MECÂNICA QUÂNTICA - Resumo

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━━━━━MECÂNICA QUÂNTICA━━━━━
ANTECEDENTES:
➤ Planck e a emissão de radiação de
corpos negros;
➤ Efeito Fotoelétrico de Einstein;
➤ Dualidade onda-partícula da matéria
(Louis de Broglie);
➤ Espectro de emissão e absorção do
modelo atômico de Bohr;
➤Modelo de Scrödinger;
➤ Princípio de exclusão de Pauli;
➤ Princípio da incerteza de Heisenberg
➤ Interpretação de Copenhague para a
Mecânica Quântica.
CONCEITO:
➤ É uma área da física, conhecida como
Mecânica Quântica.
➤ Estuda sistemas físicos com
dimensões reduzidas, como moléculas,
átomos e partículas subatômicas.
➤ Busca entender a interação da
Radiação e Matéria.
QUAL O TAMANHO DE UM ÁTOMO?
➤ Estima-se um tamanho de 10−9 𝑚
(escala nanométrica). Um átomo é tão
pequeno, que podemos alinhar 10
milhões de átomos sobre um milímetro
(10-3 m).
FONTE DE RADIAÇÃO VISÍVEL:
➤ Um corpo, em qualquer temperatura,
emite radiações eletromagnéticas. Por
estarem relacionadas com a temperatura
em que o corpo se encontra,
frequentemente são chamadas
radiações térmicas.
Ex: “sentimos” a emissão de um ferro
elétrico ligado, mas não enxergamos
as ondas por ele emitidas. Isso
acontece porque, em baixas
temperaturas, a maior taxa de emissão
está na faixa do infravermelho. Se
aumentamos gradativamente a
temperatura de um corpo, ele começa
a emitir luz visível, de início a luz
vermelha, passando a seguir para a
amarela, a verde, a azul e, em altas
temperaturas, a luz branca, chegando
à região do ultravioleta do espectro
eletromagnético.
➤ Planck, em 1900, determinou
teoricamente a curva espectral da
radiação emitida por um corpo negro. Foi
ele quem tornou o termo latim quanta
conhecido.
➤ O corpo negro absorve toda a radiação
que nele incide, não tem cor à reflexão
mas pode ter cor à emissão, sendo todo
absorvente, um bom emissor.
Espectro eletromagnético
➤ Há, na superfície do corpo negro,
cargas elétricas oscilantes que emitem
energia radiante não de modo contínuo,
como sugere a teoria clássica, mas sim
em porções descontínuas, “partículas”
que transportam, cada qual, uma
quantidade de energia E bem definida.
Essas “partículas” foram denominadas
“fótons”. A energia E de cada fóton é
denominada quantum.
➤ A intensidade luminosa depende do
número de fótons emitidos.
➤ A teoria de Planck propôs que a
energia radiante é diretamente
proporcional à sua frequência, conforme
mostra a equação:
E = h . f
➤ Quanta (plural de quantum), significa
quantidade.
EFEITO FOTOELÉTRICO:
➤ Albert Einstein, em 1905, explicou o
efeito fotoelétrico com base na teoria
quântica de Max Planck.
➤ Einstein propôs que a radiação
eletromagnética de frequência 𝑓 continha
“pacotes” de energia (de intensidade
diretamente proporcional a sua
frequência.)
➤ Estes pacotes ficaram conhecidos
como quanta (latim para quantidade), e o
quanta da luz foi denominado como
fóton.
➤ O efeito fotoelétrico consiste na ejeção
de elétrons de um material exposto a
uma determinada frequência de
radiação eletromagnética (nesse caso, a
luz).
➤ Os pacotes de luz, chamados de
fótons, transferem energia para os
elétrons. Se essa quantidade de energia
for maior do que a energia mínima
necessária para se arrancar os elétrons,
estes serão arrancados da superfície do
material, formando uma corrente de
fotoelétrons.
➤ A energia de cada fóton depende de
sua frequência (f), portanto, existe uma
frequência mínima necessária para
arrancar os elétrons do material.
*A luz de alta frequência carrega
“pacotes” com muita energia. Aumentar
a intensidade da luz somente aumenta o
número de fótons, mas não aumenta a
energia contida neles.
Função trabalho: energia mínima que cada
fóton deve ter para promover o efeito
fotoelétrico.
➤ Einstein comprovou que na natureza a
energia é transportada na forma de
pequenos pacotes, e por isso se diz que a
energia é quantizada.
➤ Fótons são partículas, e com a
descoberta da sua existência, a luz passa
a ter comportamento dual - ora onda, ora
partícula, surgindo aí a dualidade
onda-partícula da matéria.
DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA DA
MATÉRIA:
➤ A dualidade onda-partícula é uma
propriedade inerente da natureza tanto
para partículas quanto para ondas.
➤ A natureza dual pode ser observada
por meio de experimentos quando se
investiga o comportamento de partículas,
como elétrons, prótons, nêutrons e até os
átomos.
➤ Louis de Broglie, em 1924, mostrou que
uma partícula tem comportamento
análogo à luz; que um elétron, por
exemplo, também apresenta caráter
dual, ora o comportamento de partícula,
ora o comportamento ondulatório.
Colidindo partículas em dupla fenda, surge
o padrão de interferência.
MODELO ATÔMICO DE BOHR:
➤ Bohr, que era aluno de Rutherford,
tentou explicar o porquê dos elétrons que
giram em torno do núcleo não caem.
Utilizou o conhecimento de Max Planck
sobre quantização de energia e
conseguiu melhorar o modelo atômico
de Rutherford.
➤ Niels Bohr sugeriu que os elétrons
deveriam circular o núcleo em órbitas
com energias definidas, ou seja, as
energias eram quantizadas.
➤ Com isso, os elétrons se encontram em
camadas ao redor do núcleo do átomo,
denominadas K, L, M, N, O, P e Q. Quanto
mais longe do núcleo, maior é a energia
de uma camada eletrônica.
➤ Os elétrons absorvem energia
passando para um nível excitado e
emitem a mesma quantidade de
energia, na forma de radiação (fótons),
ao retornarem para o estado
fundamental. Esses são os chamados
SALTOS QUÂNTICOS.
➤ Não há a possibilidade de o elétron
orbitar entre dois níveis de energia
próximos.
➤ Energias só podem assumir um
conjunto discreto de valores (números
inteiros, ex: 1, 2, 3).
Modelo atômico de Rutherford, com um
núcleo positivo e elétrons girando ao seu
redor.
➤ Diferentes átomos têm diferentes
quantidades de energia em seus GAPs
(degrau entre um orbital atômico e outro),
que acabam resultando em diferentes
frequências, com transições eletrônicas
tendo emissões de ondas diferentes, devido
a energia específica que irá liberar quando
voltar ao seu estado fundamental.
Níveis de energia num átomo simples
MODELO DE SCHRÖDINGER:
➤ Probabilidades do estado da matéria
➤ Definiu as prováveis regiões onde os
elétrons podem ser encontrados.
➤ As regiões onde os elétrons podem
estar localizados foram chamados de
orbitais atômicos.
PRINCÍPIO DA EXCLUSÃO DE
PAULI:
➤ Em um mesmo átomo, não podem
existir dois elétrons com o mesmo
conjunto de números quânticos.
PRINCÍPIO DE INCERTEZA DE
HEISENBERG (1927):
➤ Formulado por Werner Heisenberg.
➤ Estabelece um limite na precisão com
que certos pares de propriedades de uma
dada partícula física, conhecidas como
variáveis complementares (tal como
posição e momento linear/velocidade),
podem ser conhecidas.
➤ Em nível quântico, quanto menor for a
incerteza na medida da posição de uma
partícula, maior será a incerteza do seu
momento linear e vice-versa. Ou seja, nós
não conseguimos determinar a posição e
a velocidade de um elétron ao mesmo
tempo com a mesma precisão.
➤ O gato de Schrödinger: modelo
didático feito para representar essa
incerteza. Nesse modelo, um gato está
dentro de uma caixa com um
mecanismo que pode liberar um veneno
e matá-lo. Enquanto a caixa está fechada
e não podemos observar a situação, não
sabemos dizer se o gato está vivo ou
morto. Pela mecânica quântica, o gato
está “morto-vivo”: um estado dual. O
ato de abrir a caixa faz com que
determinemos em qual estado o gato se
encontra: isso serve como metáfora à
dualidade onda-partícula da luz e de
como ela se manifesta conforme
interferimos nela.
INTERPRETAÇÃO DE COPENHAGUE:
➤ Desenvolvida por Niels Bohr e Werner
Heisenberg que trabalhavam juntos em
Copenhaga em 1927.
➤ Três teses:
1ª tese: As previsões probabilísticas
feitas pela mecânica quântica são
irredutíveis no sentido em que não são
um mero reflexo da falta de
conhecimento de hipotéticas variáveis
escondidas. No lançamento de dados,
usamos probabilidadespara prever o
resultado porque não possuímos
informação suficiente apesar de
acreditarmos que o processo é
determinístico. As probabilidades são
utilizadas para completar o nosso
conhecimento. A interpretação de
Copenhaga defende que em Mecânica
Quântica, os resultados são
indeterminísticos.
2ª tese: A Física é a ciência dos
resultados de processos de medida.
Não faz sentido especular para além
Isadora
Highlight
daquilo que pode ser medido. A
interpretação de Copenhaga considera
sem sentido perguntas como "onde
estava a partícula antes de a sua
posição ter sido medida?".
3ª tese: O ato de observar provoca o
colapso da função de onda, o que
significa que, embora antes da
medição o estado do sistema
permitisse muitas possibilidades,
apenas uma delas foi escolhida
aleatoriamente pelo processo de
medição, e a função de onda
modifica-se instantaneamente para
refletir essa escolha.
➤ Experimento de Mach-zehnder: