Dualidade onda partícula
Como a Física chegou ao dilema entre onda e partícula.
FÍSICA MODERNA
O físico francês, Louis de Broglie, dirigiu sua pesquisa teórica para tentar compreender o caráter dual da natureza da luz (onda e partícula). Havia alguns fenômenos (difração e interferência) que eram explicados pela teoria das ondas eletromagnéticas, enquanto outros (efeito fotoelétrico e espectros do átomo de hidrogênio) só podiam ser explicados considerando a luz constituída de partículas (fótons).
De Broglie conseguiu conciliar características aparentemente tão distintas de forma simples, genial e revolucionária. Atribuiu propriedades ondulatórias à matéria. Ele percebeu que não havia contradição entre o aspecto corpuscular e o ondulatório. Se os fótons são partículas de energia, cujo valor é função da freqüência, característica puramente ondulatória, outras partículas, como o elétron, também deveriam apresentar propriedades ondulatórias. Tal proposta não passava de pura especulação, mas de Broglie foi capaz de tirar dela algumas conclusões.
Ele desenvolveu o seguinte raciocínio. Considere uma fonte de luz monocromática (de frequência única), por exemplo, de cor vermelha. A essa onda, está associada fótons de energia dados por E = h f, que possuem uma certa quantidade de movimento P. Considere um feixe de elétrons com uma certa energia E e quantidade de movimento P. Podemos associar a esse feixe de elétrons uma onda que terá uma certa frequência f e consequentemente um comprimento de onda λ. De Broglie, a partir dessas hipóteses, acabou por demonstrar que a um feixe de partículas qualquer está associada uma onda cujo comprimento de onda.
Se podemos associar ondas à matéria, as partículas oriundas dessa associação deveriam então apresentar os fenômenos da difração e interferência. A primeira tentativa de obter tal fenômeno foi feito com um feixe de átomos de Hélio, e, mesmo que nesse experimento, todos os átomos não possuíssem a mesma quantidade de movimento, era possível observar as famosas franjas de interferência. Mais tarde, os cientistas conseguiram obter os mesmos resultados para vários outros feixes, até mesmo nêutrons e elétrons.
Dessa forma, estava definitivamente estabelecida a dualidade onda-partícula. Toda onda tem comportamento de partícula e toda partícula tem comportamento ondulatório.
Se um feixe de elétrons poderia ter um comportamento ondulatório, então como seria a onda de um elétron girando em torno do núcleo?
Como existem apenas algumas órbitas estáveis no átomo, ao considerarmos os elétrons como ondas de matéria, elas deveriam ser ondas estacionárias, ocupando o perímetro da órbita do elétron com número inteiro de comprimento de onda para cada órbita estacionária.
Fazendo esse tipo de associação, foi possível determinar as ondas de elétrons para cada órbita estacionária para vários elementos atômicos. Esse tipo de raciocínio levou a Física a um novo ramo de estudo: a mecânica ondulatória. Esse novo ramo foi proposto, em 1926, por Erwin Schrödinger, que desenvolveu sua famosa equação: a equação de Schrödinger. Entretanto, como costuma acontecer nas novas formulações teóricas da Física, a matemática envolvida leva ao aparecimento de novos termos, constantes ou funções que precisam ser interpretadas. Nesse caso, a mecânica ondulatória levou a um termo desconhecido que aparece na equação de Schrödinger: Ψ (psi). O significado aceito atualmente e elaborado por Max Born é o seguinte: |Ψ|2 é uma grandeza estatística, uma densidade de probabilidade. Essa função não determina a posição do elétron, mas dá apenas a probabilidade de encontrá-lo em certa região do espaço. Em outras palavras, não é possível saber onde o elétron está em um dado instante; pode-se saber apenas onde é mais provável encontra-lo. Não se trata, porém, de uma limitação da Física, que é incapaz de definir a posição do elétron, é a natureza que não o faz.
Essa interpretação da função Ψ pode nos ajudar a compreender a difração e interferência da luz a partir do modelo corpuscular. Primeiro é necessário admitir que os fótons de energia da luz não são partículas como bolinhas de chumbo. E segundo, pensar que os fótons de luz apresentam uma função probabilística de sua posição. Feito isso, podemos imaginar as franjas de interferência obtidas, fóton a fóton, sensibilizando uma chapa fotográfica ao longo do tempo. É como se imaginássemos que, apesar de cada fóton passar por um dos orifícios da experiência, eles vão formando gradativamente a figura de interferência, pois nas regiões claras existe uma maior probabilidade de encontrarmos os fótons, ao contrário das regiões de mínimo em que essa probabilidade é baixa. Não se trata de interferência entre as amplitudes de duas ondas e sim, de campos de probabilidade.
Nosso estudo termina aqui, mas muitas outras descobertas e teorias estão em fase de formulação pelos cientistas de nossa época. O estudo da energia nuclear, do princípio da incerteza, das mais de 200 subpartículas existentes no átomo, da teoria do caos, dos hádrons, quarks, bósons, etc... É um mundo fascinante de conhecimento e descobertas, mas que preferimos deixar para dar continuidade a essa bela história numa próxima oportunidade.
Sequencia dos posts em direção à Física Quântica
Concepção, criação e desenvolvimento: Prof. Gielton
