Física Moderna I - Introdução

Lorde Kelvin

Física Moderna

• I - Introdução
• II - Teoria da Relatividade I
• III - Teoria da Relatividade II
• IV - Mecânica Quântica I (Radiação do Corpo Negro e Efeito Fotoelétrico)
• V - Mecânica Quântica II (Efeito Compton e Átomo de Bohr)

   História

   No século XIX, a maior parte da Física Clássica tinha se desenvolvido e já conseguia explicar muitos fenômenos. Lorde Kelvin (1824-1907) propôs que a Física estava chegando em um momento em que não existiam mais fenômenos a serem estudados. Segundo ele, a Física só precisava explicar dois fenômenos que ainda não possuíam explicação, que ficaram apelidados como as nuvens negras de Kelvin: a radiação do corpo negro e o éter, os quais falaremos adiante. Para Kelvin, quando estes fenômenos fossem explicados, a Física estaria completamente desenvolvida.

   No entanto, Kelvin se enganou. Esses problemas não puderam ser resolvidos com a Física Clássica, e uma nova teoria que abrangesse esses fenômenos (além dos fenômenos explicados pela Física Clássica) teve que ser criada. Daí o conceito de Física Moderna foi introduzido.

   Distinguimos então a Física Clássica da Física Moderna da seguinte maneira:

• Física Moderna: toda física desenvolvida a partir do século XX. Engloba a Teoria da Relatividade e a Mecânica Quântica.
• Física Clássica: toda física desenvolvida antes do século XX. Engloba todas as outras áreas (eletricidade, termodinâmica, mecânica Newtoniana...)

Problemas da Física Clássica

• Radiação do Corpo Negro

   Ao aquecer um corpo, naturalmente este emite radiação térmica. Essa radiação ocorre em qualquer temperatura, com exceção do zero absoluto (0 K). Quando a temperatura do corpo é maior que a temperatura externa, naturalmente este corpo emite mais radiação do que recebe, e quando sua temperatura é menor, ele recebe mais do que absorve. A radiação relaciona-se com a frequência de vibração, que por sua vez é função da temperatura

   Definimos corpo negro como um corpo que absorve toda a luz que recebe. Como ele não reflete nenhum raio de luz, não é possível determinar sua cor, e daí deriva o termo "corpo negro". O grande problema dos cientistas da época era determinar a equação da curva obtida experimentalmente da intensidade de radiação em função da frequência de vibração de um corpo negro. Veremos no módulo IV como esse problema foi resolvido.

• Éter

   Considere um vagão se movendo com velocidade constante v em relação a um referencial R. Dentro desse vagão há um referencial R', além de duas cargas, com uma delas (Q) em movimento (velocidade u, no mesmo sentido e direção do vagão) e outra em repouso (Q'), as duas em relação ao vagão (ou R'). Sabemos que uma carga em movimento produz campo magnético, e daí vem o problema.

   Analisemos segundo a Física Clássica: em relação a R, há duas cargas, com Q tendo velocidade v + u (já que u é em relação ao vagão), e Q' tendo velocidade v. Portanto, há força elétrica (podendo ser de repulsão ou atração, dependendo dos sinais da cargas) e força magnética. No entanto, se analisarmos o referencial R', observamos o seguinte: Q se move com velocidade u, porém Q' está em repouso. Sendo assim, R' só observa a atuação de força elétrica (já que F = B * q * v, e a velocidade de Q' é zero).

   Isso é um absurdo, já que as leis da Física deveriam ser iguais para qualquer referencial inercial. (Princípio de Relatividade Galileana). Para resolver esse problema (e aliado à crença da época que ondas eletromagnéticas precisavam de um meio para se propagar), os físicos propuseram a existência do éter, que seria um referencial absoluto o qual deveria preencher todo o espaço e penetrar em todos os corpos. Portanto, a velocidade da luz só teria valor c (≅ 3 x 10^8) em relação ao éter. 

   No entanto, as tentativas de detectar o éter (sendo a tentativa mais famosa o Experimento de Michelson-Morley, sobre a qual falaremos no módulo II)  se mostraram ineficazes. A destruição da teoria do éter e a solução desses problemas só ocorreram com a formulação da Teoria da Relatividade por vários cientistas, em especial Albert Einstein (1874-1955).