Conceitos básicos de Física Quântica VI

Estrutura de orbitais atômicos no átomo de hidrogênio obtidos por meio direto, exibindo a existência de núvens de concentração eletrônica em torno do núcleo. (1)

Toda a matéria se origina e existe somente em virtude de uma força 

que agrupa as partículas de um átomo em vibração 

e as mantém juntas como se fosse um sistema solar em miniatura. 

Devemos assumir como causa dessa força uma mente consciente e inteligente. 

A mente é a matriz de toda a matéria. Max Planck.

Um átomo e seus vários estados

É comum representações pictóricas do átomo - conhecido como unidade fundamental da matéria - na forma de um "mini sistema solar", com um núcleo e partículas elétricas - os elétrons - girando em torno dele em órbitas bem definidas. Essa representação é reconhecida como símbolo universal e está representado na Fig. 1.

Há inúmeras referências na web sobre esse 'modelo atômico'. É um modelo porque seu objetivo é representar os elementos principais do átomo (até suas posições relativas), sem compromisso de ser uma imagem exata da realidade.

De fato, desenvolvimentos em física quântica mostraram que essa 'visão exata' da realidade, no que diz respeito à realidade atômica, não pode ser obtida. Para ver de uma maneira simples como isso é impossível, basta que você considere o processo de 'observação' de uma coisa. Observar algo é, antes de tudo, jogar luz no objeto a ser observado, sem o que é impossível apreciar suas formas, cores e profundidade. Mas, o que acontece ao se jogar luz em um objeto microscópico como um elétron?

Um elétron é uma partícula fundamental da Natureza. Tem uma massa muito pequena (da ordem de 10E-31 kg, ou seja, precisamos de 31 zeros depois da vírgula para registrar a primeira casa significativa de massa). Ao se tentar iluminar um átomo para poder observar o elétron, a intensidade da luz - por menor que seja - poderá destruir completamente o que se pretende ver. No reino quântico, isso também depende de uma série de fatores tais com o a frequência da luz que se joga. Se ela tiver uma frequência determinada abaixo do que é chamado 'limite de ionização' do átomo, a luz será espalhada de forma que será impossível formar qualquer imagem do átomo. Se estiver acima desse limite, o resultado será a destruição do estado atômico original (2). Portanto, é impossível determinar diretamente a forma dos átomos, pelo menos por processos conhecidos tradicionalmente e que se aplicam ao nosso mundo 'macroscópico' (3).

Estados atômicos.

Fig. 1 Representação um átomo 

com seu núcleo e elétrons em órbitas bem 

definidas.  

Além de ter massa, o elétron também tem outra propriedade fundamental chamada carga elétrica. Por convenção, essa carga tem sinal negativo e é muito pequena (da ordem de 10E-19 Coulomb). Embora seja pequena, é carga suficiente para gerar boa parte dos fenômenos do mundo em que vivemos. 

Acontece que partículas carregadas em movimento acelerado acabam por perder energia. Essa energia - presente na partícula em seu estado de movimento original - acaba sendo perdida de uma forma inusitada: a partícula emite radiação eletromagnética. Como, na Natureza, energia não pode ser destruída, essa energia vai embora com a radiação que é emitida. 

Agora, imagine um elétron a girar indefinidamente em torno do núcleo do átomo. Para simplificar, imaginamos um núcleo de hidrogênio (ou seja, somente um elétron se faz necessário na 'eletrosfera' do átomo). Ao se aproximar do núcleo, o elétron está acelerado. Ele sofre influência da força elétrica advinda de uma carga de sinal oposto no núcleo. Mas, mesmo assim, por que, no caso do elétron no átomo, estando ele acelerado, o átomo não perde energia? Esse foi uma dos problemas fundamentais que motivou a revolução da física quântica.

De fato, em todos os átomos, os elétrons estão constantemente em movimento e, mesmo assim, a matéria é bastante estável, não há "perda de energia" por emissão de aceleração. Como isso é possível? Além disso, uma vez que elétrons e núcleo tem cargas que se atraem, como é possível que eles não terminem grudados uns aos outros?

Um mecanismo que é frequentemente invocado para explicar de forma qualitativa esse processo de "estabilização" é o princípio de incerteza. Esse princípio cria um limite para o estado de movimento e posição de uma partícula pela física quântica. Ao determinarmos com precisão sua posição, será impossível conhecer sua velocidade (ou, mais especificamente, quantidade de movimento). Ao se determinar com precisão o seu movimento, será impossível saber sua posição. Assim, se o elétron perde energia e se aproxima do núcleo, o crescente aumento de determinação em sua posição faz com que seu momento aumente consideravelmente, o que o afasta novamente do núcleo. Nas palavras de R. Feynman (4):

A resposta tem a ver com efeitos quânticos. Se tentarmos confinar nossos elétrons em uma região que é muito próxima dos prótons, então, de acordo com o princípio de incerteza, eles deverão apresentar algum momento médio quadrático que será tanto maior quanto mais tentarmos confiná-los. É esse movimento, exigido pelas leis da mecânica quântica, que evita que a atração elétrica aproxime ainda mais as cargas. 

Portanto, o que acontece ao redor do núcleo não é a configuração de cargas em órbitas estáveis (como sugere imagens como a da Fig. 1), mas o estabelecimento de um estado atômico sem emissão alguma de energia.

Mas, é um estado de quê? Trata-se do estado de probabilidade de se encontrar elétrons ao redor do núcleo. Esses estados têm energia muito bem definida e conferem uma estabilidade extraordinária à matéria. Não podemos nos esquecer que a principal propriedade da matéria quântica é seu caráter ondulatório. Esse caráter era, no começo, apenas associado à luz e à radiação, mas a principal contribuição da física quântica foi demonstrar que, mesmo a matéria mais dura que se conhece, também se comporta como uma onda.

Fig. 2

Uma maneira de compreender como esses estados poderiam ser formados foi feita pelos pais da física quântica ao tentarem curvar ou fechar uma onda ao redor do centro atômico (Fig. 2). Como o elétron tem uma onda associada, então, buscou-se saber quais seriam as condições necessárias para que uma onda eletrônica se 'fechasse' completamente ao redor do núcleo como mostrado. Essas condições dão origem aos estados de energia bem definidos dos elétrons porque somente ocorrerá o 'fechamento' da onda para determinadas frequências.

Podemos entender os estados atômicos como se fossem "ressonâncias" nas ondas de probabilidade dos elétrons ao redor do núcleo atômico. Lei rigorosas proíbem, portanto, que energia seja perdida nesses estados de forma espontânea (embora existe sempre uma chance de, espontaneamente, ocorrer uma perda; ela é muito pequena no nível quântico), o que resulta em grande estabilidade para a matéria ordinária. 

Referências e notas

(1) Uma imagem  de um estado quântico do átomo de hidrogênio recentemente obtida para determinada condições especiais:

• http://pipeline.corante.com/archives/2013/05/29/the_hydrogen_wave_function_imaged.php

(2) Se for um valor exato, poderá causar uma transição de estado (chamado de 'excitação atômica'). Se for excessiva, poderá causar ionização do átomo que é o afastamento do elétron de seu núcleo.

(3) No caso do 'mundo macroscópico', os objetos são formados por muitas quantidades de átomos. Luz tem efeito desprezível sobre esse grande agrupamento de partículas e é, portanto, espalhada de tal forma que os contornos dos objeto podem ser vistos, mas nunca detalhes até a escala atômica. De fato, podemos ver muitos detalhes microscópicos de objetos, mas até o nível em que efeitos quânticos não são importantes.

(4) Ver: http://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_01.html