O que é Quantum?

Fundo

A definição de quantum do Dicionário.com é “a menor quantidade de energia radiante, igual aos tempos constantes do Planck, a frequência da radiação associada”. Esta definição refere-se essencialmente à relação de Planck (E=hf) que foi definida pelo Max Planck. Mais tarde ele ganhou o prémio Nobel em 1918 pelo seu trabalho sobre quanta energia.

O que Planck descobriu foi que os fotões (incluindo a luz) são “feixes” de energia, como ele lhe chamou, e não uma onda contínua. Numerosos físicos se referiam a este feixe de energia como quanta (plural de quantum) no início dos anos 1900 e agora é comumente referido desta forma.

Quando os fótons viajam em ondas, eles são feixes discretos de energia – quantum. Quando um elétron está em órbita em torno de um átomo, ele é encontrado em níveis de energia quântica. O elétron só pode estar em órbitas especificadas (níveis de energia). Quando o elétron transita entre orbitais, é referido como um salto quântico. A relação entre o elétron em um átomo estar em níveis de energia quântica e o fóton ser pacotes quânticos de energia, não é surpreendente. A transição dos elétrons para órbitas inferiores é o que cria um fóton.

Explicação

Quantum é difícil de compreender porque a explicação atual do mundo subatômico é muito diferente do mundo maior do que o átomo. Atualmente acredita-se que o mundo quântico tem um conjunto diferente de regras no universo. Contudo, com uma ligeira mudança na nossa maneira de pensar, a ponte entre o mundo quântico e o mundo em que vemos torna-se aparente. Ambos vivem pelas mesmas regras da física.

Para mudar nossa maneira de pensar, precisamos considerar que o próton tem tanto uma carga atrativa quanto uma carga repelente. Os componentes do próton e como isso pode ocorrer é apresentado em uma página que explica o próton. Ainda é difícil de compreender, então uma analogia será usada para explicar quantum.

Imagine um secador de cabelo e uma bola de ping pong. O secador está em baixa velocidade e apontado para cima e uma bola de pingue-pongue é colocada na corrente de ar que sopra para cima. A bola de pingue-pongue vibra e depois se instala em posição no meio do ar. A bola de pingue-pongue é atraída para o chão pela força da gravidade, mas o ar forçado do secador mantém-na suspensa no ar. Esta experiência pode ser tentada em casa. Um exemplo é o seguinte…

Na analogia, a bola de ping-pong é um elétron em uma órbita ao redor de um único próton. O próton tem uma força atrativa (a gravidade da Terra, neste caso) e uma força repelente (ar forçado). O equívoco do próton e esta propriedade de ser atraente e repulsivo é o que leva à confusão do quantum.

Antes de explicar a teoria quântica usando a onda de energia, mais alguns cenários são fornecidos para a experiência da bola de pingue-pongue entender orbitais:

• Imagine a mesma experiência conduzida em um planeta mais pesado com gravidade mais forte. A bola de pingue-pongue estará mais próxima do secador quando ela se instalar na posição. Isto é o equivalente a mais prótons em um átomo.
• Imagine o mesmo experimento com o secador em ajuste alto (ao invés de ajuste baixo). O ar mais forte força a bola de ping pong mais para cima, mas existem apenas certas configurações no secador. Isto é o equivalente a mais prótons em alinhamento no átomo causando saltos orbitais.

li>Imagine o mesmo experimento com sopradores adicionais apontados para a bola de ping pong de outros ângulos e distâncias. Isso fará com que a bola de pingue-pongue tenha um novo local onde ela possa descansar. Isto é o equivalente de elétrons adicionais no átomo que têm forças repulsivas, mudando as distâncias orbitais.

Orbital Atômico – Níveis de Energia Quântica

Os cenários da bola de pingue-pongue são a melhor maneira de explicar as forças de um elétron em um átomo. Há provas suficientes deste modelo a partir da teoria das ondas de energia: 1) a estrutura do próton corresponde às experiências de decaimento beta, 2) as distâncias orbitais foram calculadas com precisão, e 3) as energias de ionização dos elétrons foram calculadas para os primeiros vinte elementos. Um exemplo do átomo e da força de atracção (F1) e força repulsiva (F2) é ilustrado abaixo. O ponto em que as forças são iguais torna-se um orbital. Cada orbital tem associado um nível de energia correspondente à força atrativa e elétrica do elétron a essa distância.

Orbital atômico

A explicação do próton resolve apenas uma parte do mistério quântico. Ela explica como um elétron permanece em órbita em torno de um próton quando ele não faz o mesmo com um positron. Explica como um átomo estável pode ter diferentes orbitais, dependendo da configuração do seu núcleo. Mas (ainda) não explicou o fotão.

Emissão de Fótons – Criando Energia Quântica

Energia é sempre conservada, mas muda de forma. Quando um elétron é capturado em um orbital mais próximo do núcleo atômico, ele vibra e cria uma onda transversal. Ele está transferindo a energia da onda longitudinal para a energia da onda transversal. O fóton é uma onda transversal. Quando é criado a partir de um electrão num átomo, é uma vibração de curta duração, tornando-se assim um pacote discreto (quântico) de energia de ondas transversais. Este é o fotão e as suas propriedades podem ser modeladas na teoria da onda de energia com uma equação de energia transversal, na qual a energia ganha é exactamente igual à energia perdida no cálculo utilizando a equação de energia longitudinal.

Um electrão pode ser capturado do exterior do átomo, ou pode mudar entre orbitais, tal como a ilustração abaixo. Mas como explicado na estrutura do próton no exemplo da bola de ping pong, existem distâncias específicas onde as forças serão zero que atuarão sobre o elétron, dependendo do número de prótons e da colocação de outros elétrons no átomo. Abaixo está um dos exemplos da criação do fóton a partir da vibração do elétron.

Absorção do Fóton – Absorção da Energia Quântica

A energia quântica do fóton também pode ser absorvida, convertendo a energia das ondas transversais de volta para a energia das ondas longitudinais. Os detalhes de como os fotões em frequências específicas são absorvidos por electrões são fornecidos na página de interacções dos fotões. Em resumo, as ondas transversais causam um giro mais rápido do elétron, aumentando a amplitude da onda longitudinal entre o núcleo. Isto força o elétron para longe do núcleo, mas eventualmente ele retorna ao estado de terra, pois o ganho de amplitude é temporário.

Quantum não deve ser um fenômeno misterioso que só se aplica a partículas subatômicas. Os níveis de energia são o resultado de múltiplas forças no átomo agindo sobre um elétron, e o movimento do elétron converte energia entre duas formas diferentes de onda: longitudinal e transversal.