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29.0: Prelúdio da Física Quântica

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    A mecânica quântica é o ramo da física necessário para lidar com objetos submicroscópicos. Como esses objetos são menores do que podemos observar diretamente com nossos sentidos e geralmente devem ser observados com a ajuda de instrumentos, partes da mecânica quântica parecem tão estranhas e bizarras quanto partes da relatividade. Mas, assim como a relatividade, a mecânica quântica demonstrou ser válida — a verdade geralmente é mais estranha do que a ficção.

    Uma imagem ampliada de uma mosca negra obtida de um microscópio eletrônico mostrando suas antenas e tentáculos.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Uma mosca negra fotografada por um microscópio eletrônico é tão monstruosa quanto qualquer criatura de ficção científica. (crédito: Departamento de Agricultura dos EUA via Wikimedia Commons)

    Certos aspectos da mecânica quântica são familiares para nós. Aceitamos como fato que a matéria é composta de átomos, a menor unidade de um elemento, e que esses átomos se combinam para formar moléculas, a menor unidade de um composto (Figura\(\PageIndex{2}\)). Embora não possamos ver as moléculas individuais de água em um riacho, por exemplo, estamos cientes de que isso ocorre porque as moléculas são muito pequenas e numerosas nesse fluxo. Ao introduzir átomos, costumamos dizer que os elétrons orbitam átomos em camadas discretas ao redor de um núcleo minúsculo, ele próprio composto por partículas menores chamadas prótons e nêutrons. Também estamos cientes de que a carga elétrica vem em pequenas unidades transportadas quase inteiramente por elétrons e prótons. Assim como acontece com as moléculas de água em um fluxo, não notamos cargas individuais na corrente através de uma lâmpada, porque as cargas são muito pequenas e numerosas nas situações macroscópicas que detectamos diretamente.

    Um modelo de átomo é mostrado. O átomo é mostrado como um aglomerado de pequenas bolas esféricas no centro, representando o núcleo, cercado por nuvens de elétrons esféricas e em forma de halteres. Uma visão ampliada do núcleo é mostrada como um monte de pequenas bolas esféricas.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Os átomos e sua subestrutura são exemplos familiares de objetos que exigem que a mecânica quântica seja totalmente explicada. Algumas de suas características, como as camadas de elétrons discretas, são explicações da física clássica. Na mecânica quântica, conceituamos “nuvens de elétrons” discretas ao redor do núcleo.

    FAZENDO CONEXÕES: DOMÍNIOS DA FÍSICA

    A física clássica é uma boa aproximação da física moderna sob condições discutidas pela primeira vez em The Nature of Science and Physics. A mecânica quântica é válida em geral e deve ser usada em vez da física clássica para descrever objetos pequenos, como átomos.

    Átomos, moléculas e cargas fundamentais de elétrons e prótons são todos exemplos de entidades físicas que são quantizadas, ou seja, elas aparecem apenas em certos valores discretos e não têm todos os valores concebíveis. Quantizado é o oposto de contínuo. Não podemos ter uma fração de um átomo, ou parte da carga de um elétron, ou 14-1/3 centavos, por exemplo. Pelo contrário, tudo é construído a partir de múltiplos integrais dessas subestruturas. A física quântica é o ramo da física que lida com objetos pequenos e a quantização de várias entidades, incluindo energia e momento angular. Assim como na física clássica, a física quântica tem vários subcampos, como a mecânica e o estudo das forças eletromagnéticas. O princípio da correspondência afirma que, no limite clássico (objetos grandes e lentos), a mecânica quântica se torna a mesma da física clássica. Neste capítulo, começamos o desenvolvimento da mecânica quântica e sua descrição do estranho mundo submicroscópico. Nos capítulos posteriores, examinaremos muitas áreas, como física atômica e nuclear, nas quais a mecânica quântica é crucial.

    Glossário

    quantizado
    o fato de que certas entidades físicas existem apenas com valores discretos específicos e não com todo valor concebível
    princípio da correspondência
    no limite clássico (objetos grandes e lentos), a mecânica quântica se torna a mesma da física clássica
    mecânica quântica
    o ramo da física que lida com objetos pequenos e com a quantização de várias entidades, especialmente energia