Saltos quânticos: como a ideia de Niels Bohr mudou o mundo

Assim como Dua Lipa, ele teve que criar novas regras.
Crédito: Annelisa Leinbach, Peter Hermes Furian
Principais conclusões
  • O átomo de Niels Bohr foi uma ideia verdadeiramente revolucionária, misturando velhos e novos conceitos de física.
  • De certa forma, um átomo se assemelha ao sistema solar; de outras maneiras, ele se comporta de maneira bastante bizarra.
  • Bohr percebeu que o mundo dos muito pequenos exigia uma nova forma de pensar.
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Este é o segundo de uma série de artigos que exploram o nascimento da física quântica.

A palavra quântico está em toda parte, e junto com ele o termo saltos quânticos . Semana Anterior nós discutimos A ideia pioneira de Max Planck de que os átomos podem emitir e absorver energia em quantidades discretas, sempre múltiplos da mesma quantidade. Esses pequenos pedaços de radiação receberam o nome de quantum.



Nesta semana, avançamos para outra ideia-chave na revolução quântica: Niels Bohr O modelo do átomo de 1913, que nos deu saltos quânticos. Se a ideia de Planck exigiu coragem e muita imaginação, a de Bohr foi uma grande bravata. De alguma forma, Bohr colocou um monte de novas ideias em uma sacola, misturou-as com velhos conceitos da física clássica e criou a noção de órbitas quantizadas nos átomos. Que o modelo segurou é nada menos que incrível. Bohr viu o que ninguém podia ver na época: que os átomos não são nada do que as pessoas pensavam pelo menos 2.000 anos . Na verdade, eles são como nada que alguém poderia ter imaginado. Exceto Bohr, suponho.





Uma revolução da partícula mais simples

O modelo atômico de Bohr é meio maluco. Sua colagem de ideias misturando conceitos antigos e novos foi fruto da incrível intuição de Bohr. Olhando apenas para o hidrogênio, o mais simples de todos os átomos, Bohr formou a imagem de um sistema solar em miniatura, com um próton no centro e o elétron girando em torno dele.

Seguindo a maneira do físico de fazer as coisas, ele queria explicar alguns de seus dados observados com o modelo mais simples possível. Mas havia um problema. O elétron, sendo carregado negativamente, é atraído pelo próton, que é positivo. De acordo com o eletromagnetismo clássico, a teoria que descreve como as partículas carregadas se atraem e se repelem, um elétron desceria em espiral até o núcleo. À medida que circulasse o próton, irradiaria sua energia e cairia. Nenhuma órbita seria estável e os átomos não poderiam existir. Claramente, algo novo e revolucionário era necessário. O sistema solar só poderia ir tão longe como uma analogia.



Para salvar o átomo, Bohr teve que inventar novas regras que colidissem com a física clássica. Ele corajosamente sugeriu o implausível: e se o elétron pudesse apenas circundar o núcleo em certas órbitas, separadas umas das outras no espaço como os degraus de uma escada ou as camadas de uma cebola? Assim como você não pode ficar entre as etapas, o elétron não pode ficar em nenhum lugar entre duas órbitas. Ele só pode pular de uma órbita para outra, da mesma forma que podemos pular entre as etapas. Bohr acabara de descrever saltos quânticos.



momento quantizado

Mas como essas órbitas quânticas são determinadas? Mais uma vez, vamos nos curvar à incrível intuição de Bohr. Mas primeiro, uma incursão no momento angular.

Se os elétrons circundam os prótons, eles têm o que chamamos de momento angular, uma quantidade que mede a intensidade e a orientação dos movimentos circulares. Se você amarrar uma pedra a uma corda e girá-la, ela terá momento angular: quanto mais rápido você girar, mais longa será a corda ou mais pesada a pedra, maior será esse momento. Se nada mudar na velocidade de rotação ou no comprimento da corda, o momento angular é conservado. Na prática, nunca se conserva para rochas rotativas por causa da fricção. Quando uma patinadora no gelo gira para cima trazendo seus braços esticados até o peito, ela está usando seu momento angular quase conservado: braços mais curtos e mais giro fornecem o mesmo momento angular que braços mais longos e giro mais lento.



Bohr sugeriu que o momento angular do elétron deveria ser quantizado. Ou seja, deve ter apenas determinados valores, dados por números inteiros (n = 1, 2, 3…). Se L é o momento angular orbital do elétron, a fórmula de Bohr é L = nh/2π, onde h é a famosa constante de Planck que explicamos em redação da semana passada . Um momento angular quantizado significa que as órbitas do elétron são separadas no espaço como os degraus de uma escada. O elétron poderia ir de uma órbita (digamos, a órbita n = 2) para outra (digamos, n = 3) pulando para baixo e se aproximando do próton, ou pulando para cima e se afastando.

Impressões digitais quânticas coloridas

A brilhante combinação de conceitos da física clássica de Bohr com a novíssima física quântica produziu um modelo híbrido do átomo. O mundo do muito pequeno, ele percebeu, pedia uma nova maneira de pensar sobre a matéria e suas propriedades.



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No processo, Bohr resolveu um antigo mistério da física sobre as cores que um elemento químico emite quando aquecido, conhecido como espectro de emissão. O amarelo forte nas lâmpadas de sódio é um exemplo familiar da cor dominante em um espectro de emissão. Acontece que cada elemento químico, do hidrogênio ao urânio, tem seu próprio espectro, caracterizado por um conjunto distinto de cores. Eles são as impressões digitais espectrais de um elemento. Cientistas do século 19 º século sabia que espectros químicos existiam, mas ninguém sabia por quê. Bohr sugeriu que, quando um elétron salta entre as órbitas, ele emite ou absorve um pedaço de luz. Essas quantidades de luz são chamadas fótons , e são a principal contribuição de Einstein para a física quântica — uma contribuição que exploraremos nesta série em breve.



Como o elétron negativo é atraído pelo núcleo positivo, ele precisa de energia para saltar para uma órbita mais alta. Essa energia é adquirida pela absorção de um fóton. Esta é a base do espectro de absorção , e você faz a mesma coisa toda vez que sobe um degrau em uma escada. A gravidade quer mantê-lo para baixo, mas você usa a energia armazenada em seus músculos para subir.

Por outro lado, o espectro de emissão de um elemento consiste nos fótons (ou radiação) que os elétrons emitem quando saltam de órbitas superiores para órbitas inferiores. Os fótons carregam o momento angular que o elétron perde ao pular. Bohr sugeriu que a energia dos fótons emitidos corresponde à diferença de energia entre as duas órbitas.



E por que elementos diferentes têm espectros de emissão diferentes? Cada átomo possui um número único de prótons em seu núcleo, de modo que seus elétrons são atraídos por intensidades específicas. Cada órbita permitida para cada átomo terá sua própria energia específica. Quando o elétron salta entre duas órbitas, o fóton emitido terá aquela energia precisa e nenhuma outra. Voltando à analogia da escada, é como se cada elemento químico tivesse sua própria escada, com degraus construídos a diferentes distâncias uns dos outros.

Com isso, Bohr explicou o espectro de emissão do hidrogênio, um triunfo de seu modelo híbrido. E o que acontece quando o elétron está no nível mais baixo, n = 1? Bem, Bohr sugere que este é o mais baixo que pode chegar. Ele não sabe como, mas o elétron está preso ali. Não cai no núcleo. Seu pupilo, Werner Heisenberg, dará a resposta cerca de 13 anos depois: o Princípio da Incerteza. Mas isso é história para outra semana.



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