Fisica Moderna

O que hoje se denomina física moderna constitui essencialmente a física desenvolvida no início do século XX. Mais precisamente, nas três primeiras décadas do século passado. Do ponto de vista teórico todo o conhecimento produzido nesse período pode ser resumido em duas grandes linhas: a teoria da relatividade, proposta por Einstein, e a teoria quântica, iniciada com Max Planck. Do ponto de vista prático esse conhecimento resultou virtualmente em toda a tecnologia do final do século. Na verdade, toda a física moderna que será apresentada neste curso já foi incorporada à tecnologia.
Apesar de sua fundamental importância no contexto geral da física, a teoria da relatividade continua essencialmente restrita aos estudos teóricos, ou aos trabalhos experimentais extremamente sofisticados. Na área de física aplicada os efeitos relativísticos, quando possíveis, apresentam intensidades tão reduzidas que praticamente inviabilizam a detecção. Portanto, os conceitos da teoria da relatividade ficam um tanto deslocados num contexto em que se pretende enfocar as aplicações tecnológicas da física moderna, razão pela qual deixaremos de apresentar o capítulo correspondente a essa matéria. No entanto, os interessados podem acessar um material interessante sobre teoria da relatividade restrita disponível na web.
Na última década do século XIX dois temas de pesquisa despertavam grande interesse. Um era a tentativa de conciliar a mecânica Newtoniana e a termodinâmica, e o outro tratava-se das descargas elétricas nos gases rarefeitos. Trabalhando no primeiro tema, Planck chegou à famosa fórmula de energia E=hn, na qual surge a constante h, hoje conhecida como constante de Planck. Ao longo deste curso usaremos bastante esta constante.
Os estudos com os gases rarefeitos permitiram, entre outras coisas, a descoberta dos raios X (Wilhelm Roentgen, 1895), da radioatividade (Henri Becquerel e Madame Curie, 1896-1998) e do elétron (J.J. Thomson, 1897). Essas três descobertas, ao lado do trabalho de Planck, desencadearam o processo que originou a física moderna.
Já em 1905 Einstein usa as idéias de Planck para explicar o efeito fotoelétrico. Entre 1908 e 1911 Ernst Rutherford realiza os famosos experimentos que lhe permitiram sugerir que o átomo é constituído de um minúsculo núcleo, de carga positiva, rodeado por elétrons, os quais ocupam um espaço várias ordens de grandeza superior ao ocupado pelo núcleo. Em seguida, por volta de 1913, Niels Bohr propõe o modelo atômico que leva o seu nome, e que foi capaz de explicar as séries espectroscópicas do hidrogênio. O problema, percebido imediatamente, é que o modelo de Bohr é satisfatório apenas para o caso do átomo de hidrogênio. Uma alternativa razoável só veio à baila por volta de 1926, quando Erwin Schrödinger desenvolveu a equação que leva seu nome. A proposta de Schrödinger surge como conseqüência de alguns resultados experimentais (efeito fotoelétrico e efeito Compton) que levaram Louis de Broglie a propor, em 1924, a dualidade partícula-onda, isto é, dependendo das circunstâncias, um elétron, ou outra partícula, pode se comportar como partícula ou como onda.
A descoberta dos raios X e o modelo de Bohr foram de fundamental importância para o estabelecimento da tabela periódica como hoje a conhecemos.
Além disso, os raios X apresentam hoje inúmeras aplicações tecnológicas. Duas outras aplicações tecnológicas resultantes da física moderna merecem destaque: o laser e os semicondutores. Com o tempo que dispomos na disciplina FIS142, não é possível discutir todos os temas mencionados acima. Selecionamos os quatro que consideramos mais importantes: física nuclear, efeito fotoelétrico, modelo de Bohr e raios X.
Além disso, a ordem em que apresentamos a matéria não obedece a ordem cronológica das descobertas. Isso é devido ao fato de que as teorias vieram depois das descobertas dos fenômenos aqui tratados. Por outro lado, do ponto de vista pedagógico, sobretudo quando o tempo disponível é muito limitado, é mais conveniente apresentar a teoria antes de apresentar os fenômenos. Assim, de todos os fenômenos aqui apresentados, o primeiro a ser descoberto foi o raio X, em 1895, mas seu entendimento só foi possível depois do modelo de Bohr, em 1913. Já a radioatividade, que foi descoberta logo depois dos raios X, pode ser razoavelmente bem compreendida sem o auxílio do modelo de Bohr, embora um completo entendimento da física nuclear só seja possível com a mecânica quântica, que veio depois do modelo de Bohr.

Postado por: Alexandro Oliveira