Física Moderna

O que é Física Moderna?

Física Moderna designa as novas concepções da Física desenvolvidas durante as três primeiras décadas do século XX, as quais resultaram das proposições teóricas dos físicos Albert Einstein e Max Planck. Após o surgimento da teoria da relatividade de Einstein e da quantização das ondas eletromagnéticas, esse novo campo de estudo surgiu, ampliando os limitados horizontes da Física Clássica.

Mais abrangente que a Física Clássica, a Física Moderna é capaz de explicar fenômenos de escalas muito pequenas (atômicas e subatômicas) e de altíssimas velocidades, muito próximas à velocidade da luz. Os físicos do século XX perceberam que o conhecimento vigente não era suficiente para explicar fenômenos como o efeito fotoelétrico ou a radiação de corpo negro. Dessa forma, diversas hipóteses começaram a ser levantadas sobre a natureza da luz e da matéria e sobre a interação entre elas.

Importantes descobertas da Física Moderna

Diversos experimentos marcaram a história e o desenvolvimento da Física Moderna. Entre eles, podemos citar aqueles que nos forneceram uma compreensão mais profunda sobre a estrutura da matéria e dos átomos e também sobre a natureza da luz. confira alguns exemplos dessas importantes descobertas que marcaram o começo da Física Moderna:

• Em 1895, Wilhem Röntgen descobriu a existência dos raios X, um tipo invisível de radiação extremamente penetrante.

• Em 1896, Antoine Becquerel descobriu a existência da radioatividade.

• Alguns anos mais tarde, em 1900, o físico alemão Max Planck propôs que a energia carregada pelo campo eletromagnético apresentava valores quantizados, múltiplos inteiros de uma quantidade mínima e constante.

• Em 1905, por meio da sua teoria da relatividade, Albert Einstein mostrou que referenciais que se movem com velocidades muito altas, próximas à velocidade de propagação da luz, experimentam a passagem do tempo e a medida das distâncias de maneiras distintas.

• Em 1913, Niels Bohr propôs que os níveis de energia dos elétrons espalhados ao redor dos núcleos atômicos são quantizados, isto é, sua energia é dada por um múltiplo inteiro de um valor mínimo.

• Em 1924, a dualidade onda-partícula, estabelecida pelo físico Louis De'Broglie, mostrou que qualquer corpo pode comportar-se como uma onda.

• Em 1926, surgiu a Mecânica Quântica, resultado do trabalho de físicos como Werner Heisenberg e Erwin Schröedinger.

Em outras palavras, a Física Moderna conseguiu explorar a natureza do mundo microscópico e as grandes velocidades relativísticas, fornecendo valiosas explicações para diversos fenômenos físicos que eram, até então, incompreendidos.

Marcos da Física Moderna

→ Teoria atomística

A teoria atomística originou-se entre pensadores gregos como Tales de Mileto e os atomistas Demócrito e Leucipo. Para esses pensadores, a matéria era constituída por partículas menores, indestrutíveis e indivisíveis, as quais foram chamadas de átomos.

A teoria atomística ganhou forças graças aos diferentes modelos atômicos propostos ao longo dos estudos físicos. Veja abaixo alguns importantes cientistas e suas teorias atômicas:

• John Dalton: acreditava que os átomos eram maciços e indivisíveis e que as substâncias eram formadas por combinações atômicas de diferentes proporções.

• J. J. Thomson: segundo esse cientista, os elétrons, que possuem carga elétrica negativa, encontravam-se espalhados na superfície de uma carga positiva.

• Ernest Rutherford: para Rutherford, os átomos possuíam uma carga elétrica positiva concentrada em uma região extremamente densa e reduzida, chamada de núcleo atômico.

• Niels Bohr: de acordo com o modelo de Bohr, os elétrons estavam localizados em torno dos núcleos atômicos com energia quantizada, ou seja, ocupavam somente níveis específicos de energia, os quais eram múltiplos de uma quantidade menor.

Veja também: Modelos atômicos

A concepção atual sobre o que são átomos teve várias contribuições ao longo da história, passando por diversas mudanças. Algumas das propostas mais importantes para nosso entendimento sobre os átomos e a matéria partiram de físicos como De'Broglie, Heisenberg e Schröedinger. Confira:

• Louis De'Broglie: propôs a existência das ondas de matéria, propriedade que explica o comportamento dual dos elétrons.

• Werner Heinsenberg: propôs o princípio da incerteza, indicando que não seria possível determinar, simultaneamente e com total precisão, a posição e a quantidade de movimentos das partículas quânticas.

• Erwin Schröedinger: por meio de sua equação, conseguiu determinar as regiões mais prováveis de se encontrar um elétron em volta do núcleo atômico.

Veja também: O nascimento da Mecânica Quântica

→ Radiação de corpo negro

Para a Física, é classificado como corpo negro qualquer corpo capaz de absorver toda a radiação incidente sobre ele, reemitindo-a em forma de radiação térmica, de acordo com sua temperatura.

O problema sobre radiação de corpo negro era uma das principais perguntas abertas da Física no início do século XX. Por meio da hipótese da quantização da energia das ondas eletromagnéticas emitidas pelos corpos negros, o física alemão Max Planck apresentou a solução desse problema.

→ Experimento da gota de óleo

O experimento da gota de óleo, realizado pelo físico Robert Andrews Millikan, foi capaz de determinar a ordem de grandeza da carga elétrica dos elétrons. O aparato utilizado nessa experiência era constituído por um borrifador, que espirrava gotículas de óleo entre duas placas dispostas eletricamente carregadas na direção vertical, de forma que as gotículas ficassem estáticas no ar. Até a realização desse experimento, não se conhecia a carga dos elétrons, apenas a razão entre sua carga e sua massa.

Veja também: A descoberta do elétron

→ Experimento de Franck-Hertz

O experimento de Franck-Hertz validou o modelo atômico proposto por Niels Bohr. Esse experimento mostrou que só é possível excitar os átomos de um gás a partir de níveis específicos de energia, assim como previa a quantização dos níveis de energia, proposta por Bohr.

→ Experimento de Rutherford

O famoso experimento de Rutherford foi, na verdade, realizado por dois de seus alunos, Hans Geiger e Ernest Mardsen. Nesse experimento, uma fina folha de ouro era bombardeada por partículas alfa (núcleos de átomos de hélio) em alta velocidade. Percebeu-se que, após a colisão, os ângulos de algumas dessas partículas variavam muito. Além disso, em alguns casos, havia ricocheteamento das partículas alfa, o que sugeria a existência de núcleos atômicos pesados e extremamente densos.

→ Descoberta das lentes gravitacionais

O fenômeno da lente gravitacional ocorre em virtude da distorção do espaço-tempo exercida por grandes massas, como as de estrelas e planetas. De acordo com a relatividade geral, proposta por Albert Einstein, a gravidade exercida por corpos massivos é resultado da deformação no relevo do espaço-tempo. Como decorrência, ao se propagar pelo espaço-tempo deformado, a luz sofreria um desvio.

Esse fenômeno foi observado por astrônomos por meio de medidas da duração do eclipse solar total ocorrido em 1919. As medições foram realizadas simultaneamente na cidade de Sobral, localizada no estado do Ceará, e em São Tomé e Príncipe.

Veja também: Einstein e o Ceará

→ Experimento de Michelson-Morley

O experimento de Michelson-Morley provou que as ondas eletromagnéticas são capazes de propagarem-se no próprio vácuo, logo, não precisam de um meio para isso. Para comprovar essa propriedade, os pesquisadores Albert Michelson e Edward Morley utilizaram um grande interferômetro (dispositivo utilizado para investigar a interferência da luz) mergulhado em uma piscina preenchida com mercúrio. Dessa forma, seriam evitadas vibrações de qualquer natureza, capazes de afetar a medida extremamente sensível.

No experimento em questão, mediu-se o tempo para a luz ser refletida por espelhos precisamente alinhados. Se a Terra desloca-se no meio em que a luz se propaga, deveriam ser observados pequenos desvios nos feixes refletidos, o que não ocorreu. Assim, os pesquisadores comprovaram a teoria proposta.

→ Efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico era um fenômeno sem uma explicação satisfatória até os estudos desenvolvidos por Albert Einstein. Por conseguir explicar esse efeito, Einstein foi laureado com um Nobel de Física. Por meio da ideia de Max Planck, Albert Einstein ampliou a teoria de quantização de energia da radiação de corpo negro para qualquer tipo de radiação, firmando, assim, a noção de dualidade onda-partícula.

Relatividade geral

A relatividade geral é uma generalização da teoria da relatividade especial, também desenvolvida pelo físico alemão Albert Einstein. Segundo essa teoria, corpos massivos, como planetas e estrelas, são capazes de deformar a tecitura, ou o relevo, do espaço-tempo. Essa deformação, por sua vez, dá origem à gravidade.

A gravidade das estrelas e dos planetas deforma o espaço-tempo, dando origem à gravidade.

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*Créditos da imagem: Benjamin Couprie, Institut International de Physique de Solvay / Wikimedia Commons.

Por Me.Rafael Helerbrock