A dualidade onda-partícula é uma das grandes características que marca a mecânica quântica. Decerto, dentre as diversas estranhezas da mecânica quântica a noção e interpretação que nos leva a considerar a dualidade onda-partícula é uma das maiores dessas particularidades. Todavia, essa dualidade é um dos pontos principais que nãos ó marcam a física quântica como também é um dos pilares para as explicações corretas e precisas sobre o funcionamento do mundo microscópico.
Nesse sentido, hoje nós da MeuGuru trazemos esse artigo com as explicações fundamentais sobre o que seria a dualidade partícula-onda/onda-partícula que é essencial na mecânica quântica. Então, nesse texto vamos relembrar um pouco das peculiaridades do mundo quântico e posteriormente seguiremos as contribuições do físico de Broglie as quais culminaram no estabelecimento das ondas de matéria e do momento de de Broglie.
As estranhezas do mundo quântica
Certamente, a mecânica quântica é um dos ramos da física, e da ciência como um todo, que desafia as noções intuitivas da experiência cotidiana. Com efeito, são muitos os fenômenos que podemos citar que corroboram com isso, por exemplo: Tunelamento quântico.
Entretanto, por vezes, essas peculiaridades advindas do mundo microscópico na escala quântica parecem ser necessárias para o correto entendimento da mecânica quântica. Assim, vários cientistas buscaram romper suas noções empíricas para a obtenção de novas noções e interpretações sobre esse ramo da física. Em particular, podemos citar aqui as contribuições de Schrödinger, especialmente sobre as noções de superposição quântica que foram concebidas pelo físico e explicadas com auxílio do experimento mental do gato de Schrödinger.
Entretanto, no início da mecânica quântica essas noções contraintuitivas que aparecem já bem estabelecidas nos livros didáticos ainda estavam sendo construidas. Nesse contexto, emerge a particularidade das ondas de matéria e a dualidade onda-partícula a qual concebe uma nova interpretação das noções que caracterizam ondas e matérias na natureza. Com efeito, esses estudos foram inicialmente desenvolvidos na tese de doutoramento do físico Louis de Broglie.
Os estudos de Louis de Broglie
Decerto, Louis de Broglie foi um físico francês que nasceu em Dieppe, França, no dia 15 de agosto de 1892, e faleceu em Louveciennes, França, em 19 de março de 1987. Com efeito, o de Broglie é conhecido na história da física por ter feito grandes contribuições para o desenvolvimento da mecânica quântica em particular na descrição do caráter dual da matéria.
Com relação aos seus estudos, de Broglie concluiu seu doutoramento em física teórica em 1924 na universidade de Paris. Certamente, esse seu trabalho é um dos memoráveis marcos históricos na física uma vez que foi aqui onde o físico explorou a contradição entre a física clássica e o comportamento ondulatório da matéria. Então, a partir disso, a proposta da sua tese buscou afirmar que a partículas como elétrons e objetos subatômicos teriam caráter ondulatório.
A inspiração dos estudos de Louis de Broglie: O caráter ondulatório e massivo da radiação
Com efeito, a tese original de Louis de Broglie possui uma forte inspiração nos trabalhos de Einstein e Planck sobre o efeito fotoelétrico. De fato, o efeito fotoelétrico que consiste na emissão de radiação em uma placa metálica devido a incidência de luz sobre a placa fora explicada com base na hipótese do quanta. Decerto, Einstein foi responsável por propor que a composição da luz seria dada por pacotes de luz, de fato, essa hipótese reflete nos leva a evidência do caráter massivo (corpuscular) da luz.
Por outro lado, há outros experimentos que refletem o caráter ondulatório da luz. De fato, um desses experimentos é o experimento da fenda dupla de Young o qual revela que a luz ao passar por uma fenda sofre o fenômeno de difração o qual é característico de ondas.
A tese de Broglie para a dualidade onda-partícula
Então, tendo em vista que a luz que é um dos entes fundamentais da física deveria ter um caráter dual, isto é, poderia se comportar tanto como luz quanto como partícula Louis de Broglie buscou solucionar tal questão em seus estudos. Certamente, a ideia que permeia o trabalho do físico perpassa o sentido de não apenas sanar esse problema com relação a luz como também estender a noção de dualidade onda-partícula para todos os corpos. Nesse sentido, exploraremos na seção seguinte a proposta de de Broglie.
O fenômeno da Dualidade onda-partícula
Então, uma vez que já entendemos a motivação por trás dos estudos de de Broglie, podemos então ir direto a sua hipótese. Com efeito, essa hipótese, conhecida como princípio da dualidade onda-partícula, afirmava que partículas subatômicas exibem comportamento de onda e partícula em diferentes circunstâncias experimentais.
Ademais, não apenas partículas subatômicas teriam tal comportamento mas também partículas macroscópicas. Entretanto, esse comportamento ondulatório seria suficientemente pequeno de tal modo que não seria perceptível a nós que nossos corpos teriam esse comportamento. Assim, cada partícula teria uma onda de matéria ou onda de de Broglie associada a ela mesma cujo comprimento de onda seria associado ao seu momento linear.
O momento de de Broglie e a Dualidade onda-partícula
O momento de De Broglie é uma propriedade associada a partículas subatômicas que exibem comportamento ondulatório, conforme proposto pelo físico Louis de Broglie. Segundo sua hipótese da dualidade onda-partícula, todas as partículas, como elétrons, prótons e átomos, possuem uma natureza tanto de partícula quanto de onda.
De acordo com a teoria de De Broglie, cada partícula tem associada uma onda de matéria, chamada de onda de De Broglie, cujo comprimento de onda está relacionado ao momento linear da partícula. O momento de De Broglie, simbolizado por λ (lambda), é calculado usando a equação:
onde λ é o comprimento de onda, h é a constante de Planck e p é o momento linear da partícula. De fato, uma vez que a constante de planck é suficientemente pequena a medida que realizarmos cálculos do momento linear p com valores esperados em escalas macroscópica veremos que o comprimento de onda lambda obtido pela relação acima é suficientemente pequeno tanto quanto se queira e logo sequer seria perceptível que nossos corpos tivessem o comportamento ondulatório.
Essa equação expressa a relação inversa entre o comprimento de onda e o momento linear de uma partícula. Quanto maior o momento linear de uma partícula, menor será o comprimento de onda associado a ela. Isso significa que partículas com alta velocidade ou energia possuem um comprimento de onda menor, enquanto partículas com baixa velocidade ou energia têm um comprimento de onda maior.
O momento de De Broglie é uma característica fundamental da mecânica quântica e desempenha um papel importante em diversos fenômenos quânticos, como a difração de elétrons e a interferência quântica. Ele fornece uma descrição da natureza dual das partículas subatômicas, que podem exibir tanto propriedades de partículas quanto de ondas, dependendo do contexto experimental.
Referências
- STANFORD ENCYCLOPEDIA OF PHILOSOPHY. Dualidade Onda-Partícula. Disponível em: <https://plato.stanford.edu/entries/qt-dual/ ↗>. Acesso em: 30 ago. 2023.
- Com certeza! Aqui estão mais algumas referências de livros sobre a dualidade onda-partícula no estilo ABNT:
- DIRAC, P. A. M. The Principles of Quantum Mechanics. 4th ed. Oxford: Oxford University Press, 1958.
- BALL, Philip. Beyond Weird: Why Everything You Thought You Knew about Quantum Physics Is Different. Chicago: University of Chicago Press, 2018.
- GRIFFITHS, David J. Introduction to Quantum Mechanics. 2nd ed. New Jersey: Pearson Prentice Hall, 2004.
- EISBERG, Robert; RESNICK, Robert. Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles. 2nd ed. New York: Wiley, 1985.
- COHEN-TANNOUDJI, Claude; DIU, Bernard; LALOE, Franck. Quantum Mechanics. Vol. 1. Hoboken: Wiley-VCH, 2005.
