O objeto de estudo dessa teoria são partículas muito pequenas, que estão abaixo da escala atômica, como por exemplo elétrons, prótons, e outras partículas subatômicas.
Essa teoria consegue explicar fenômenos que antes não podiam ser explicados, como por exemplo a radiação de corpo negro, e também as órbitas estáveis do átomo.
A mecânica quântica recebe esse nome devido ao termo quantização, já que nessa teoria vão aparecer energias, órbitas quantizadas, ou seja, só aparecem como múltiplos de números inteiros. E a unidade fundamental nessa quantização é a constante de Planck.
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Radiação de corpo negro
Um corpo negro é um objeto que absorve toda a radiação incidente nele, e reemite essa radiação na forma de energia térmica.
No início do século XX existia um problema na radiação de corpo negro chamada catástrofe do ultravioleta, onde os dados experimentais não batiam com a teoria da época.
O físico Max Planck (1858 - 1947) solucionou esse problema com a quantização da energia emitida pelo corpo negro.
Modelo atômico
A teoria atômica se iniciou com os pensadores Tales de Mileto (624 a.C. - 546 a.C.), Demócrito (460 a.C. - 370 a.C.) e Leucipo (primeira metade do século V a.C.) dizendo que a matéria é constituída por partículas pequenas, indestrutíveis e indivisíveis, que foram chamadas de átomos.
Depois disso, vieram os seguintes modelos atômicos:
- Modelo de Dalton (bola de bilhar): John Dalton (1766 - 1844) acreditava que os átomos eram maciços e indivisíveis, e substâncias eram formadas por átomos em diferentes proporções.
- Modelo de Thomson (pudim de passas): Para J. J. Thomson (1856 - 1940) o átomo era constituído por uma superfície de carga positiva, com cargas elétricas negativas incrustadas nessa superfície (elétrons).
- Modelo de Rutherford: Para Ernest Rutherford (1871 - 1937) o átomo tinha uma carga elétrica positiva muito pequena e densa, com elétrons orbitando. Assim surgiu um problema, como os elétrons não eram atraídos pela carga positiva no centro?
- Modelo de Bohr: Niels Bohr (1885 - 1962) solucionou esse problema propondo que as órbitas dos elétrons eram quantizadas, ocupando apenas níveis específicos de energia.
Atualmente, o modelo mais aceito é uma mistura das proposta do Erwin Schrödinger (1887 - 1961), Werner Heisenberg (1901 - 1976) e Louis de Broglie (1892 - 1987).
- Schrödinger tem sua famosa equação de onda de matéria onde prevê onde o elétron está ao redor do núcleo com regiões mais prováveis.
- Heisenberg propôs o princípio da incerteza, onde não é possível medir ao mesmo tempo com precisão a posição, e a quantidade de movimento da partícula.
- de Broglie propôs as ondas de matéria, que explicam o comportamento dual de partículas.
Experimentos importantes na física moderna
Abaixo seguem alguns experimentos que tiveram grande contribuição na física moderna em seu ramo de mecânica quântica.
- Experimento da gota de óleo: Robert Andrews Millikan (1868 - 1953) conseguiu medir aproximadamente a carga de um elétron utilizando gotículas de óleo e duas placas carregadas eletricamente.
- Experimento de Franck-Hertz: James Franck (1882 - 1964) e Gustav Hertz (1887 - 1975) realizaram um experimento utilizando gás mostrando que só é possível excitar o átomo com níveis específicos de energia.
- Experimento de Michelson-Morley: Albert Michelson (1852 - 1931) e Edward Morley (1838 - 1923) conseguiram mostrar utilizando laser que as ondas eletromagnéticas não precisam de um meio para se propagar.
- Experimento de Rutherford: Hans Geiger (1882 - 1945) e Ernest Marsden (1889 - 1970) realizaram esse experimento bombardeando partículas alfa em uma folha fina de ouro, e assim eles perceberam que o ângulo de espalhamento variava muito, provando a existência de um núcleo denso.
- Experimento do efeito fotoelétrico: Albert Einstein (1879 - 1955) mostrou o efeito fotoelétrico teoricamente, e depois foi possível realizar experimentos, onde uma luz incidente (fótons) em um metal acaba arrancando elétrons desse mesmo metal.
Fórmulas importantes na mecânica quântica
Nessa área da física moderna temos algumas fórmulas importantes.
A primeira é a da energia de um fóton, que é dada pela seguinte relação:
Onde:
- E é a energia do fóton.
- h é a constante de planck, que tem um valor aproximado de
- f é a frequência do fóton.
Outra fórmula é a que relaciona a dualidade onda matéria de um fóton, dada por:
Onde:
- p é o momento do fóton.
- h é a constante de planck, que tem um valor aproximado de
- f é a frequência do fóton.
