas posteriores. É considerado
fundador da teoria quântica, com seus estudos voltados para o comportamento de
um corpo negro.
13
A teoria clássica da época apresentava certas limitações em explicar
fenômenos ocorridos fora do conhecimento adquirido, surgindo assim a
necessidade de reformulações teóricas, que apresentassem uma linha de
conhecimento mais abrangente.
A proposta de Max Planck estava vinculada a esse sentido, apresentar
uma explicação aceitável para a energia que era emitida por um corpo qualquer,
quando submetido a determinada temperatura – espectro de radiação, pois a
teoria clássica só conseguia explicar as emissões ocorridas apenas em baixas
temperaturas.
Na teoria clássica, as leis referentes à radiação do corpo negro
apresentavam certas discrepâncias entre teoria e comprovação experimental. Em
1892, o físico alemão Wilhelm Wien (1864-1928), propôs a existência de uma
relação de proporcionalidade entre temperatura e comprimentos de onda, onde o
comprimento de onda seria inversamente proporcional a temperatura de um
corpo. A lei proposta por Wien alcançava bom desempenho, quando aplicada a
pequenos comprimentos de onda, gerando então altas frequências de energia,
porém se mostrava inconsistente no caso de aplicação em grandes comprimentos
de ondas.
Figura 11: Lei do deslocamento de Wien
14
Lord Rayleigh (1842-1919) e Sir James Jeans (1877-1946), obtiveram
medidas experimentais, trabalhando com osciladores, e obtiveram uma relação,
cujo objetivo era descrever a radiação espectral de um corpo qualquer a
determinada temperatura, para qualquer comprimento de onda. Porém ela
funcionava perfeitamente quando se observava comprimentos de ondas grandes,
onde a frequência apresentada era pequena, e o mesmo não ocorria para
comprimentos de ondas pequenos (quanto menor o comprimento de onda, maior
a energia), cuja frequência tendia ao infinito, dessa forma, discordando com o que
era proposto pela teoria. Fato que ficou conhecido como a “Catástrofe do
ultravioleta”.
Figura 12: Catástrofe do Ultravioleta
Max Planck se dedicou aos estudos, na tentativa de encontrar uma relação
que pudesse ser aplicada com igual objetividade para qualquer comprimento de
onda, ou seja, buscava uma explicação para o espectro da radiação térmica, que
ocorria em todos os comprimentos de onda, porém com diferentes intensidades,
dependendo da temperatura em que se encontra o corpo. Realizou experimentos
com osciladores harmônicos, onde propôs que a energia emitida nas radiações,
15
deveria ser quantizada, ou seja, seriam emitidas por pacotes, cuja energia
proveniente destes, seria proporcional à frequência, obtendo a seguinte relação:
E = hf
A relação apresentada por Planck se ajustava perfeitamente aos dados
experimentais já obtidos, e trouxe um esclarecimento para as leis da radiação
propostas por Wien e Rayleigh.
Figura 13: Distribuição de Planck para diferentes temperaturas
Na figura 13, apresentada acima, pode-se observar a existência de um
comprimento máximo de onda e não infinito, não ocorre o mesmo para as demais
distribuições.
O gráfico representado pela figura 14 (Frequência X Intensidade) faz a
representação conjunta das três Leis referentes a radiação. Nota-se que a Lei
16
Rayleigh – Jeans não apresenta resultados condizentes com os observados para
frequências elevadas. Já a Lei de Wien não apresenta resultados compatíveis
com os observados para baixas frequências. Enquanto a distribuição de Planck
para a radiação assume resultados mais realistas.
Figura 14: Representação das Leis de: Rayleigh, Wien e Planck
A Lei de Planck para a radiação do corpo negro, para a época, se mostrava
bastante radical, mesmo sendo demonstrada experimentalmente, só foi aceita
após ter sido adotada por Einstein em 1905 em seu trabalho a respeito do efeito
fotoelétrico. Einstein foi o primeiro físico a reconhecer a real importância das
formulações apresentadas por Planck sobre a radiação eletromagnética, e fez uso
das mesmas, pra introduzir seu conceito de fóton, assim como também conceitos
básicos da teoria quântica.
Planck recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1918, em função de seus
trabalhos desenvolvidos sobre a teoria quântica.
2.3 Efeito fotoelétrico – Hertz
O
efeito
fotoelétrico
é
proveniente
da
incidência
de
radiação
eletromagnética de alta frequência, sobre a superfície de um metal qualquer,
fazendo com que ocorra a emissão de elétrons por parte do metal. Esse
17
fenômeno foi observado pela primeira vez pelo físico francês Alexandre Edmond
Becquerel (1820-1891) em 1839, e comprovado experimentalmente por Heinrich
Hertz em 1887, e em sua homenagem, esse fenômeno ficou conhecido como
Efeito Hertz, porém esse termo não é utilizado com muita frequência.
Figura 15: Efeito fotoelétrico
Os elétrons giram em torno do núcleo atômico, e são mantidos em órbita
através de forças de atração. Porém se eles receberem uma energia maior do
que a de costume, eles são arrancados facilmente de suas órbitas. É exatamente
isso o que ocorre quando um feixe de radiação com energia elevada é lançado
sobre a superfície de um metal, fazendo com que os elétrons sejam arrancados,
podendo adquirir ou não energia cinética em seu lançamento, dependendo assim,
da quantidade de energia emitida na radiação, enquanto em contrapartida, a
quantidade de elétrons que pode ser arrancados da superfície metálica, vai
depender da intensidade da luz incidente.
Hertz realizou experiências, comprovando a existência das ondas
eletromagnéticas, que já haviam sido propostas por Maxwell. Mas além dessa
descoberta, ele observou, através de uma experiência, que a descarga que
ocorria entre dois eletrodos dentro de uma ampola, poderia ser facilitada se em
18
um dos eletrodos fosse incidida radiação (luz), de forma que, desse mesmo
eletrodo ocorria a emissão de elétrons.
Após a descoberta e comprovação do efeito fotoelétrico, restavam-se
dúvidas com relação à emissão dos elétrons. Esperava-se que, com o aumento
da intensidade da luz, os elétrons fossem arrancados do material, com uma maior
energia cinética, porém o que podia ser observado é a existência de uma relação
entre a intensidade da luz e a quantidade de elétrons arrancados de suas órbitas:
quanto maior for a intensidade da luz emitida, maior será a quantidade de elétrons
arrancados, enquanto para uma intensidade pequena, poucos elétrons eram
arrancados.
Figura 16: Representação do experimento realizado por Hertz
Em 1905 Einstein, apresenta uma explicação bastante satisfatória para o
fenômeno do efeito fotoelétrico, baseando-se na idéia de quantização, proposta
por Max Planck em 1900.
Em sua teoria, Einstein propõe que a energia da radiação incidente sobre o
material, além de se comportar como ondas contínuas, poderia também se
apresentar de forma concentrada em pacotes de energia, que ele denominou de
fótons, cujo valor apresentado era hʋ, e a intensidade da luz seria proporcional a
quantidade de pacotes. Tal interpretação, relacionada a natureza corpuscular da
luz, explica o fato de uma maior intensidade de luz (radiação) emitida, conseguir
19
arrancar uma maior quantidade de elétrons, pois com um número maior de fótons
colidindo sobre a superfície, mais elétrons serão atingidos.
2.4 Efeito Compton – Dualidade onda-partícula
O efeito observado pelo físico Arthur Holly Compton em 1923, que consiste
na perda de energia de um fóton, quando o mesmo entra em contato com a
matéria, ficou conhecido como Efeito Compton ou Espalhamento Compton. Após
a colisão com a matéria, o fóton tem seu comprimento de onda aumentado e sua
energia diminuída.
Compton realizou vários experimentos com raios X, na tentativa de explicar
o aumento do comprimento de onda da radiação após o espalhamento, pois o que
ocorria experimentalmente, não podia ser explicado pela teoria clássica da época,
que dizia que o comprimento de onda da radiação espalhada, deveria ser o
mesmo comprimento da radiação incidente (Espalhamento de Thomson). Dessa
forma ficava clara a existência de uma incompatibilidade entre a teoria proposta
por J. J. Thomson e a comprovação experimental de Compton, pois a teoria de
Thomson não conseguia explicar a real variação do comprimento de onda, após a
colisão.
A figura a seguir, retrata o momento da colisão de um fóton com um
elétron. No momento do choque, o elétron recebe parte da energia, o que faz com
que ele recue, e o fóton mantendo o restante da energia, acaba sendo emitido em
uma direção diferente da inicial, com freqüência diferente.
20
Figura 17: Espalhamento de Compton
Depois de várias tentativas fracassadas, na busca de uma explicação para
a variação do comprimento de onda espalhado, Compton só obteve êxito após
mudar sua análise, passando a considerar a ideia dos quanta, e que o fenômeno
ocorrido poderia se apresentar como uma colisão elástica, onde deveria se levar
em conta a existência de um momento do quantum de energia.
Na realização de seu experimento, Compton utilizou um objeto constituído
de grafite, onde incidiu raios X em uma determinada frequência, fez a medição da
frequência da radiação que foi espalhada após a colisão dos raios X com o
material, e verificou a ocorrência de uma radiação com frequência menor do que a
incidente. Embasado na teoria clássica, esse fato que ocorria não tinha
explicação.
Compton alcançou explicação para esse efeito, baseando-se nos conceitos
dos quanta, considerando que os raios X são quantizados, ou seja, são
constituídos por partículas, que ao entrarem em contato com os elétrons da
matéria (Grafite), ocorre a transferência de uma parte de sua energia para esses
elétrons, sendo que depois, essas partículas serão emitidas com uma energia
menor do que a inicial. Ele faz uso das relações já apresentadas por Einstein e
21
Planck (E = hv) que relaciona energia e frequência, para calcular essa diminuição
de energia das partículas em termos da diminuição frequência.
Os resultados teóricos obtidos por Compton estão em concordância com os
valores experimentais alcançados.
A descoberta do Efeito Compton foi de grande importância para reforçar a
ideia de que a luz não se comporta meramente como onda, mas que também
pode apresentar comportamento corpuscular.
Em homenagem às suas importantes descobertas, e em especial ao Efeito
Compton, Arthur Holly Compton recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1927.
2.5 Hipótese de De Broglie – Davisson-Germer
O cientista francês Louis-Victor Pierre Raymond De Broglie, em sua tese
de doutorado, propõe a hipótese de que da mesma maneira que a luz apresenta
característica onda-partícula (dualidade), as partículas materiais também
poderiam apresentar comportamentos típicos de uma onda (difração e
interferência), fato que denomina de onda de matéria. De Broglie apresentou
argumentos em sua tese, propondo que a matéria em destaque os elétrons, teria
um comprimento de onda associado a ela.
Embora ainda não houvesse comprovação para sua proposta, De Broglie
afirmava que a ideia proposta poderia ser observada por meio de uma experiência
com cristais, onde os fenômenos de difração e interferência poderiam ser
observados com clareza, se sobre a superfície do cristal fosse lançado um feixe
de elétrons, o comportamento observado é característico de uma onda. Por mais
que a idéia proposta por De Broglie parecesse um tanto exagerada, ele contava
com o apoio de Einstein, e foi através do próprio Einstein que a ideia foi difundida,
chegando a notícia que uma experiência relacionada à proposta de De Broglie já
havia sido realizada nos Estados Unidos, por dois físicos Clinton Davisson e
Charles Kunsman, porém os resultados obtidos com a experiência haviam sido
interpretados de maneira diferente, já que seria um absurdo considerar que o
elétron pudesse apresentar comportamento de uma onda.
Após a hipótese de De Broglie ser incorporada a teoria quântica, as
experiências visando à comprovação da existência de tais ondas de matéria,
22
foram retomadas novamente por Davisson com o apoio de outro cientista, Lester
Germer. Outros dois cientistas, George Thomson e Alexander Reid, também
realizaram experiências, confirmando o comportamento ondulatório apresentado
pelos elétrons.
A hipótese de De Broglie só foi comprovada experimentalmente, três anos
após a data de lançamento da proposta, por Clinton Davisson e Lester Germer.
A figura 17 representa o experimento de Davisson – Germer, onde sobre
uma superfície cristalina é incidido um feixe de elétrons, e o mesmo é disperso. A
intensidade desse feixe de elétrons que foi disperso em relação a um ângulo φ, é
medida através de um detector de elétrons, essa medida é feita para diferentes
valores de energia dos elétrons incidentes no cristal.
Figura 18: Esquema do experimento realizado por Davisson – Germer
Davisson e Germer realizaram experiências com um cristal de Níquel, onde
observaram que ao se incidir elétrons sobre a superfície do cristal, houve uma
reflexão semelhante a que ocorria para a incidência de raios X, que quando
incididos sobre a superfície de um cristal, é gerada uma forte reflexão a
determinado ângulo, fazendo com que haja uma interferência da forma
23
construtiva, ou seja, existe uma combinação entre as fases das ondas. Quando
Davisson e Germer analisaram os ângulos ocorridos para os raios X e para os
elétrons, puderam notar que nessas ocasiões os elétrons apresentam o mesmo
comprimento de onda que De Broglie havia proposto.
24
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O conhecimento da história, em amplos aspectos, é um fator de extrema
importância para o entendimento dos acontecimentos atuais, pois é necessário
que se tenha noção do caminho que foi percorrido, até se alcançar o nível de
conhecimento que temos atualmente, para tanto, é preciso levar em conta os
fatores que contribuíram no decorrer desse processo de evolução.
No ensino da Ciência, o conhecimento de um contexto histórico, se torna
imprescindível, pois é de extrema importância que aluno tenha conhecimento dos
fatos antecedentes, que em uma visão geral, são a base de todo conhecimento já
construído. E partindo desses antecedentes, novos conhecimentos são
alcançados, podendo surgir de novas descobertas, ou até mesmo, surgir das
reformulações de propostas já conhecidas, visto que todo o conhecimento é fruto
de constantes descobertas.
Baseando-se na idéia de conhecimento científico, desde as propostas e teorias
mais antigas, até as mais recentes, de uma forma geral, precisam ter sua
veracidade comprovada, passando assim por um processo de comprovação
experimental.
No desenvolvimento desse trabalho, vimos que os métodos experimentais
apresentados, foram de grande relevância para a confirmação da teoria proposta.
A experimentação é considerada como uma ferramenta indispensável, no
processo de construção do conhecimento científico, pois representa um papel
fundamental nesse processo, buscando comprovar o que em primeiro momento
era tido somente como uma suposição.
25
ANEXOS
Fonte das figuras
Figura 1........................................................................................................ 13
Fonte: Disponível em:
<http://www.geocities.ws/saladefisica9/biografias/michelson.html>
Acesso em: Agosto 2012.
Figura 2......................................................................................................... 14
Fonte: Disponível em:
<http://www.fisicanet.com.ar/biografias/cientificos/m/morley.php#.UHwzTsXA86I>
Acesso em: Agosto de 2012.
Figura 3 ........................................................................................................ 15
Fonte: Disponível em:
<http://www.biografiasyvidas.com/biografia/p/planck.htm>
Acesso em: Agosto de 2012.
Figura 4 ......................................................................................................... 15
Fonte: Disponível em:
<http://www.biografiasyvidas.com/biografia/h/hertz.htm>
Acesso em: Agosto de 2012.
26
Figura 5 .......................................................................................................... 16
Fonte: Disponível em:
<http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1927/comptonbio.html>
Acesso em: Agosto de 2012.
Figura 6 ......................................................................................................... 17
Fonte: Disponível em:
<http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/broglie-bio.html>
Acesso em: Setembro de 2012.
Figura 7 ......................................................................................................... 17
Fonte: Disponível em:
<http://pt.wikipedia.org/wiki/Lester_Germer>
Acesso em: Setembro de 2012.
Figura 8 ......................................................................................................... 18
Fonte: Disponível em:
<http://www.projetoockham.org/historia_eter_4.html>
Acesso em: Setembro de 2012.
Figura 9 ........................................................................................................ 19
Fonte: Disponível em:
27
<http://www.geocities.ws/saladefisica9/biografias/michelson.html>
Acesso em: Setembro de 2012.
Figura 10 ...................................................................................................... 20
Fonte: Disponível em:
<http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/radiacao-corpo-negro.htm>
Acesso em: Setembro de 2012.
Figura 11 ...................................................................................................... 21
Fonte: Disponível em:
<http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Wien>
Acesso em: Outubro de 2012.
Figura 12 ....................................................................................................... 22
Fonte: Disponível em:
<http://pt.wikipedia.org/wiki/Cat%C3%A1strofe_do_ultravioleta>
Acesso em: Outubro de 2012.
Figura 13 ....................................................................................................... 23
Fonte: Disponível em:
<http://paralysisbyanalysis52.wordpress.com/2012/09/01/mecanica-e-fisicaquantica-historia-e-evolucao-da-fisica-quantica-post-3/>
Acesso em: Outubro de 2012.
28
Figura 14 ...................................................................................................... 24
Fonte: Disponível em:
<http://paralysisbyanalysis52.wordpress.com/2012/09/01/mecanica-e-fisicaquantica-historia-e-evolucao-da-fisica-quantica-post-3/>
Acesso em: Outubro de 2012.
Figura 15 ...................................................................................................... 25
Fonte: Disponível em:
<http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_fotoel%C3%A9trico>
Acesso em: Outubro de 2012.
Figura 16 ...................................................................................................... 26
Fonte: Disponível em:
<http://gihelilah.blogspot.com.br/2009/11/efeito-fotoeletrico_10.html>
Acesso em: Outubro de 2012.
Figura 17 ..................................................................................................... 28
Fonte: Disponível em:
<http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Compton>
Acesso em: Outubro de 2012.
Figura 18 ..................................................................................................... 30
Fonte: Disponível em:
29
<http://pt.scribd.com/doc/64414319/19/Dualidade-onda-particula-hipotese-de-deBroglie>
Acesso em: Outubro de 2012.
30
REFERÊNCIAS
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Disponível em: <http://rumoaoita.com/materiais/materiais_caio/fismoderna3.pdf>
Acesso em: 21 de Setembro de 2012.
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Disponível
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<http://www.fisica.ufs.br/egsantana/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm#La
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Acesso em: 20 de Novembro de 2012.
Biografia de Albert Abraham Michelson.
Disponível em: <http://www.geocities.ws/saladefisica9/biografias/michelson.html>
Acesso em: 10 de Agosto de 2012.
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Disponível em:
<http://pt.infobiografias.com/biografia/16254/Arthur-Holly--Compton.html>
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Disponível em: <http://www.dec.ufcg.edu.br/biografias/MaxKPlan.html>
Acesso em: 10 de Agosto de 2012.
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Michelson – Morley.
Disponível em: <http://www.ecientificocultural.com/Relat/luz04.htm>
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(Re)Visão de Física Moderna. Experimentos e Problemas Históricos.
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duie=AG9B_P8LlpQp4W2maP6cJtCBxsb&sadet=1352308164794&sads=QCo6QEgfTrEmCi3PmtrUEEE6_m8>
Acesso em: 2 de Outubro de 2012.
Revista Brasileira de Ensino de Física. Lâmpada de Hg para experimentos e
demonstrações de física moderna: introdução ao efeito fotoelétrico e outros
tópicos.
Disponível em: <http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/304502.pdf>
Acesso em: Dezembro de 2012.
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Seara da Ciência – Curiosidades da Física. Observação e Explicação do Efeito
Fotoelétrico.
Disponível em:<http://www.seara.ufc.br/folclore/folclore103.htm>
Acesso em: 28 de Setembro de 2012.
WOLNEY FILHO, WALDEMAR. Mecânica Quântica/Waldemar Wolney Filho. –
Goiânia: Ed. Da UFG, p. 19-64, 2002.