FÍSICA QUÂNTICA PARA PRINCIPIANTES 2 - A constante de Planck

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A constante de Planck, representada pela letra h é uma das constantes fundamentais da Física.
Este número tem um papel fundamental na mecânica quântica, aparecendo sempre no estudo de fenômenos em que a explicação por meio da mecânica quântica é relevante.
Mas o que é a constante de Planck? De onde veio? O que significa?
Na virada do século XIX para o século XX os físicos estavam muito empolgados. A física havia avançado de tal forma que parecia que tinha chegado ao ponto de descrever e explicar todos os fenômenos.
A mecânica estava muito bem consolidada e havia unificado a gravitação (movimento dos planetas) com os movimentos que ocorrem na Terra. A teoria eletromagnética tinha descoberto que a luz é uma onda eletromagnética (e que existiam outras radiações como a luz, porém invisíveis) fazendo assim a unificação da óptica com a eletricidade e o magnetismo e esta teoria eletromagnética também era totalmente concatenada com a mecânica.
O modelo cinético (que descreve a energia interna de um corpo como sendo a agitação das partículas desse corpo), também totalmente baseado na mecânica, explicava o que é o calor. Joule havia descoberto a equivalência entre a energia cinética (movimento) e o calor. Tudo estava indo bem e as teorias se encaixavam e se complementavam. Porém, havia dois problemas que estavam preocupandoos físicos.
Em 1901, Lorde Kelvin (o mesmo que propôs a escala Kelvin) escreveu:
"A beleza e claridade da teoria dinâmica, que coloca calor e luz como modos de movimento, está presentemente obscurecida por duas nuvens.
I. A primeira apareceu com a teoria ondulatória da luz, desenvolvida por Fresnel e o Dr. Thomas Young; envolvendo a questão de como pode a Terra mover-se através de um sólido elástico, como o é essencialmente o éter luminífero?
II. A segunda é a doutrina de Maxwell-Boltzmann sobre a equiparticão de energia."
Estes dois problemas se mostravam sem solução para as equações da física de então e foi por causa desses problemas que nasceu uma nova física (ou duas novas físicas):
O primeiro problema deu origem à RELATIVIDADE: Uma das grandes questões da ciência no final do século XIX era entender em que meio as ondas eletromagnéticas se propagavam, pois era inconcebível admitir que essas ondas não possuíam um meio de propagação. Por isso, na época, assumia-se que o éter luminífero era o lugar de propagação das ondas eletromagnéticas. A questão é que esse éter luminífero nunca foi detectado! Isso era um problema sério para a teoria na época.
Atualmente nós sabemos que as ondas eletromagnéticas não precisam de um meio para se propagarem. Mas foi um longo caminho para chegar nessa compreensão. Esse problema só foi resolvido com o advento da TEORIA DA RELATIVIDADE de Eisntein.
O segundo problema citado por Lorde Kelvin deu origem à FÍSICA QUÂNTICA.
Para entendermos melhor vamos recorrer ao conceito de radiação térmica de um corpo negro. Esse é o nome que os físicos dão para descrever a radiação térmica emitida por um corpo que emite radiação na mesma intensidade que a absorve. A teoria eletromagnética afirma que cargas elétricas em movimento geram ondas eletromagnéticas.
Portanto, a agitação térmica dos corpos geram ondas eletromagnéticas. Chamamos essas ondas de RADIAÇÃO TÉRMICA. Até aí, tudo bem, a física da época dava conta muito bem.
Porém, quando esta radiação era medida em laboratório (detectada e colocada num gráfico), os resultados previstos nesta teoria não batiam com os resultados obtidos nestas medidas.
Na teoria clássica (termodinâmica e eletromagnética), os resultados previstos descrevem uma curva exponencial (em preto no gráfico acima), ou seja, quanto maior a frequencia da radiação, sua intensidade cresce exponencialmente!
Neste caso, a TEORIA não condiz com os RESULTADOS EXPERIMENTAIS. Esse era um dos grandes problemas da física na época e que não podia ser explicado com as teorias disponíveis naquele momento.
Quando olhamos para o gráfico da radiação de um corpo negro percebemos que para grandes comprimentos de onda (baixas frequencias), a fórmula de Rayleight-Jeans (teoria clássica) se enciaxa bem. Porém para pequenos comprimentos de onda (alta frequência) esse fórmula se distancia muito do que acontece na realidade. Aparece aí a primaiera indicação da escala de grandeza da física quântica, que discutimos na aula passada. Por causa disso, esse problema ficou conhecido como CATÁSTROFE DO UTLTRAVIOLETA (a radiação ultravioleta tem alta frequencia, logo, baixo comprimento de onda), portanto essa discrepância fica mais evidênte na radiação ultravioleta.
Em 1901 o físico alemão Max Karl Ernst Ludwig Planck (vamos chamá-lo apenas de Planck) propôs uma solução matemática para este problema.
Esse é o assunto desse vídeo.