Inserção de Mecânica Quântica no Ensino Médio - Instituto de Física ...

3. Elétrons e fótons
Foi o físico britânico Joseph John Thomson (1856-1940) quem descobriu os elétrons em
1897, através da confirmação de que os raios catódicos são formados por feixes de minúsculas
partículas com cargas elétricas negativas (e de mesmo valor), mais tarde chamadas de elétrons.
Thomson descobriu que os elétrons possuem carga elétrica ao comprovar que eles eram desviados
na presença de um campo elétrico e/ou de um campo magnético. Por meio da direção e do sentido
em que essas partículas eram desviadas, Thomson concluiu que suas cargas elétricas são negativas
e chamou-os de elétrons.
Os elétrons são completamente todos idênticos entre si. Entre outras propriedades físicas,
eles possuem o mesmo tamanho (um raio menor que 10 -18 m), a mesma massa (aproximadamente
igual a 9,11.10 -31 kg) e a mesma carga elétrica (aproximadamente – 1,6022.10 -19 C). Às vezes,
quando ligados em átomo, os elétrons são comparados aos planetas do sistema solar. Essa analogia
é imprecisa em vários aspectos, como já mencionamos anteriormente a respeito do modelo atômico
de Rutherford. Uma das razões é que os movimentos dos elétrons são diferentes do movimento dos
planetas em torno do Sol porque os elétrons não obedecem às leis da física clássica, e, sim, às leis
da mecânica quântica.
Não é inteiramente correto conceber os elétrons como “bolinhas em rotação”, embora essa
imagem nos seja a mais familiar e “confortável” para a nossa maneira de pensar, baseada no mundo
macroscópico a que temos acesso pelos nossos sentidos. Embora os elétrons não sejam como as
bolinhas do mundo clássico, realmente possuem um tipo de rotação que é uma característica
intrínseca dos mesmos, isto é, todos os elétrons giram da mesma forma, sem importar a direção em
que tal rotação é medida, e o valor de sua quantidade de movimento de rotação é sempre o mesmo
para todos os elétrons encontrados na natureza. O spin ou momentum angular intrínseco está
relacionado com a rotação dos elétrons em torno de si mesmos e tem o mesmo valor para todos os
elétrons. Dependendo do sentido de rotação, um elétron tem spin up (para cima) ou spin down (para
baixo).
Os fótons não foram inicialmente descobertos experimentalmente pelos físicos, e, sim,
propostos. Em seu artigo de 1905 sobre o efeito fotoelétrico, do qual falaremos posteriormente,
Einstein propôs pela primeira vez a existência do fóton (que ele chamava então de “quantum de luz”),
quando postulou que a luz pode ser encarada como sendo formada por corpúsculos ou partículas de
luz sem massa e sem carga elétrica, através dos quais a luz interage com a matéria como se fosse
formada por minúsculos corpúsculos ou “pacotes” de energia eletromagnética. Estes foram
originalmente chamados por Einstein de quanta de luz (quanta é plural de quantum, palavra que vem
do latim e significa “quantidade”). Um fóton, portanto, é um quantum de luz. O nome fóton foi cunhado
somente em 1926 pelo físico Gilbert Newton Lewis (1875-1946).
Uma diferença notável entre fótons e outras partículas é que eles podem ser facilmente
criados e destruídos. A interação de fótons com outras partículas eletricamente carregadas resulta na
força eletromagnética, isto é, o fóton é a partícula mediadora da interação eletromagnética. A energia
de um fóton formador de radiação eletromagnética de freqüência f é dada pela relação de Planck,
E = h.
f . É a energia dos fótons que determina se são fótons de luz visível, de raios X, de ondas de