Quantum

Quantização de Energia

"Agora, não há mais nada de novo a ser descoberto na física. Tudo o que resta são medições cada vez mais precisas."

Essa frase normalmente é atribuída ao famoso físico escocês William Thomson (mais conhecido como Lorde Kelvin). Ele provavelmente nunca proferiu essas palavras, mas elas inegavelmente refletem a visão da maioria dos físicos que viviam no fim do século XX. As teorias da física clássica tinham sido testadas muitas vezes e pareciam descrever a realidade muito bem.
Quando essas teorias começaram a falhar, viu-se o quão errado Thomson estava. O primeiro fenômeno que a física clássica falhou em explicar é chamado de radiação de corpo escuro.

Para entender esse fenômeno, é necessário entender que todos os corpos tangíveis no universo emitem energia na forma de radiação eletromagnética (luz). A quantidade de energia emitida por um corpo depende de muitos fatores, como sua cor e temperatura. Quanto mais alta a temperatura do corpo, maior é a frequência média (e consequentemente a energia) da luz que ele emite. A razão pela qual nós usualmente não conseguimos observar essa radiação é que corpos em temperatura ambiente emitem predominantemente luz no espectro infravermelho, que é invisível ao olho nu. Já os metais, por exemplo, brilham quando estão derretendo e sua temperatura alcança centenas de graus Celsius.

Físicos do século XIX estavam tentando determinar a composição do espectro emitido por um corpo em relação a sua temperatura. Para realizar tal façanha, eles usaram um modelo simplificado de um corpo - o corpo negro. O corpo negro é um corpo hipotético que segue as seguintes condições:

1. Um corpo negro absorve toda radiação eletromagnética que recebe (outros corpos absorvem meramente uma parte de todo o espectro e refletem a luz restante).

2. Um corpo negro permanece em equilíbrio térmico com o seu redor (ou seja, tem a mesma temperatura que os corpos localizados no mesmo sistema).

Essas condições garantem que o espectro emitido por um corpo negro é determinado apenas pela temperatura do corpo. Porém, quando os físicos tentaram estabelecer a composição de tal espectro usando a física clássica, eles obtiveram resultado que não coincidiam com a realidade. De acordo com a física clássica, um corpo negro emitiria a mesma quantidade de luz de cada frequência. No entanto, quanto mais alta a frequência da luz, mais energia a luz tem. Assim, um corpo negro emitiria quantidades enormes de energia na forma de radiação de alta frequência - infinitas, na verdade.

Contudo, isso tem consequências terríveis - a física clássica, dessa forma, diz, basicamente, que todo objeto no universo deveria emitir imediatamente toda a sua energia na forma de luz no espectro ultravioleta. Por sorte, o universo não funciona dessa forma, senão nós não existiríamos.

Essa realização foi um grande marco para evolução da ciência moderna. Os físicos foram finalmente forçados a admitir que teorias clássicas estavam simplesmente erradas. Hoje, temos um nome adequado para esse grande fracasso da física clássica - a catástrofe ultravioleta.

O problema da radiação de corpo-negro foi resolvido pelo físico Alemão Max Planck. Ele teve a ideia de que corpos não emitem radiação eletromagnética continuamente, mas via pequenos pacotes chamados quanta (plural de quantum). O tamanho desses quanta é dado pela seguinte equação de Planck:

Uma onda eletromagnética pode ser essencialmente imaginada como um conjunto de pequeníssimos "pacotes" de energia (quanta) cuja energia total determina a energia da onda em si. O tamanho de um quantum é específico para cada frequência. Pela equação acima, é aparente que a radiação de frequência mais alta é composta por maiores quanta do que a radiação de frequência mais baixa. Isso resolve o problema com a radiação de corpo-negro é cada vez mais difícil para um corpo negro emitir radiação de frequência mais alta, já que ele normalmente não consegue suprir quanta de alta frequência com energia suficiente e, assim, fica com a luz de baixa energia.

Quantização de energia é só comecinho de um novo mundo da física. Ela apresenta uma regra fundamental para a mecânica quântica - como aprenderemos nos capítulos seguintes.