Ciência

mecânica quântica

mecânica quântica , Ciência lidar com o comportamento da matéria e luz no atômico e subatômico escala. Ele tenta descrever e explicar as propriedades das moléculas e átomos e seus constituintes - elétrons , prótons, nêutrons e outros mais esotérico partículas como quarks e glúons. Essas propriedades incluem as interações das partículas umas com as outras e com radiação eletromagnética (ou seja, luz, raios-X e raios gama).

O comportamento da matéria e da radiação na escala atômica muitas vezes parece peculiar, e as consequências de quantum teoria são, portanto, difíceis de entender e acreditar. Seus conceitos freqüentemente entram em conflito com noções de senso comum derivadas de observações do mundo cotidiano. Não há razão, entretanto, para que o comportamento do mundo atômico deva se conformar com o do mundo familiar em grande escala. É importante perceber que o quantum mecânica é um ramo da física e que a função da física é descrever e explicar a maneira como o mundo - em grande e pequena escala - realmente é, e não como alguém o imagina ou gostaria que fosse.

O estudo da mecânica quântica é gratificante por várias razões. Primeiro, ele ilustra o essencial metodologia da física. Em segundo lugar, tem sido um enorme sucesso em fornecer resultados corretos em praticamente todas as situações às quais foi aplicado. Há, no entanto, um intrigante paradoxo . Apesar do esmagador sucesso prático da mecânica quântica, os fundamentos do assunto contêm problemas não resolvidos - em particular, problemas relativos à natureza da medição. Uma característica essencial da mecânica quântica é que geralmente é impossível, mesmo em princípio, medir um sistema sem perturbá-lo; a natureza detalhada desse distúrbio e o ponto exato em que ocorre são obscuros e controversos. Assim, a mecânica quântica atraiu alguns dos cientistas mais hábeis do século 20, e eles ergueram o que é talvez o melhor intelectual edifício do período.

Base histórica da teoria quântica

Considerações básicas

Em um nível fundamental, tanto a radiação quanto a matéria têm características de partículas e ondas. O reconhecimento gradual pelos cientistas de que a radiação possui propriedades semelhantes às de partículas e que a matéria possui propriedades ondulatórias proporcionou a impulso para o desenvolvimento da mecânica quântica. Influenciados por Newton, a maioria dos físicos do século 18 acreditava que a luz consistia em partículas, que eles chamavam de corpúsculos. Por volta de 1800, as evidências começaram a se acumular para um aceno teoria da luz. Mais ou menos nessa época, Thomas Young mostrou que, se a luz monocromática passar por um par de fendas, os dois feixes emergentes interferem, de modo que um padrão de franja de faixas alternadamente brilhantes e escuras aparece na tela. As faixas são facilmente explicadas por uma teoria ondulatória da luz. De acordo com a teoria, uma faixa brilhante é produzida quando as cristas (e vales) das ondas das duas fendas chegam juntas à tela; uma faixa escura é produzida quando a crista de uma onda chega ao mesmo tempo que a depressão da outra e os efeitos dos dois feixes de luz se cancelam. Começando em 1815, uma série de experimentos feitos por Augustin-Jean Fresnel da França e outros mostraram que, quando um feixe de luz paralelo passa por uma única fenda, o feixe emergente não é mais paralelo, mas começa a divergir; este fenômeno é conhecido como difração. Dado o comprimento de onda da luz e a geometria do aparelho (isto é, a separação e as larguras das fendas e a distância das fendas à tela), pode-se usar a teoria das ondas para calcular o padrão esperado em cada caso; a teoria concorda precisamente com os dados experimentais.

Desenvolvimentos iniciais

Lei de radiação de Planck

No final do século 19, os físicos quase universalmente aceitaram a teoria ondulatória da luz. No entanto, embora as idéias da física clássica expliquem interferência e fenômenos de difração relacionados ao propagação de luz, eles não levam em conta a absorção e emissão de luz. Todos os corpos irradiam eletromagnético energia como calor; na verdade, um corpo emite radiação em todos os comprimentos de onda. A energia irradiada em diferentes comprimentos de onda é máxima em um comprimento de onda que depende da temperatura do corpo; quanto mais quente o corpo, menor é o comprimento de onda para radiação máxima. As tentativas de calcular a distribuição de energia da radiação de um corpo negro usando idéias clássicas não tiveram sucesso. (Um negro é um hipotético corpo ou superfície ideal que absorve e reemite toda a energia radiante que incide sobre ele.) Uma fórmula, proposta por Wilhelm Wien da Alemanha, não concordava com observações em comprimentos de onda longos, e outra, proposta por Lord Rayleigh (John William Strutt) da Inglaterra, discordou daqueles em comprimentos de onda curtos.

Em 1900, o físico teórico alemão Max Planck fez uma sugestão ousada. Ele assumiu que a energia da radiação é emitida, não continuamente, mas sim em pacotes discretos chamados quantos . A energia É do quantum está relacionado com o frequência ν por É = h ν. A quantidade h , agora conhecida como constante de Planck, é uma constante universal com o valor aproximado de 6,62607 × 10^-34joule ∙ segundo. Planck mostrou que a energia calculada espectro em seguida, concordou com a observação em toda a faixa de comprimento de onda.