Dualidade onda-partícula

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. A dualidade onda-partícula é resultado de um grande número de experimentos e teorias, como aquelas relacionadas ao efeito fotoelétrico, esclarecidas por Albert Einstein.

Veja também: Bósons, férmions, léptons – modelo-padrão da Física de partículas

Tópicos deste artigo

• 1 - Diferença entre onda e partícula
• 2 - Dualidade onda-partícula
• 3 - Explicação da dualidade onda-partícula

Diferença entre onda e partícula

Antes de falarmos sobre a dualidade onda-partícula, é importante compreendermos as características de cada um desses aspectos.

As partículas:

• ocupam uma posição no espaço,
• são dotadas de massa,
• têm forma definida,
• são bem localizadas, isto é, pode-se determinar facilmente sua posição.

Já as ondas:

• são perturbações no espaço,
• não têm posição definida,
• não têm massa,
• são fenômenos que transportam energia,
• estão sujeitas aos fenômenos de reflexão, refração, difração, interferência etc.

Apesar de serem coisas totalmente diferentes, do ponto de vista da física, toda partícula tem uma onda a ela associada e vice-versa. A forma como a matéria se expressa, seja em forma de onda, seja em forma de partícula, está relacionada à forma como ela é observada.

Dualidade onda-partícula

A dualidade onda-partícula passou a ser questionada quando os resultados experimentais de Heinrich Hertz referentes ao efeito fotoelétrico entraram em contradição direta com aquilo que era esperado para o comportamento da luz, de acordo com a teoria eletromagnética de James Clerk Maxwell.

Segundo a teoria vigente da época, qualquer frequência de luz deveria ser capaz de ejetar elétrons de uma folha metálica, entretanto, os resultados de Hertz mostraram que era somente a partir de certas frequências que se detectava tal emissão.

A explicação para o efeito fotoelétrico foi feita por Albert Einstein, em 1905. Einstein mostrou que a luz comportava-se de forma quantizada, ou seja, distribuía-se em pequenos “pacotes” de energia que arrancavam elétrons do metal se, e somente se, esses pacotes tivessem um nível de energia que pudesse ser absorvido pelos átomos do metal. A ideia de que a luz podia ser quantizada não era uma novidade, anos antes essa ideia havia sido aplicada à radiação térmica pelo físico alemão Max Planck, que explicara o fenômeno da emissão de corpo negro.

Em 1923, Louis De Broglie sugeriu que as partículas também fossem capazes de se comportar como ondas. A hipótese de De Broglie, como ficou conhecida, sugeriu a existência de “ondas de partículas”, com isso, era esperado que elétrons, prótons e outras partículas subatômicas pudessem apresentar efeitos até então exclusivamente ondulatórios, como refração (mudança de velocidade das ondas), difração (capacidade das ondas de contornar obstáculos) etc.

A hipóteste de De Broglie foi confirmada, em 1928, pelo experimento de Davisson-Germer, que  consistia em promover a difração de elétrons. Para que isso fosse feito, um feixe catódico era direcionado a um alvo de níquel que podia ser rotacionado, de modo a alterar o ângulo em que o feixe de elétrons incidia sobre o plano de átomos de níquel.

Os resultados mostraram picos de intensidade para as partículas que eram refletidas sobre certos ângulos, indicando a existência de um padrão de interferências construtivas e destrutivas para a reflexão dos elétrons. A conclusão do experimento foi a de que os elétrons podem ser difratados e produzir interferência, assim como faziam as ondas eletromagnéticas.

A figura a seguir ilustra a situação em que os elétrons são difratados: de acordo com a distância percorrida por cada elétron, um padrão de intensidades formava-se, assim como acontece para uma onda difratada por uma fenda dupla.

Veja também: O que são buracos negros?

Explicação da dualidade onda-partícula

A explicação para a dualidade onda-partícula surgiu com o avanço da mecânica quântica. Atualmente, sabe-se que todos os sistemas quânticos são regidos por um mecanismo conhecido como princípio da incerteza de Heisenberg. Segundo esse princípio, as partículas são como um “campo de matéria”, uma vez que não é possível determinar com absoluta certeza a posição de uma partícula quântica.

A partir do desenvolvimento da equação de Schroedinger, passamos a entender que todas as partículas são completamente caracterizadas por uma função de onda, que nada mais é do que uma expressão matemática que carrega consigo toda a informação que pode ser extraída daquela partícula.

Antes de observarmos um sistema quântico, suas informações são indeterminadas, depois de observadas, é possível localizá-las e medi-las, nesse caso, dizemos que sua função de onda sofreu um colapso, apresentando-se em um de seus possíveis estados. Em outras palavras, o que determina se uma entidade quântica é uma onda ou uma partícula é o próprio ato da observação, pois é possível que se realize um experimento e se observe um comportamento corpuscular e um outro experimento revele um comportamento ondulatório – tudo graças às probabilidades da física quântica.

Por Rafael Helerbrock
Professor de Física