Seja bem-vindo!

Querido leitor
Olá, você agora está acessando um blog inteiramente dedicado ao estudo da Mecânica Quântica feito por alunos do terceiro ano do Ensino Médio do colégio ND Rainha dos Apóstolos.
Nosso objetivo é colocar a mecânica quântica de uma forma simples e limpa, de forma que seu estudo se torne mais fácil de se compreender, já que nem todos apreciam ou tem a facilidade neste assunto tão abrangente e extenso.
O conhecimento começa JÁ!
Obrigado pela visita e boa leitura!

Atenciosamente
Equipe Mecânica Quântica!

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Uma introdução a física moderna!

A física, ao contrário do que muitos pensam, é extremamente antiga. Podemos dizer que ela começou lá na Antiguidade, com diversos povos do planeta que sentiam a necessidade de explicar fenômenos da natureza sem o uso de magia ou religião. Era nada mais do que uma filosofia sobre a natureza.
Milhões de anos se passaram desde esses povos e chegamos numa época extremamente importante para a ciência: quando o conhecimento voltou a ser valorizado, com o Renascimento. É nessa época que o método cientifico se consolidou e figuras extremamente importantes para a ciência estavam trabalhando em teorias e descobertas que revolucionariam o mundo. Podemos destacar Galileu Galilei como um dos maiores dessa época. Galileu morreu em 1642 e antes mesmo de completar um ano de sua morte, nasce um dos maiores cientistas: Isaac Newton. Newton revolucionou o conhecimento cientifico através do seu livro que descrevia as suas três leis e a lei da gravitação universal, que foi um avanço no estudo já iniciado por Galileu.
Foi neste período que boa parta da ciência e especialmente a física se consolidou. Teorias e descobertas importantíssimas eram feitas a todo instante. Todos esses conhecimentos formados neste período formam o que físicos chamam de ‘’física clássica’’
Alguns séculos depois e chegamos ao final do século XIX. Nessa época, os físicos acreditavam que não havia mais nada a ser feito e que nada mais podia ser descoberto. Mas nos primeiros meses do novo século, Max Planck provou que isso era errado ao mostrar o mundo suas teorias sobre a radiação. Alguns anos depois, chega Einstein que desenvolve sua Teoria da Relatividade Espacial e teoria do Efeito Fotoelétrico, que mudou a visão dos cientistas sobre os fenômenos atômicos. Outros cientistas importantes desenvolveram suas teorias e é aí, querido leitor, é onde queríamos chegar: na física moderna e mais especificamente a mecânica quântica.
A física moderna, deixou um pouco de lado (se é que é possível) a física clássica e chegamos a física moderna. Esses conhecimentos revolucionaram o mundo, por que deram partida para muitos outros conhecimentos e tecnologias que nos são extremamente necessários para o nosso simples dia-a-dia.

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Física Moderna: Uma introdução à mecânica quântica

Agora que você já tem uma noção de como se consolidou a física e como chegamos até a física moderna, podemos chegar no mais importante: a mecânica quântica.
Primeiramente: O que é Mecânica? Mecânica é a parte da física que analisa o movimento, variações de energia e forças que atuam sobre um corpo. Então, o que é a mecânica quântica?
É um ramo fundamental na física e sua aplicação é extremamente abrangente. Basicamente, a mecânica quântica estuda os átomos, elétrons, prótons e outras partículas subatômicas e sua mecânica (seu movimento, energia…)
Esse estudo revolucionou a física por que no final do século XIX, aquele período em que se achava que nada mais podia ser descoberto, alguns fenômenos naturais não conseguiam ser explicados, fazendo com que toda a física clássica fosse substituída com sucesso pelo aprofundamento dos conhecimentos da mecânica quântica.

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Mecânica Quântica

Então você já sabe que a mecânica quântica é um ramo muito importante da física que estuda partículas subatômicas e sua mecânica, efeitos e etc, não é mesmo? Então que tal aprofundarmos um pouquinho nesse ramo tão importante?
A mecânica quântica é a base teórica e experimental para vários campos da Física e da Química, incluindo: a física da matéria condensada, física do estado sólido, física atômica, física molecular, química computacional, química quântica, física de partículas, e física nuclear. Mas vamos focar nossos estudos em outras coisas primeiramente.
Vamos começar pelos princípios da mecânica quântica, que são o objeto de nosso estudo agora.

O que são partículas subatômicas?

Partículas subatômicas são partículas extremamente minúsculas. Estas são menores que o elétron, nêutron e próton. Sabe-se da existência de pelo menos 200 destas partículas.
Mas se são tão pequenas, como foram descobertas?
No século XX, nos anos 50 e 60, os cientistas começaram a usar os aceleradores de partículas que em suma, fornecem uma alta quantidade de energia para as partículas do átomo, provocando colisões e etc. Com esse equipamentos, partículas além dos prótons, nêutron e elétrons foram sendo descobertas, e assim com a evolução destes aceleradores mais partículas foram descobertas. Boa parte delas existem por apenas frações de segundo. Elas existem, resumidamente, para manter a união do átomo ou não. Não aprofundaremos tanto esta parte, já que os conhecimentos apresentados neste blog estão de forma bem didática e o entendimento completo destas partículas não é fundamental no momento.

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A interpretação de Copenhague.

Niels Bohr e Einstein em 1925.A Interpretação de Copenhague é uma interpretação mais comum da Mecânica Quântica e foi desenvolvida por Niels Bohr e Werner Heisenberg que trabalhavam juntos em Copenhague em 1927. Essa interpretação pode ser feita em três partes muito técnicas, por isso, vamos nos ater a transmitir apenas um resumo para se ter uma noção do que foi essa interpretação: A Mecânica Quântica em si, é algo muito indeterminável e assim são seus resultados. A mecânica quântica usa de previsões que talvez sejam prováveis para explicar tal assunto. Parecido quando jogamos dados, onde usamos a probabilidade para tentar achar o resultado porque não temos informações suficientes para achá-lo.
Essa interpretação teve muitas críticas de cientistas renomados como Eistein, que realizou diversos experimentos para tentar provar o contrário a essa interpretação. Um dos experimentos mais famosos feitos para rebaixar essa interpretação foi o do físico Erwin Schrodinger, em 1935. O experimento, mais conhecido como ‘O Gato de Schordinger’, que iremos ver mais pra frente, ficou muito conhecido e sua proposta era mostrar como a interpretação de Copenhague era absurda.

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Características Importantes

Como dito anteriormente, a mecânica quântica veio pra tentar explicar alguns fenômenos que não poderiam ser explicados apenas pela física clássica. Com isso, alguns conceitos foram substituídos. Como o estudo da mecânica quântica é muito abrangente, vamos citar apenas os quatro mais importantes: A quantização de energia, o salto quântico, a dualidade da onda-partícula, o indeterminismo ou o princípio da incerteza.

Quantização de energia:

Vamos começar nosso estudo com uma situação: Você precisa esquentar água. Quando você coloca a água na panela e mede com a ajuda de um termômetro, a água está, por exemplo, a 20°C. O fogo é ligado e a água permanece lá até chegar aos 80°C. Quando dado esse exemplo, nós sabemos que para a água ter chegado aos 80°C ela passou por todos os valores de 20° a 80° para chegar até lá, não é mesmo? Quando isso acontece, dizemos que a grandeza é contínua.
Mas existe também em Física Moderna o que chamamos de uma grandeza quantizada. Em uma grandeza quantizada, não podemos ter todos os valores, existem valores proibidos. Se a água fervendo do exemplo anterior passasse por esse processo de quantização, poderíamos dizer que ela não passaria por todos os valores, ela não passaria por valores intermediários. É como se todos os valores intermediários entre 20° e 30° fossem proibidos.
Mas onde isso acontece? Acontece em partículas que se encontram “presas’’, “ligadas’’, como os elétrons em um átomo. Logo, podemos dizer que no caso de partículas subatômicas, a quantização da energia é algo para ser levado em conta.
Mas como chegamos nesse conhecimento?
Chegamos a essa conclusão através de experimentos do cientista Max Planck, em 1900. Planck fez estudos sobre a emissão de luz em alguns tipos de corpos super aquecidos, mais conhecido como “radiação do corpo negro. ’’ Todo objeto superaquecido emite uma radiação visível, como podemos ver no nosso dia-a-dia numa simples lâmpada. Planck, em seus estudos, usava da física clássica para calcular a energia de luz emitida, mas ao fazer isso, o resultado era infinito. Isso é impossível por que se assim, qualquer metal incandescente poderia acabar com o universo. Com isso, Planck supôs que a luz era emitida não em uma quantidade contínua, mas sim em “pacotes” de energia (quantizadamente), esses pacotes de energia foram chamados de quantum, que depois adotaram o nome de fóton.
Esse trabalho de Planck foi de extrema importância, porque conseguiu mudar a física clássica e avançou vários trabalhos de outros cientistas. Posteriormente, quando Bohr expos seu modelo atômico, foi descoberto que isso também acontecia nos átomos, partindo daí o conhecimento de que partículas subatômicas também têm sua energia quantizada.

Salto Quântico:

Como vimos anteriormente, no caso de uma grandeza quantizada, como a energia, ela pode ir de um nível para o outro, sem passar pelos seus valores intermediários. Mas como? Através do Salto Quântico. É basicamente o “salto’’ que a tal grandeza dá, sem passar por seus valores intermediários.
Mas que tal aprofundarmos um pouco?
Em um átomo, suponhamos que seus elétrons recebam uma energia luminosa, consequentemente aumentando sua energia. Só que o elétron só irá absorver essa energia caso ela seja suficiente para que ele consiga saltar para um próximo nível energético da eletrosfera, caso contrário, esse fóton (o pacote de energia) passa despercebido pelo elétron e não é absorvido. A mesma coisa acontece para a emissão de luz.
Sabe o interruptor que você tem pela casa inteira que brilha no escuro? Ele é um ótimo exemplo. O interruptor é feito de um material fosforescente, ou seja, que absorve luz e permanece com ela algum tempo e depois a emite de novo. Por isso parece brilhar no escuro, vai reemitindo luz até acabar a que absorvia enquanto o ambiente estava iluminado.

Dualidade Onda-Partícula:

Que tal um pequeno teste de conhecimento? Vamos lá:
“A luz é: a) uma onda b) uma partícula c)nenhum dos dois d)onda e partícula’’
Aposto que você marcou a letra ‘a’ não é mesmo? Sinto em dizer que você errou.
A luz, na física clássica foi comprovada com experimentos cuidadosos de que ela é uma onda. E isso está correto, mas a física lidou com situações em que essa definição não funcionava, pois em alguns casos a luz se comportava como partícula.
Então o que ela é? Podemos dizer, que ela pode ser os dois. As partículas subatômicas tem capacidade de se comportarem tanto como ondas quanto partículas. Por isso, na hora de falar sobre partículas é muito importante considerar a dualidade.
Esse conceito foi primeiro aplicado através do estudo sobre a luz, mas logo percebeu-se que isso é geral e que toda partícula subatômica se comporta com essa dualidade. Precisamos reforçar que as partículas se comportam ORA como onda ORA como luz, mas nunca partícula e onda ao mesmo tempo.

O vídeo a seguir explica de uma forma bem didática sobre esse efeito! Vamos ver? 🙂

O principio da incerteza
Assim podemos perceber que há infinitas possibilidades na mecânica quântica que nos impressionam a todo instante como o princípio da incerteza de Heisenberg. Heisenberg formulou este estudo em 1927. De acordo com este princípio, para prever a posição e velocidade futuras de uma partícula é necessário poder medir a posição e velocidade atuais. Resumidamente, para conhecer a velocidade de uma partículas, analisar seu movimento, acabamos alterando o mesmo. Para se observar a partícula é necessário fazer incidir sobre ela um raio de luz, por exemplo. Se o comprimento de onda do raio (fóton) for longo, ou seja, menos energético, perturbará menos o movimento da partícula e será possível conhecer a sua velocidade com alguma precisão. Todavia, não conseguimos determinar com precisão a posição da partícula. O oposto ocorrerá se fizermos incidir um raio com um comprimento de onda mais curto: perturbará mais o movimento e o conhecimento de sua velocidade não fica claro.

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Um olhar geral

Agora que você já viu conceitos principais e experimentos muito importantes da mecânica quântica, que tal falarmos sobre alguns outros temas envolvidos neste ramo tão importante da física?
No próximo post, vamos falar sobre vários temas que transformaram a física!

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