Thread by @funcaodeonda

A dualidade onda-partícula é um dos fenômenos quânticos mais peculiares. A mecânica quântica se compromete a descrever partículas bem pequenas, mas o quão pequenas elas precisam ser para apresentar um comportamento quântico? Bem, vamos tentar ter uma ideia... (1/n). #QuímThreadBr

A física clássica é formada por duas entidades distintas: partículas e ondas. Partículas são pedacinhos de matéria que podem ser descritas conhecendo sua posição e seu momento. Já ondas podem ser pensadas como perturbações que se propagam no espaço e são descritas por uma função.

Um grande critério prático para definir o que são ondas e o que são partículas são os fenômenos físicos. Ondas, por exemplo, dão origem ao fenômeno de interferência, muito bem conhecido pelo seu padrão de franjas (claras e escuras).

Esse critério é tão forte para caracterização dos entes físicos que foi capaz de desbancar Newton. Isaac Newton acreditava que a luz era formada por partículas, enquanto outros como Huygens acreditava que a luz era uma onda.

Quando em 1801 Thomas Young mostrou que a luz apresentava padrões de interferência no famoso experimento da dupla fenda, a discussão da natureza da luz foi dada como encerrada.

Em 1887, Heinrich Hertz descobriu que a luz ultravioleta ejetava elétrons ao atingir um metal. Mas, segundo física clássica a intensidade da luz que deveria fazer com que os elétrons saíssem, e a frequência só aumentaria a corrente detectava. Só que ele observou foi o oposto.

Até 1905 ninguém conseguia explicar esse resultado, mas Einstein (que não ganhou o Nobel atoa) resolveu o problema de forma inédita. Ele tratou a luz como uma partícula com energia proporcional a frequência. Essa partícula de luz veio a ser chamada de fóton pouco depois.

Mas se a luz pode se comportar como partícula de vez em quando, será que uma partícula como o elétron pode se comportar como onda uma vez ou outra também? Foi o que de Broglie conjecturou e chegou numa equação para isso.

A equação de de Broglie relaciona um comprimento de onda (típico de ondas rs) e o momento linear (típico de partículas).

Em 1927, Davisson e Germer confirmaram a hipótese de de Broglie obtendo padrões de interferência para elétrons (abaixo). O elétron foi a primeira partícula elementar descoberta, por isso ao se comportar também como uma onda foi algo impressionante, mas coisas são pararam por aí.

Em 1932, Stern obteve resultados similares verificando a interferência entre as "ondas" associadas à átomos de hélio (He) e moléculas de hidrogênio (H2).

Contudo, a curiosidade humana é algo respeitável. Mais recentemente, experimentos similares foram feitos para moléculas cada vez maiores, como para o fulereno (C60) em 1999 e o mesmo padrão foi visto.

Em 2020, a dualidade entre onda e matéria foi reportada para um polipeptídio (uma proteína de pequeno porte) na Nature, a massa dessa molécula é cerca de 3,5 milhões de vezes maior que a do elétron.

Vale ressaltar que conforme as partículas vão ficando maiores, os efeitos quânticos são cada vez menores, e, por isso, os instrumentos de medida precisam de uma sensibilidade também maior.

Isso tem a ver com o fato de que pela equação de de Broglie quando maior for a massa da partícula, menor será seu comprimento de onda associado. Isso faz com que o padrão de interferência se torne cada vez mais denso até enfim se comportar como uma partícula clássica.

Por fim, vale ressaltar que isso reflete o que Bohr chamou de Princípio da Correspondência, onde esse aumento da massa faz com que as partículas deixem de ser quânticas e passem a ter um comportamento clássico. Assim, no limite, a física quântica converge para física clássica.

Fechou então, qualquer pergunta ou comentário é só mandar.

Refs.: [1] LEVINE, Ira N.; BUSCH, Daryle H.; SHULL, Harrison. Quantum chemistry. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall, 2009. [2] SHANKAR, Ramamurti. Principles of quantum mechanics. Springer Science & Business Media, 2012.

[3] FEYNMAN, Richard P.; LEIGHTON, Robert B.; SANDS, Matthew. The Feynman lectures on physics, Vol. I: The new millennium edition: mainly mechanics, radiation, and heat. Basic books, 2011. [4] ARNDT, Markus et al. Wave–particle duality of C60 molecules. nature, v. 401, n. 6754.

[5] DAVISSON, Clinton Joseph; GERMER, Lester Halbert. Reflection of Electrons by a Crystal of Nickel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, v. 14, n. 4, p. 317, 1928.

Imagens retiradas de: [1]en.wikipedia.org/wiki/Wave%E2%8… [2]courses.lumenlearning.com/physics/chapte…. [3] preparaenem.com/fisica/efeito-…. [4] en.wikipedia.org/wiki/Fullerene.

Os padrões de interferência eu tirei dos artigos originais pra mostrar como eles mudaram com o tempo.

Curiosidade 1: J.J. Thomson ganhou o prêmio Nobel em Física de 1906 por descobrir o elétron como partícula usando os tubos de raios catódicos. Seu filho, G. P. Thomson ganhou o Nobel de Física de 1937 por mostrar o comportamento ondulatório dos elétrons pela difração.

Curiosidade 2: Não existe uma diferença clara e precisa entre os fenômenos de interferência e difração (vide Feynman).