DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA

Na aula anterior vimos que em 1905, Albert Einstein propôs que a quantização da energia, sugerida por Planck para explicar a radiação de corpo negro, era uma característica universal da luz (ou seja, não valia apenas para a radiação de corpo negro), a qual, para ele, é constituída por quanta isolados de energia E=hf (que hoje são chamados de fótons). Além disso, Einstein considerou o fóton com uma partícula, uma bolinha de energia, que no processo fotoelétrico é completamente absorvido por um elétron da placa emissora.

Porém naquela época a luz era compreendida como uma onda (e não uma partícula como Einstein propos, os fótons).

Além disso, a equação da energia do fóton E=hf considerava que estas partículas tinham uma frequência.

Como uma partícula pode ter uma frequência?

Frequência é uma característica das ondas e não das partículas.

Onda e partícula são entidades muito diferentes. Nesta aula (clique aqui para acessar) explicamos as características das ondas.

Onda e partícula têm comportamentos e características totalmente diferentes.

Assista ao vídeo abaixo:

PARTÍCULA X ONDA

Partícula:

Ao ouvirmos a palavra partícula quase que imediatamente imaginamos uma bolinha, não é? Bem, a idéia é mais ou menos essa. Isso quer dizer que uma partícula é “algo material” que possui certa quantidade de massa bem localizada, concentrada, como uma bolinha mesmo.

Assim, essa porção bem localizada de matéria se desloca de um ponto a outro do espaço carregando energia e informação.

Ondas:

Diferente das partículas que são objetos materiais que tem massa e carrega com ela a informação, no caso das ondas, há transmissão de energia e de informação, porém sem que massa alguma carregue essa energia. Elas fazem isso sem transportar matéria, apenas por perturbações em um meio (no caso das ondas mecânicas) ou em campos elétricos e magnéticos (no caso das ondas eletromagnéticas).

Se duas partículas se chocam, por exemplo, elas geralmente vão cada uma para um lado após o choque, ou podem grudar uma na outra também, ou ainda uma pode parar e a outra muda seu movimento.

Com as ondas a coisa é totalmente diferente. Quando duas ondas se encontram elas interferem uma na outra. Podem se destruir (deixa de haver onda) ou se reforçar, e depois de interferirem elas continuam seu caminho.

Além disso, quando fazemos uma onda atravessar um obstáculo, a onda pode sofrer o efeito de difração, ou seja, ela "se espalha" ao atravessar um obstáculo ou uma fenda:

Já uma partícula não sofre esse efeito.

As partículas tem massa e também tem um volume bem determinado no espaço, as ondas por sua vez não tem massa e se espalham pelo espaço.

Então, como algo pode ser uma partícula e ter características de onda?

EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DO FÓTON

Millikan

APESAR DE TODA A CONTROVÉRSIA, a hipótese de Einsten, de que a luz é contituída de pacotes de energia, os quanta ou fótons, foi validada experimentalmente no ano de 1914 (9 anos depois de ser proposta) pelo físico estadunidense Robert Andrews Millikan.

O interessante nessa história é que Millikan confirmou a hipótese de Einstein, mas seu objetivo ao realizar os experimentos era justamente o oposto, ele queria provar na vervade que Einstein estava errado.

Reconhecidamente um competente experimentalista, Millikan passou 10 anos da sua vida tentando mostrar que Einstein estava errado. No entanto, obteve resultados tão precisos da constante de Planck que não apenas validou a equação de Einstein, como teve seu trabalho reconhecido na outorga do prêmio Nobel de Física de 1923. Todavia, ao longo da sua vida, raramente Millikan manifestou-se favorável à teoria do quantum de luz – reconhecia a correção da equação de Einstein, mas não acreditava na teoria.

Veja detalhes neste site:

https://jornal.usp.br/atualidades/vencedor-do-nobel-robert-millikan-questionava-teoria-de-einstein-sobre-fotons/

No ano de 1921 Einstein recebeu o prêmio Nobel por ter previsto teoricamente a lei do efeito fotoelétrico.

Efeito Compton

Em 1922 o físico estadunidense Arthur Holly Compton, após realizar alguns estudos sobre a interação radiação-matéria, percebeu que quando um feixe de raios X incidia sobre um alvo de grafite, sofria um espalhamento. Compton observoui que a frequência dos raios X espalhados era sempre menor do que a frequência dos raios X incidentes, dependendo do ângulo de desvio. Nunca maior, mas sempre menor. A figura abaixo nos mostra o esquema da ocorrência desse fenômeno, conhecido como Efeito Compton.

Para explicar esse fenômeno, Compton inspirou-se na abordagem de Einstein, ou seja, ele interpretou os raios X como sendo feixes de partículas (fótons) e a interação como sendo uma colisão de partículas (como colisão de bolinhas de bilhar). A energia do fóton incidente, de acordo com Einstein e Planck, seria E =h.f .

Quando o fóton "bate" no elétron, ele transfere uma parte de sua energia para o elétron (que adquire energia cinética). Como A ENERGIA SEMPRE SE CONSERVA, esse energia ciética adquirida pelo elétron veio do fóton que tem sua energia diminuída depois da colisão, logo, sua frequencia também diminui (pois E = h.f)

Compoton mediu a energia adquirida pelo elétron e verificou que esta era exatamente igual a energia perdida pelo fóton.

Isso concorda perfeitamente com as medidas de Compton. Por isso ele media sempre frequencias menores da radiação espalhada.

Esse fenômeno não poderia ser explicado pela teoria ondulatória da radiação, pois nesse caso o feixe de raio X espalhado deveria ter a mesma frequencia do feixe de raio-X incidente (porque o campo eletromagnético oscilante da onda faria os elétrons vibrarem com a mesma frequencia dele).

Além disso, Compton também demonstrou que esta "colisão" entre o fóton e o elétron não só a energia se conserva, mas também a QUANTIDADE DE MOVIMENTO. Exatamente como colisões entre duas partículas.

Mas os fótons não tem massa, certo? Segundo Einstein eles seria formado de energia pura.

E a quantidade de movimento é dada pela equação: p = m.v

p = quantidade de movimento

m = massa

v = velocidade

Então como o fóton pode ter quantidade de movimento?

Para resolver isso, Compton usou a ideia de que o fóton não existe em repouso (ou seja, o fóton está sempre em movimento e sempre com a velocidade da luz, como Einstein já tinha postulado)

Portanto, a quantidade de movimento do fóton seria p = m(fóton).c

Mas o fóton não tem massa, então m(fóton) = 0. Certo? Logo p(fóton) = 0???????

Compton usa a famosa fórmula de Einstein (da qual falaremos mais tarde) E=mc²

Daí ficou fácil:

E=mc² mas também E=h.f

Logo mc² = h.f

Daí

m = h.f/c²

Essa é a massa do fóton.

Como p = m.v, então para o fóton:

p = (h.f/c²) . c

Daí Comptom chegou à equação da quantidade de movimento de um fóton:

p = h.f/c

Ou, substituindo a frquencia (f) pelo comprimento de onda obtemos:

p = h / comprimento de onda

ESTAVA ENTÃO COMPROVADA DE FORMA DEFINITIVA A NATUREZA CORPUSCULAR DA LUZ.

MAS A LUZ TAMBÉM É UMA ONDA!

Apesar de todas as confirmações da natureza corpuscular das radiações, era inegável também que a luz é uma onda.

Ela sofre difração e interferência (caractarísticas que são exclusivas de onda, não podem ser aplicadas a partículas). Isso é inegável.

Além disso, os experimentos de Hertz demonstram indubitavelmente que a luz se comporta como uma onda eletromagnética que obedece as equeções de Maxwell.

Como fica então? Onda ou partícula?

O PRINCÍPIO DA COMPLEMENTARIDADE

O físico dinamarquês Niels Bohr foi um dos mais importantes para o desenvolvimento da mecânica quântica.

No início de 1927, Bohr teve a ideia de que as radiações e também a luz (e ainda outras entidades fundamentais do mundo) não eram partículas, muito menos ondas. Nem faria sentido dizer o que eram essas entidades fundamentais, pois nosso conhecimento tem limite (como já dissera o filósofo Kant, no século XVIII)

“Lidamos com ‘representações’ da realidade, portanto, não temos acesso às coisas em si”.

O uso de um determinado esquema: ’corpuscular’ — ou ‘ondulatório’ — dependeria do tipo de experimento usado. Assim, pelo princípio da complementaridade, um fenômeno pode ser, ou ‘corpuscular’ ou ‘ondulatório’; mas nunca ambos ao mesmo tempo.

Mas o que faria um experimento enquadrar-se num quadro ou outro?

A resposta era simples – se o experimento exibir ‘franjas de interferência' ele é ondulatório.

Se pudermos inferir a trajetória do quantum (fóton) detetado o fenômeno é corpuscular.

Logo, quando se produzem interferências – não temos trajetória; e vice-versa.

Essas 2 descrições dão conta de descrever os fenomenos; ou seja, não haveria uma maneira mais completa de representar uma entidade quântica que em alguns experimentos se comportaria como partícula – e, em outros, como onda.

Desta forma, a luz (radiações em geral) e outras entidades quânticas que estudaremos mais tarde, não são ondas nem partículas mas são as duas coisas.

A limitação está na nossa forma de interagir com elas.

As características ondulatórias e corpusculares não se excluem, mas SE COMPLEMENTAM.

O problema não está na coisa em si, mas na nossa incapacidade de perceber (medir) a realidade mais ampla.

Pra nós, seres humanos, na nossa experiência cotidiana macroscópica, uma coisa é onda ou é partícula, ela não pode ser as duas coisas pois estas coisas se contradizem. Mas no mundo quântico a coisa não é assim tão bem definida.

Por isso a gente só enxerga parcialmente esta característica na luz (radiações) porque a liguagem que usamos para descrevê-la é fruto da nossa percepção parcial (que não dá conta da descrição da coisa em si).

Nós não conseguimos perceber o mundo sem usar uma linguagem, um código.

Sendo assim, Bohr afirma que só podemos apreender o mundo através de nosso sistema de percepção dele, mas esse sistema é limitado. Então devemos usar representações mais complexas (neste caso até contraditória) para compreende-lo. Estas representações complexas se complementam para termos uma percepção amplificada do mundo.

Em resumo, Bohr afirma:

• ”O mundo exterior não tem existência própria, estando antes, ‘inextrincavelmente' ligado à percepção que dele fazemos”.

• ”Incerteza e indeterminação são inerentes ao mundo quântico, e não apenas resultado de nossa percepção incompleta”.

• ”A Física não nos diz o que é o “mundo" mas, sim aquilo que podemos dizer, uns aos outros, a respeito dele”.

Com nosso avanço no estudo da física quântica, voltaremos a discutir e amplificar essa ideia de complementariade.

REFERÊNCIAS:

https://www.ifi.unicamp.br/~fauth/1OrigensMecanicaQuantica/1Oquantumdeluz/Oquantumdeluz.html#:~:text=Com%20o%20efeito%20fotoel%C3%A9trico%2C%20Millikan,descoberta%20da%20exist%C3%AAncia%20dos%20f%C3%B3tons.

http://www.sef.usp.br/wp-content/uploads/sites/293/2016/05/aluno-BlocoII-Particula-e-onda.pdf

https://brasilescola.uol.com.br/fisica/efeito-compton.htm

https://questcosmic.wordpress.com/2013/07/19/niels-bohr-e-o-yinyang-da-complementaridade/