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AS ORIGENS DA TEORIA QUÂNTICA

Havia um problema sério com o modelo atômico de Rutherford: de acordo com todos os princípios da física conhecidos em 1911, um átomo contendo um núcleo pequeno positivamente carregado deveria ser instável. Se os elétrons estivessem parados nada os impediriam de serem atraídos para o núcleo. Se eles tivessem um movimento translacional em volta do núcleo segundo uma trajetória circular, as leis do eletromagnetismo, na época bem estabelecidos, prediziam que o átomo deveria emitir luz dissipando energia continuamente, até que todo o movimento dos elétrons cessasse. Dois anos depois de Rutherford ter lançado sua proposta, Niels Bohr tentou resolver o aparente paradoxo analisando a estrutura atômica utilizando a teoria quântica da energia, o qual havia sido desenvolvido por Max Planck, em 1900. Entretanto, antes de citar as idéias de Bohr com relação ao comportamento dos elétrons no átomo, vamos examinar os experimentos que levaram ao desenvolvimento dos princípios utilizados por Bohr.

A TEORIA CLÁSSICA DA RADIAÇÃO

A idéia que a luz é constituída por ondas eletromagnéticas deslocando-se no espaço foi aceita sem contestação, até 1900. Ou seja, todos os experimentos que utilizassem a luz poderiam ser explicados, imaginando-a como uma combinação de campos elétricos e magnéticos oscilantes propagando-se pelo espaço. De acordo com a teoria eletromagnética clássica, a energia contida ou transportada pela onda eletromagnética deveria ser proporcional ao quadrado das amplitudes máximas das ondas devido aos campos elétrico e magnético. Segundo esta teoria, a energia de uma onda depende somente de sua amplitude, e independe de sua freqüência ou comprimento de onda.

A teoria eletromagnética explicava com perfeição fenômenos ópticos tais como a difração e o espalhamento. Estes fenômenos ocorrem quando as ondas encontram partículas aproximadamente do mesmos tamanho que o comprimento de onda da luz. Entretanto, apesar dos sucessos em explicar certos fenômenos os quais reforçavam a validade da teoria, esta não era adequada para explicar a natureza da radiação emitida por um corpo sólido aquecido. As diferentes freqüências das radiações, experimentalmente observadas, emanadas pelo sólido distribuíam-se de acordo com a curva mostrada na Fig. 1. Observou-se que a medida que a temperatura do sólido aumentava, a freqüência média da luz emitida também aumentava. Isto corresponde ao corpo passar pelos estágios nos quais emite luz vermelha, amarela e branca, a medida que sua temperatura aumenta. A curva de distribuição das freqüências emitidas por um sólido determinada utilizando a teoria ondulatória, também, é mostrada na Fig. 1(linha tracejada). Pode-se perceber claramente que tais resultados são inconsistentes com os resultados experimentais.

A luz visível possui comprimentos de onda na faixa de 400nm(azul) a 700nm(vermelho). Estes correspondem aos comprimentos de onda da parte inferior esquerda da Fig.1, e mesmo a 200K a maior parte da radiação proveniente de um sólido aquecido encontra-se na região do infravermelho. O filamento de uma lâmpada incandescente comum deve ser aquecida no mínimo a 3000K.

QUANTIZAÇÃO DA ENERGIA

Em 1901, Planck resolveu a discrepância mostrada na Fig. 1, utilizando conceitos que contrariavam totalmente as leis clássicas da física. Planck teve de supor que um sistema mecânico não poderia ter uma energia arbitraria, e que somente certos valores definidos de energia seriam permitidos. Planck sugeriu que uma onda eletromagnética de freqüência n deve ser emitida por um grupo de átomos que se encontra na superfície do sólido, oscilando com a mesma freqüência. Este grupo de átomos, o oscilador m, não poderia ter uma energia qualquer. Ela deveria possuir uma energia expressa pela relação

E = nhn

onde n é um número inteiro positivo, n é a freqüência do oscilador