Teoria de Max Planck

Max Planck buscou uma explicação para as características especiais da luz emitida por corpos aquecidos (ou aquilo que os físi¬cos chamam de radiação de corpo negro).

 

Um selo de Max Planck, impresso em Cuba, em 1994, homenageando-o como uma celebridade da Ciência[1]

Buscando explicar a natureza da luz, o cientista escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) propôs a teoria de que a luz seria constituída por ondas eletromagnéticas. Assim, as diferentes radiações visíveis (cores) e invisíveis (raios gama, raios X, ultravioleta, infravermelho, micro-ondas e ondas de rádio) distinguir-se-iam por possuírem comprimentos de onda e frequências diferentes.

O comprimento de onda é a distância de dois picos consecutivos em uma onda e é representado pela letra grega lambda “λ”. Já a frequência (f) é o número de oscilações da onda eletromagnética por segundo. Essas duas grandezas são inversamente proporcionais, quanto menor o comprimento de onda, maior a frequência e a energia da radiação.  

Essa maneira de estudar e entender a luz explicava muitos fenômenos, como o modo de sua propagação.

No entanto, havia alguns aspectos que essa teoria não explicava, sendo que o principal tratava-se da cor que determinados objetos emitiam quando eram aquecidos. Todo objeto que se encontra em temperatura ambiente é visualizado porque reflete radiação em determinada frequência e em determinado comprimento de onda que corresponde à sua cor (luz visível). No entanto, no caso de objetos que estão em temperaturas altíssimas, eles não refletem alguma luz que incidiu sobre eles, mas sim emitem luz própria em intensidade suficiente para visualizarmos.

Por exemplo, o ferro muda de cor à medida que sua temperatura aumenta. Ele primeiro fica vermelho, depois amarelo, posteriormente branco e, em temperaturas extremamente elevadas, o branco fica ligeiramente azul.

Ao estudar esse fenômeno, os cientistas mediam a intensidade da radiação em cada comprimento de onda e repetiam as medidas para uma variedade de temperaturas diferentes. O físico alemão Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) descobriu que essa radiação emitida só dependia da temperatura, e não do material.

Um objeto que age dessa forma passou a ser denominado pelos cientistas comocorpo negro. Ele não é chamado assim por causa de sua cor, pois ele não é necessariamente escuro, pelo contrário, muitas vezes resplandece na cor branca. Esse nome vem do fato de que o objeto não favorece a absorção ou a emissão de um comprimento de onda, pois enquanto o branco reflete todas as cores (radiações visíveis em vários comprimentos de onda), o preto não reflete nenhuma cor. O corpo negro absorve toda a radiação que incide sobre ele.

Então, quando os cientistas buscavam explicar as leis da radiação do corpo negro, os dados obtidos experimentalmente se mostravam imcompatíveis com a teoria ondulatória de Maxwell. Pior do que isso, os resultados apontavam para uma situação catastrófica, que ficou conhecida como a catástrofe do ultravioleta. A Física clássica dizia que qualquer corpo negro a qualquer temperatura não nula deveria emitir uma radiação ultravioleta muito intensa, o que quer dizer que o aquecimento de qualquer objeto levaria a uma devastação ao seu redor por meio da emissão de radiações com altas frequências. Inclusive um corpo humano com a temperatura de 37º C brilharia no escuro!

Mas sabemos que isso não acontece no cotidiano, então, o que estaria errado?

A explicação correta veio em 1900 pelo físico e matemático alemão Max Karl Ernest Ludwig Planck (1858-1947), que disse que a energia não seria contínua, como se pensava anteriormente. Sua teoria dizia basicamente o seguinte:

“A radiação é absorvida ou emitida por um corpo aquecido não sob a forma de ondas, mas por meio de pequenos “pacotes” de energia.”

Físico alemão Max Planck por volta de 1930

A esses pequenos “pacotes” de energia Max Planck deu o nome de quantum (seu plural é quanta), que vem do latim e significa “quantidade”, literalmente “quanto?”, passando a ideia de unidade míni­ma, indivisível; já que o quantum seria uma unidade definida de energia proporcional à frequência da radiação. Foi a partir daí que surgiu a expressão teoria quântica.

Atualmente um quantum é chamado de fóton.

Além disso, esse cientista forneceu uma função que permitia determinar a radiação das partículas oscilantes que emitem radiação em um corpo negro:

E = n . h . v

Sendo que:

n = número inteiro positivo;
h = constante de Planck (6,626 . 10^-34 J . s - valor muito pequeno se comparado à energia que se requer para realizar mudanças físicas ou químicas dos materiais do cotidiano. Isso nos mostra que “h” remete-se a um mundo muito pequeno, o mundo quântico);
v = frequência da radiação emitida.

Selo impresso na Alemanha (1994) que mostra a descoberta da teoria quântica de Max Planck^[2]

A constante de Planck é uma das mais importantes constantes no mundo quântico, pois ela é fundamental para o entendimento de vários conceitos e interpretações físicas e químicas.

Essa teoria mostra que a radiação de frequência “v” pode ser regenerada somente se um oscilador de tal frequência tiver adquirido a energia mínima necessária para iniciar a oscilação. Em baixas temperaturas, não há energia suficiente disponível para induzir as oscilações de altas frequências; dessa maneira, o objeto não regenera radiação ultravioleta, acabando com a catástrofe do ultravioleta.

Albert Einstein usou essa hipótese de Max Planck para explicar os resultados obtidos em seus trabalhos sobre o efeito fotoelé­trico em 1905.

Max Planck é considerado o pai da teoria quântica, o que lhe valeu o Prêmio Nobel de Física em 1918.

Assim, é importante salientar que atualmente se adota o modelo da dualidade onda-partícula da matéria. Isso significa que as duas teorias são usadas para explicar a natureza da luz: a ondulatória e a corpuscular.

A teoria ondulatória explica alguns fenômenos da luz e pode ser demonstrada por determinados experimentos, enquanto a teoria de que a luz é composta por minúsculas partículas de energia explica outros fenômenos e pode ser comprovada por outros experimentos. Não há nenhum experimento que demonstre as duas naturezas da luz ao mesmo tempo.

Portanto, as duas teorias são utilizadas, de acordo com o fenômeno que está sendo estudado.