A teoria quântica é o nome dado a uma teoria física que tenta modelar o comportamento da energia em uma escala pequena usando quanta (plural do termo quantum latino ), quantidades discretas. Conhecido em Inglês sob o nome de "teoria quântica velho" ( teoria quântica de idade ), a sua introdução perturbar várias idéias recebidas em física da época, no início do XX E século. Serviu como uma ponte entre a física clássica e a física quântica , cuja pedra angular, a mecânica quântica , nasceu em 1925.
Foi iniciado por Max Planck em 1900, depois desenvolvido principalmente por Albert Einstein , Niels Bohr , Arnold Sommerfeld , Hendrik Anthony Kramers , Werner Heisenberg , Wolfgang Pauli e Louis de Broglie entre 1905 e 1924.
O padrão físico em vigor no final do XIX ° século incluiu os seguintes teorias:
Um certo número de factos experimentais conhecidos no final do XIX th século foram inexplicável no âmbito da teoria clássica. Esses fatos experimentais discordantes gradualmente levaram os físicos a propor uma nova visão do mundo, a física quântica . As principais etapas dessa revolução conceitual ocorreram entre 1900 e 1925.
Radiação de corpo negroO corpo negro de radiação é a radiação eletromagnética produzida por um corpo absorvente completamente em equilíbrio termodinâmico com seu ambiente.
Imagine uma câmara fechada mantida em uma temperatura : um "forno", e perfurada por um pequeno orifício. As paredes do forno sendo assumidas como completamente absorventes, qualquer radiação inicialmente fora do forno que penetre através do orifício em direção ao interior do invólucro sofre múltiplas reflexões, emissões e absorções pelas paredes do forno até atingir a termalização completa: o invólucro e seu conteúdo de radiação está em equilíbrio térmico . Por outro lado, uma pequena parte da radiação térmica dentro do forno pode escapar definitivamente dele, permitindo além do seu estudo experimental, em particular a sua distribuição de energia espectral , ou seja, a densidade de energia, volume presente por intervalo de frequência elementar. A termodinâmica permite mostrar que as características dessa radiação não dependem da natureza do material de que são feitas as paredes do forno, mas apenas de sua temperatura. Essa radiação é chamada de radiação de corpo negro .
No final do XIX ° século , a teoria clássica foi incapaz de explicar as características experimentais de radiação de corpo negro: cálculo da energia emitida, teoricamente, tende para o infinito , que era, obviamente, em contradição com a experiência. Esta discordância foi chamada de catástrofe ultravioleta , e constitui uma das "duas pequenas nuvens no céu sereno da física teórica" , uma frase famosa proferida por Thomson - aliás Lord Kelvin - o27 de abril de 1900durante uma conferência. No restante de seu discurso, Thomson previu uma explicação rápida dos resultados experimentais dentro da estrutura da teoria clássica. A história provou que ele estava errado: poucos meses depois da palestra de Thomson, Planck apresentou uma hipótese ousada que provocaria uma mudança radical no panorama da física teórica.
A relação Planck-Einstein (1900-1905)Desesperado, Planck hipotetizou que as trocas de energia entre a radiação eletromagnética do corpo negro e o material que constitui as paredes da fornalha foram quantificadas, ou seja, a energia é transmitida em pacotes. Mais precisamente, para a radiação de frequência monocromática , as trocas de energia só poderiam ocorrer em múltiplos inteiros de uma quantidade mínima, um quantum de energia:
onde é um número inteiro positivo e uma nova constante universal, hoje chamada constante de Planck ou quantum de ação . Essa constante vale:
joule . sA lei de Planck para a radiação de corpo negro está escrita:
sendo o comprimento de onda, T a temperatura em Kelvin, h a constante de Planck ec a velocidade da luz no vácuo.
A hipótese quântica de Max Planck foi retomada e completada por Albert Einstein em 1905 para interpretar o efeito fotoelétrico.
O efeito fotoelétrico (1905)No final do XIX th século , físicos notar que ilumina quando um metal com uma luz, pode emitir electrões.
Sua energia cinética depende da frequência da luz incidente, e seu número depende da intensidade da luz, o que é difícil de entender dentro do modelo de onda da luz. Em particular, se a luz incidente tem uma frequência abaixo de um certo limiar, nada acontece, mesmo que esperemos muito tempo. Este resultado é classicamente incompreensível, porque a teoria de Maxwell associa às ondas eletromagnéticas uma densidade de energia proporcional à intensidade da luz, por isso é classicamente possível acumular tanta energia quanto quisermos no metal na iluminação por tempo suficiente e "qualquer que seja a frequência do radiação incidente considerada ". Não deveria haver um limite.
Inspirado por Planck, Einstein propôs em 1905 uma hipótese simples explicando o fenômeno: "a radiação eletromagnética é ela mesma quantizada", cada "grão de luz" - que mais tarde será chamado de fóton - carregando um quantum de energia . Os elétrons que absorvem fótons adquirem essa energia; se for maior do que um limite fixo de energia (que depende apenas da natureza do metal), os elétrons podem deixar o metal. Os elétrons emitidos então têm energia cinética:
.Este artigo rendeu a Einstein o título de Doutor em Física Teórica em 1905 e o Prêmio Nobel de Física em 1921 .
A estabilidade dos átomosDois problemas surgiram graves no final do XIX th século em átomos , que consiste de um número de one-off electrões de carga negativa, e um ponto do tipo núcleo, carregados positivamente:
O dinamarquês Niels Bohr será o primeiro a oferecer um modelo semi-clássico para contornar essas dificuldades.
O modelo Bohr do átomo de hidrogênio é um modelo que usa dois ingredientes muito diferentes:
A mistura exótica desses ingredientes produz resultados espetaculares: a concordância com a experiência é realmente excelente.
Sommerfeld aperfeiçoará o modelo Bohr em duas etapas:
A inclusão de efeitos relativísticos apenas tornará a comparação com os resultados experimentais ainda melhor.
Embora estivesse claro que a luz apresentava uma dualidade onda-partícula , Louis de Broglie propôs generalizar corajosamente essa dualidade para todas as partículas conhecidas.
Em sua tese de 1923, de Broglie associou a cada partícula material de energia uma frequência de acordo com a relação de Planck-Einstein já mencionada e, um fato novo, propôs associar ao impulso de uma partícula massiva não relativística um comprimento de onda , de acordo com para a lei:
Este foi outro passo revolucionário. Paul Langevin imediatamente fez com que a tese de de Broglie fosse lida para Einstein, que declarou: “Ele [de Broglie] ergueu uma ponta da vela grande. O caráter ondulatório do elétron receberá confirmação experimental direta com o experimento de difração de elétrons por um cristal realizado por Davisson e Germer em 1927.
As relações de De Broglie também podem ser escritas:
em termos da frequência angular: e o vector de onda , cuja norma é: .
Os elétrons , partículas carregadas, interagem com a luz, normalmente descritos por um campo eletromagnético. No entanto, a física clássica não consegue explicar a variação observada no comprimento de onda da radiação em função da direção de difusão. A correta interpretação desse fato experimental será dada por Compton e seus colaboradores ao final dos experimentos realizados entre 1925 e 1927.
Esse efeito, batizado em sua homenagem de efeito Compton , é bem descrito ao se considerar o choque fóton- elétron, como um choque entre as duas partículas, sendo o fóton o portador de um quantum de energia e de um quantum de momento . Os fótons estão espalhados em direções variáveis e exibem uma variação no comprimento de onda que depende da direção de espalhamento.