Os Primórdios da teoria quântica e o problema da dualidade onda-partícula

Abstract

This work concerns the early times of quantum theory presenting the fundamental aspects of the thermal radiation that could not be satisfactorily explained using the Maxwell's classical electromagnetic theory as well as the Boltzmann statistical thermodynamics. The work presents the results obtained by Wilhelm Wien, Gustav Robert Kirchhoff, Lord Rayleigh and Sir James Jeans for the blackbody radiation. The inadequacy of the classical theory for explaining the blackbody radiation features became evident from the so called ultraviolet catastrophe, i.e., the spectral divergence for high frequencies resulting from classical electromagnetic theory and statistical thermodynamics. Such inadequacy of the classical formalism lead Max Planck to propose the radiation quanta hypothesis, considered at that time by the author as a desperate act since such proposition meant a huge breaking with the principles of the classical physics. The Planck hypothesis, retaken by Albert Einstein, explained the so called photoelectric effect, i.e., the electron emission by metal surfaces due the absorption of UV radiation. The use of the Planck constant for the adjustment of the photoelectric experimental data showed its inherent importance for the grounds of the quantum physics. The quantum of radiation hypothesis, lately named photons, made evident the particle-wave duality in the description of propagation and interaction of radiation with matter. The extension of the duality particle-wave concept to mass particles showed to be fundamental for the quantum description of matter.

Este Trabalho de Conclusão de Curso aborda os primórdios da teoria quântica focando os aspectos fundamentais da radiação térmica os quais não podiam ser explicados de maneira satisfatória utilizando-se a teoria eletromagnética clássica de Maxwell bem como a teoria estatística de Boltzmann. São apresentados ainda os resultados obtidos por Wilhelm Wien, Kirchhoff, Lord Rayleigh e Sir James Jeans para o espectro de radiação do corpo negro. A inadequação da teoria clássica para explicar os fenômenos de radiação do corpo negro ficou evidente a partir da denominada catástrofe do ultravioleta, i.e., a divergência do espectro de radiação para altas frequências resultante da aplicação da teoria eletromagnética e a termodinâmica estatística. Tais discrepâncias levaram Max Planck a propor a hipótese dos quanta de radiação, na época considerada, pelo próprio proponente, como um ato de desespero tendo em vista o total rompimento com os pressupostos da Física Clássica. A hipótese de Planck, retomada por Albert Einstein, veio solucionar o problema da emissão eletrônica por superfícies metálicas irradiadas por radiação ultravioleta, o denominado efeito fotoelétrico. A constante de ajuste dos dados experimentais do referido efeito, veio corroborar de forma definitiva a importância fundamental da constante de "ajuste" introduzida por Planck no problema do espectro do corpo negro. A hipótese dos quanta de radiação, posteriormente denominados fótons, evidenciou a dualidade onda-partícula na descrição dos processos de propagação e interação da radiação com a matéria. A extensão de tal dualidade para as partículas materiais mostrou-se fundamental para a descrição quântica da matéria.