No final do século XIX os físicos estavam vivendo, o que eles acreditavam ser, o auge da ciência dos materiais. A Física newtoniana explicava os comportamentos dos corpos, a Termodinâmica, explicava as Energias e fluxo de calor, e a Física Estatística até conseguia explicar o mundo micro com uma certa exatidão para época. Havia tanta satisfação nos trabalhos realizados que a frase que se mais ouvia nos corredores dos laboratórios e universidades era : ”O céu está azul, exceto por duas pequenas nuvens”.
Essas nuvens se tratava de dois experimentos que fugia ao esperado pela teoria, a radiação de corpo-negro e o efeito fotoelétrico. Os físicos teóricos passaram anos tentando encaixar os resultados obtidos com as teorias da época, mas, nada dava certo. Então, por volta de 1900 o governo Alemão convoca um de seus cientistas para criar a lampada mais econômica, ou seja, uma lampada que brilhasse mais com um consumo de energia muito baixo. Para realizar este trabalho, inevitavelmente, era necessário um estudo mais aprofundado sobre a radiação do corpo-negro.
Mas o que é um corpo-negro? Um corpo-negro perfeito seria um material que absorveria toda radiação nele inserida. Por décadas, fomos ensinados e ver radiação como algo ruim, principalmente após a segunda-grande-guerra este termo passou a ser mal-visto pela sociedade, porém radiação nada mais é que uma propagação de energia, seja em forma eletromagnética, corpuscular ou gravitacional, assim podemos dizer que a luz visível nada mais é que uma radiação eletromagnética. Neste caso, um corpo-negro seria um material que não refletiria nenhuma luz, cor, por isso o nome corpo-negro. O problema que se tinha, era que um corpo-negro que absorvia radiação, ao ser aquecido emitia muito mais radiação em uma escala ainda não compreendia pelos físicos. |
| Se pegarmos um carvão, ele é negro, logo se comporta como um corpo-negro absorvendo radiação não total, mas, uma grande parte. Quando o aquecemos ele começa a brilhar, este brilho não passa de luz emitida pelo carvão, ou seja, radiação, grande parte é infra-vermelho, então abaixo da luz visível, quando começamos a aquecer, mais e mais, sua radiação passa a se tornar menos infra-vermelho e mais luz visível e, na época, ninguém soube explicar como isso ocorria de fato. |
Voltamos a pesquisa promovida pelo Governo Alemão e seu cientista Max Planck. Ele observou algo inusitado no comportamento da luz emitida por um corpo-negro, ao notar que as energias emitidas eram sempre múltiplas de uma constante. Esta constante passou a ser chamada de constante de planck = h = 6,623 x 10-34 Js, assim ele formulou que E = h.f, onde E seria a energia, h a constante e f a frequência da onda de radiação, se f = 1 então E seria a menor unidade de Energia emitida por um corpo-negro, por isso ele a apelidou de Quantum. O quantum é a menor unidade de algo, se tomarmos o dinheiro, Real, o seu quantum seria a moeda de 1 centavo, logo todo dinheiro impresso dever ser múltiplo de 0,01, assim, algo que custe R$0,025 não pode ser pago, pois, 0,025 não é múltiplo de 0,01. No entanto, acreditar nisso era acreditar que a luz era constituídas desses quanta, ou seja, pequenos pacotes e por isso não poderia ser continua, o que, já a quase um século havia-se certeza absoluta graças ao experimento da dupla fenda de Thomas Young.
Mas então a luz era uma onda continua ou descontinua? Para Planck, a luz continuava a ser continua, ele acreditava que sua constante era apenas um truque matemático para as contas fecharem, e fechavam. Ele acreditava, que algo poderia ocorrer no interior dos corpos, mas, a luz emitida era sempre continua. Planck havia deixado a primeira nuvem menor com seu truque, mas ainda havia uma segunda nuvem fazendo sombra nos sonhos dos Físicos. Foi em 1905 que outro cientista Alemão teve seu annus mirabilis, neste ano Albert Einstein publicou 3 artigos no qual ele explicava o movimento browniano, relatividade especial e o efeito fotoeléctrico.
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| Max Planck Albert Einstein |
Basicamente o experimento do efeito fotoeléctrico se realiza através de duas chapas de metal colocadas na extremidade de um tubo de vidro contendo um vácuo aparente. essas chapas por sua vez são ligadas a um circuito eléctrico. Ao incidir luz em uma chapa mediasse a corrente eléctrica, ou seja, a quantidade de eléctron liberados de uma placa para outra. Os experimentos mostram que para uma luz de uma dada frequência o valor da energia cinética dos eléctron não depende da intensidade da luz incidente no alvo, quer o alvo seja iluminado por uma luz ofuscante, quer seja iluminado por uma vela, a energia cinética máxima dos eléctron ejectados tem sempre o mesmo valor, contanto que a frequência da luz permaneça a mesma. Este resultado experimental não podia ser explicado pela física clássica. Classicamente, a luz que incide no alvo é uma onda electromagnética o campo eléctrico associado a essa onda exerce uma força sobre os eléctron do alvo, fazendo com que oscilem com a mesma frequência que a onda, quando a amplitude das oscilação de um eléctron ultrapassa um certo valor, ele é ejectado da superfície do alvo. Assim, quando aumentamos a intensidade da onda os eléctron deveriam ser ejectados com maior energia. Entretanto, não é isso que acontece. Para uma dada frequência, a energia máxima dos eléctron emitidos pelo alvo é sempre a mesma qualquer que seja a intensidade da luz incidente.
Em outras palavras, imagine uma piscina e que em um dos lados estivesse boiando uma quantidade de bolinhas de plástico, então você do lado oposto deixa cair um peso de 1kg, criando assim uma certa onda na água, esta onda seguiria até o outro lado e jogaria para fora, por exemplo, 1 bolinha. Então você repetiria este experimento, porem, jogando um peso de 10kg, criando uma onda maior e assim jogando mais bolinhas para fora, depois novamente repetiria a ação, no entanto, desta vez jogando um peso de 100kg e, por consequência, mais bolinhas seriam jogadas para fora. Bom, com estes dados você poderia desenvolver uma formula que te daria quantas bolinhas seriam jogadas para fora com relação a frequência da onda iniciada. Isto na piscina daria certo, mas não era o que se via nos experimentos do efeito fotoeléctrico, lá a relação frequência da onda/quantidade de eléctron soltos, não batia com os resultados obtidos experimentalmente. Mas, se repetirmos o experimento, porem desta vez, em vez das bolinhas estiverem flutuando no fim da piscina, existisse lá um sensor que medisse a frequência da onda e só soltaria uma bolinha caso este numero fosse, por exemplo, par ou múltiplo de dois. Neste caso o peso de 2kg, por exemplo, criaria uma onda de frequência f=22 e portanto múltiplo de 2, assim uma bolinha seria lançada para fora, no entanto, se lançássemos um peso de 3kg e isso criasse uma onda com f=33, este numero não seria múltiplo de 2 logo nenhuma bolinha seria lançada, com tudo, se soltássemos um peso de 4kg que daria uma onda de f=44, isto seria múltiplo de 2 e bolinhas seriam lançadas. Com este pensamento nossa formula passaria a associar não apenas a quantidade de f mas, tua relação com o 2.
No entanto, não existe tal sensor na placa de metal, logo a informação de quantidade de frequência da onda se daria de uma outra forma, está informação deveria já estar contida na própria onda, na forma de pacotes que contem a quantia a ser relacionada, ou seja, a onda de luz seria na verdade pacotes de informação contendo uma constante e o eléctron só é lançado quando um múltiplo de energia formado por este pacote for atingido.
Einstein, então teorizou que talvez Planck estivesse errado, não em sua constante, mas na ideia de continuidade da luz. Para Einstein a luz era de facto constituída de pacotes que contem uma quantia a ser relacionada, este pacote ele chamou de Fóton. Ele formulou que, hf = kmax + Φ, onde a aplicação da lei de conservação de energia á emissão fotoeléctrica de um eléctron por um metal cuja função de trabalho é Φ, uma energia igual á energia do Fóton, hf, é transferida a um eléctron do metal. Para que o eléctron escape da placa, ele deve possuir uma energia pelo menos igual a Φ. Qualquer energia adicional (hf - Φ) recebida do Fóton aparece na forma da energia cinética k do eléctron emitido.Einstein postulou que o momento do Eléctron poderia ser medido por Ec=1/2 mv² = h(vf-vi) = h – w , onde w é a função do trabalho do metal, a energia necessária para arrancar um eléctron.
Com isso, Einstein provou que a luz era de factor partícula, mas Young havia provado que ela era uma onda, afinal a Luz é onda ou partícula? Neste momento não se sabia, mas o que se sabia era que as duas pequenas nuvens antes descritas, se transformará em um furacão de incertezas, afinal, se a Luz pudesse quebrar toda a física Clássica, possuindo uma dualidade que faria o próprio Newton rasgar seus diplomas, o que mais poderia possuir este carácter?
