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A experiência mais bonita da física quântica

Por redação

Imagem de rosto com feixes de luz

Na física clássica, existem dois mundos bem diferenciados: as ondas (mecânicas ou eletromagnéticas) e as partículas (corpúsculos), ambos muito bem definidos.

Anteriormente se pensava que não havia relação entre estes dois mundos, mas no final do século 19, à medida que se conhecia o pequeno mundo (moléculas, átomos e seus componentes), descobriu-se que as menores partículas podiam se comportar como ondas.

Se as partículas se comportavam como ondas, tínhamos que saber qual era a onda associada a essas partículas: a “onda da partícula”.

Ao mesmo tempo, naquela época, o inverso se tornou evidente: um comportamento de onda semelhante ao das partículas. Dois exemplos são o efeito fotoelétrico e o efeito Compton.

Luis De Broglie se baseou na definição que já existia de fótons: que eram as partículas que compõem a luz (na física clássica, uma onda) que se comportavam como partículas.

Assim, sabia-se que a massa dos fótons era zero, que sua velocidade era a da luz e que eles tinham um impulso associado ao comprimento de onda dessa luz (comprimento de onda é uma característica das ondas que nos diz a que distância a onda volta a se repetir).
Imagem genérica de ondas

De Broglie pensou que se a luz podia se comportar como uma partícula e ter um impulso associado ao seu comprimento de onda, os elétrons poderiam se comportar como ondas e ter um comprimento de onda associado ao seu impulso.

Ele definiu o comprimento de onda de De Broglie, “a onda da partícula”, como a constante de Planck (um número muito pequeno, característico do mundo atômico) dividida pelo impulso da partícula.

Esta ideia não estava baseada em nenhum cálculo ou evidência. Era uma hipótese que precisava ser provada.

O experimento das duas fendas para luz

O experimento das duas fendas é uma experiência realizada no início do século 19 pelo físico inglês Thomas Young, com o objetivo de apoiar a teoria de que a luz era uma onda e rejeitar a teoria de que a luz era composta por partículas.

Young lançou um feixe de luz por duas fendas e viu que se produzia um padrão de interferência sobre uma tela, uma série de listras brilhantes e escuras alternadas.

Este resultado seria inexplicável se a luz fosse composta por partículas, pois deveriam ser observadas apenas duas faixas de luz na frente das fendas, mas é facilmente interpretável supondo que a luz seja uma onda e que sofra interferências.

Posteriormente, este experimento foi considerado na física quântica para demonstrar o comportamento ondulatório de partículas muito pequenas, na escala dos átomos.

O experimento pode ser feito com elétrons, átomos ou nêutrons, produzindo padrões de interferência semelhantes aos obtidos quando é realizado com luz. Isso mostra, portanto, esse comportamento ondulatório das partículas.

O experimento das duas fendas para elétrons

Vamos ver o que acontece no experimento das duas fendas se, em vez de um feixe de luz, tivermos um feixe de elétrons.

Estes elétrons podem ser lançados com qualquer velocidade que desejarmos, acelerando-os por meio de uma diferença no potencial elétrico.

Como podemos escolher a velocidade destes elétrons e o comprimento de De Broglie depende da velocidade, estamos na verdade escolhendo o comprimento de onda destes elétrons.

No entanto, a construção de uma fenda dupla para o caso dos elétrons não é nada fácil. Só muitos anos depois de a ideia ter sido proposta é que este experimento pôde ser realizado.

Experimento das duas fendas realizado por Thomas Young no início do século 19
O experimento das duas fendas foi realizado por Thomas Young no início do século 19

Em 1961, Claus Jönsson acelerou um feixe de elétrons por meio de 50 mil volts e passou este feixe por duas fendas com espaçamento e largura muito pequenos.

Primeiro, o feixe de elétrons foi lançado por uma única fenda, e eles foram contados à distância com detectores. Os detectores que estavam diante da fenda contaram muito mais elétrons.

Em seguida, outra fenda foi feita, com a qual se observou altos e baixos na contagem de elétrons de acordo com a posição dos detectores.

Ou seja, havia detectores na altura da primeira fenda que recebiam menos elétrons quando havia duas fendas, do que quando havia uma.

A primeira coisa que pensaram é que era por causa da carga dos elétrons. Com carga negativa, estes elétrons podiam se repelir enquanto viajavam juntos no feixe.

Para comprovar isso, eles lançaram elétrons um a um com as duas fendas abertas, e o mesmo resultado foi obtido. Por isso, eles chegaram à conclusão de que estes altos e baixos indicavam que os elétrons haviam sofrido interferência e, portanto, possuíam propriedades de ondas.

O padrão das interferências das duas fendas fotografado por Jönsson tinha semelhanças com os padrões das duas fendas obtidos com fontes de luz, reforçando a evidência a favor da natureza ondulatória das partículas.

Ao mesmo tempo, outros experimentos foram feitos com partículas que chegaram à mesma conclusão: elas tinham propriedades de onda. Isso não era explicável a partir do ponto de vista da física clássica, de modo que seria parte de um grande ramo da física moderna, a física quântica.

O experimento impossível de medir

Vamos fazer uma estimativa da onda de De Broglie associada ao elétron. Se o elétron se move a uma velocidade próxima à da luz, por exemplo 0,6 vezes a velocidade da luz, seu comprimento de onda associado é de aproximadamente 3 picômetros, um comprimento de onda muito pequeno, mas mensurável, dentro do espectro dos raios X ou gama.

Agora, vamos calcular o comprimento de onda de De Broglie de um carro que pesa 1.000 kg e se move a uma velocidade de 100 metros por segundo. O comprimento de onda associado a este carro é de 6,6 x 10⁻³⁹ m, que é tão pequeno que é impossível de medir.

Portanto, não há experimento que possa mostrar a natureza ondulatória de objetos macroscópicos. Somente quando você penetra dentro do átomo para fazer experimentos com partículas atômicas e nucleares é possível observar o comprimento de onda de De Broglie, o comprimento de onda das partículas.

* Manuel D. Barriga-Carrasco é professor da Escola Técnica Superior de Engenheiros Industriais da Universidade de Castilla-La Mancha, na Espanha.

FONTE: BBC NEWS BRASIL

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