Aula 23-Prática de Ensino em Ciência da Natureza II- Introdução a Mecânica Quântica, professor Rafael, mesta sexta, 26

 Aula 23-Prática de Ensino em Ciência da Natureza II- Introdução a Mecância quântica 

Física Clássica-É tudo aquilo que aconteceu na Física até o final do século XIX. A teoria cinemática de Galileu (morreu em 1643, ano em que nasceu Isaac Newton).  As leis de Newton, modelo determinístico: 1a. lei) lei da inércia, 2a. lei) princípio fundamental da dinâmica, 3a. lei) ação e reação. Teoria de unificação do eletromagnetismo e ótica, por Maxwell, publicada  em 1865. Esta foi comprovada no laboratório por Hertz, no final século XIX, que detectou as ondas de rádio.  

Física Moderna: é tudo aquilo que aconteceu na Física a partir do início do século XX. 

Os primordios da Mecânica quântica

- Hipótese de Planck da Radiação do Corpo Negro, 1900.

- Os cinco trabalhos fenomenais do pai da Física Moderna: Albert Einstein, quando tinha 26 anos, graduado em Bacharelado em Física,  e trabalhava em um escritório de patente, em 1905. Ele ganhou o prêmio nobel da Física em 1921 com o trabalho que explicava o efeito fotoelétrico. Hoje, em dia, quem tem uma celular no bolso está operando com uma célula fotoelétrica.

Os cinco trabalhos de Einstein em 1905.

1) Relatividade especial
2) Movimento Brawniano, movimento aleatório das moléculas em um gás.

3) Efeito Fotelétrico,  acontece, por exemplo,  quando a luz ultravioleta incide sobre a superfície metálica porque possui frequência 𝝂 muito alta. A energia do fóton é dada por E=h𝝂, com h sendo a constante de Planck com dimensão de energia multiplicada pelo tempo.

O efeito fotoelétrico não depende da intensidade da radiação e sim da frequência  𝝂 do fóton incidente no metal.

Esta equação do efeito Fotoelétrico é uma consequência da lei de conservação da energia-A energia do fóton incidente é igual a função trabalho W adicionada da energia cinética do elétron ejetado.

4) Energia é massa e vice-versa, E=Mc², por Einstein,  sendo c=300.000 km/s, a velocidade da luz no vácuo e M a massa de repouso.

5) Tamanhos das moléculas em sua tese de doutorado.

Outras descobertas do século XX.

- Modelo atômico de Rutheford e equipe, em 1911

- Descoberta do Próton por Rutheford, em 1919

- Quantização de Bohr, órbitas estacionárias,  em 1913.
- Onda de Matéria de Louis de Broglie,  1923.

- Equação da onda de matéria, por  Schrödinger, 1926, modelo probabilístico.

- Interpretação probabilística da onda de matéria, por Born, 1927. 
- Princípio de Incerteza  de Heisenberg, 1927.

Enquanto a Física clássica é uma teoria determinista completa, para descrever os fenômenos da Natureza visto a olho nu,  a Física moderna é uma teoria probabilística em aberto, que governa o mundo invisível das moléculas, átomos, elétron, próton s e Newton. 

Em síntese, os eventos que culminaram com a criação da Mecânica Quântica (MQ) foram os seguintes: 
1900- Planck. Hipótese quântica da radiação do corpo negro.
1905- Einstein. Efeito foto-elétrico.
1913- Bohr. Teoria Quântica do espectro do átomo de hidrogênio.
1922- Compton. Espalhamento de fótons ao se chocar com elétrons.

1924- Louis de Broglie.   Tese de doutorado: Hipótese de ondas de matéria. 
1925- Pauli. Princípio de exclusão para férmions. 

1926 - Erwin Schrödinger. Equação de onda para a partícula de De Broglie.
1927- Wener Heisenberg.  Relação de incerteza.
1927- Davison e Germer.  Experimento sobre as propriedades ondulatória de elétrons.
1927 - Born. Interpretação Física da função de onda

A supersimetria(SUSY) em teoria de campos é uma transformação que relaciona os dois grupos de partículas bosônicas de spin inteiro  e fermiônicas de spin semi-inteiro.  A mecânica quântica supersimétrica começou com o trabalho de Witten(1981), introduzindo uma representação das supercargas que fornece o operador Hamiltoniano da equação de Schrödinger. 

No vídeo abaixo, o professor Rafael  destacou também a importância da contribuição de Maxwell em perceber que a lei de Ampere estava incompleta, faltando o termo com o campo elétrico dependente do tempo, que é denominado de corrente deslocamento de Maxwell, resultando na espetacular teoria de unificação da eletricidade, magnetismo e óptica, denominada de equações do eletromagnetismo ou teoria eletromagnética. 

As quatro equações hoje são denominadas de equações de Maxwell(1865). Com a contribuição de Maxwell, ambos campos elétrico e magnético passaram a satisfazer a equação de onda. A comprovação  da luz sendo uma onda eletromagnética se propagando com a velocidade no vácuo de c=300.000km/s, ocorreu com a medida das ondas de rádio em laboratório por Hertz, no final do Século XIX. 

Do ponto de vista da Física quântica, a partícula bosônica mediadora da interação eletromagnética é o Fóton de spin 1.

Veja o vídeo.

Minicurso 7

Simetria Dinâmica de Sistemas Quânticos.

Prof. Dr. Rafael de Lima Rodrigues. (UFCG/CUITÉ)

Sala: 308 (CA1)NOITE

Local: Auditório do CFP

Mesa Redonda

Saberes da Física: Transversalizando Teorias e Práticas.

Prof. Dr. Rafael Alves de Oliveira (UFRPE)

Profª. Drª. Analine Pinto Valeriano Bandeira (IFPB)

Mediador: Prof. Msc. Gustavo de Alencar Figueiredo

(professor da Escola Técnica de Enfermagem do CFP-UFCG)

Mais informações da programação completa na página do evento.

https://semanafisicacfp.wixsite.com/semanafisicacfp/cronograma

Um pouco sobre a Teoria ondulatória para a Partícula 

 O Francês Louis de Broglie propôs, em sua tese de doutorado, em 1923, que assim como a Luz se propagando se comporta como uma onda e quando interage com a matéria se comporta como se fosse composta de partícula(Fóton, no efeito fotoelétrico),  uma partícula poderia ter um comprimento de onda, dado por 

λ=h/p, 

sendo h a constante de Planck, 

 p=mv, 

massa vezes a velocidade, denominado de momento linear ou quantidade de movimento.

A ideia de De Broglie foi  a seguinte. Assim como existe a dualidade onda-partícula para a Luz, na Natureza pode existir uma partícula com as propriedade de interferência e difração, tendo um comprimento de onda igual a  constante de Planck(h) dividida pelo momento linear (p=mv).

Equação de Schrödinger independente do tempo: o operador hamiltoniano reproduz a função de onda. Na linguagem de álgebra linear sendo denominada de equação de autovalor. 

H 𝝍_n=E_n 𝝍_n,                                                 n=0, 1, 2, 3, ...,    

com a letra Grega psi 𝝍_n sendo as autofunções de energia e E_n são os autovalores de energia do n-ésimo nível excitado. A MQ é uma teoria probabilística, você mede os valores esperados(valores médio) dos observáveis.

Em 1927,  Born deu a  interpretação correta da solução da equação de Schrödinger, a amplitude de  probabilidade, denominada  de função de onda 𝝍_n:

|𝝍|² , o módulo ao quadrado da solução da equação de Schrödinger  é a densidade de probabilidade de encontrar a partícula entre x e x+dx, no caso unidimensional. Significa que se fizermos a integral de menos o infinito a mais o infinito, é a certeza de encontrar a particula e o resultado da integral será um.  Mais informações na primeira aula de MQ, ministrada pelo professor Rafael,

https://rafaelrag.blogspot.com/2021/11/ufcg-20211-aula-01-veja-como-foi.html

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