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revolucaoquantica · 5 years ago

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O que é Física Quântica

Surgida no século XX, a também chamada Mecânica Quântica, é o ramo da ciência que estuda os principais fenômenos decorrentes das partículas iguais ou menores que os átomos, como os elétrons, prótons, nêutrons e os fótons.

O que é Física Quântica? A Física Quântica é uma linha de estudo da física que busca estudar e analisar os menores componentes que compõe uma matéria, sobretudo as partículas microscópicas, do mesmo tamanho ou menores que o átomo, tais como os prótons, elétrons, nêutrons e os fótons.

Essas partículas atômicas e subatômicas não são passíveis de estudo sob a perspectiva da física clássica (Newtoniana) e suas teorias, como a lei da inércia, ação e reação e a lei da gravidade.

Surgimento da Física Quântica

- Físico alemão, Max Planck

O registro dos primeiros estudos sobre a mecânica quântica mostram que ela surgiu nos primeiros anos do século XX. Seu criador e principal mentor, Max Planck, buscava explicar questões não resolvidas pela física clássica, principalmente no que se referia à análise das micropartículas.

Planck também é o responsável por criar a fórmula que leva o seu nome, a chamada “constante de Planck”, representada na escrita (E = h.v).

Na mesma época, Albert Einstein ganhou notoriedade pela criação da Teoria da Relatividade, que explicava o funcionamento físico de partículas maciças e de alta velocidade, estabelecido pela relação entre espaço e tempo.

Inclusive, foi o próprio Einstein que nomeou a teoria de Planck, chamando-a inicialmente de quantum, que em latim significa quantidade.

O sentido lexical da palavra “quântico” advém da ideia referente ao evento físico de quantização, que consiste basicamente na alteração de mínima para a máxima dos níveis de energia dos elétrons caso sejam superaquecidos.

Principais nomes da Física Quântica

Além de Plunck, a corrente da teoria quântica foi estudada por outros físicos, sendo os mais notáveis:

Werner Heisenberg (1901–1976)

Louis de Broglie (1892–1987)

Niels Bohr (1885–1962)

Erwin Schrödinger(1887–1961)

Max Born (1882–1970)

John von Neumann (1903–1957)

Richard Feynman (1918–1988)

Wolfgang Pauli (1900–1958)

De fundamental importância para o entendimento das matérias do universo, a teoria quântica deu origem à inúmeros conceitos que se tornaram base para outras linhas de estudo, influenciado até mesmo alguns ramos da química. Podemos citar a física nuclear, física atômica e a química quântica como alguns desses exemplos.

Física quântica: pensamento filosófico e espiritualidade

Outra perspectiva estudada no campo da física quântica tem como base as áreas do saber humano, principalmente ao utilizar pensamento de correntes filosóficas para fundamentar algumas de suas teorias.

Essa relação pode ser explicada por meio da incertezas acerca dos princípios quânticos, como o fato de um corpo subatômico coexistir simultaneamente ao mesmo tempo, em situações opostas.

O parecer da dualidade surgiu quando percebeu-se que uma micropartícula também pode adotar a forma de onda, e vice versa. Por exemplo, os elétrons, comumente vistos como partículas, também podem agir como onda.

Sendo assim, a Teoria dos Mundos Paralelos, associada a descoberta da matéria escura, ganha força, ao dizer que é possível existir uma outra realidade alternativa para cada indivíduo do universo.

Louis de Broglie fomentou esse conceito, chamando-o de Princípio da Dualidade Partícula-Onda.

Outro ponto importante a ser mencionado é a ligação entre a física quântica e a espiritualidade. Para alguns estudiosos, o poder do pensamento humano seria capaz de exercer influência sobre a realidade do indivíduo, sendo possível até mesmo capaz de modificar o mundo que o circunda. A consciência humana teria o papel de construtor da realidade.

Física Quântica na atualidade

Sabe-se que que o campo da física quântica atinge níveis microscópicos quando o assunto é a escala dos átomos e matérias. As partículas e ondas estão ao nosso redor, presentes no dia a dia, mesmo que não possamos vê-las a olho nu.

Os computadores modernos são um claro exemplo da utilização da física quântica. Materiais como o silício fazem parte de boa parte dos chips que armazenam e transmitem dados e informações.

Outro exemplo significativo está na conexão e compartilhamento do sinal da internet por meio de cabos feitos de fibra ótica. É por meio deles que os pulsos de luz, que são produzidos por lasers de diodo, percorrem milhares e milhares de quilômetros e levam o sinal por todos os lugares.

#fisicaquantica #ciencia #maxplanck

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beniat · 8 years ago

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Un peu de physique quantique

Histoire rapide du cheminement de

la physique classique

Vers la physique quantique

et la classification des éléments

Introduction : à l'image du dix-huitième siècle qui fut celui des "lumières",le vingtième siècle fut celui des "lumières scientifiques"; à cette époque, les savants se sont intéressès au monde de l'infiniment petit pour pénétrer celui où les mesures se font en nanomètres ( 10-9m) et où les vitesses sont de l'ordre de celle de la lumière(c=3 108m/s). Sans vouloir décrire le long chemin qu'ils ont parcouru pour passer d'une physique à l'autre,nous allons essayer de présenter l'évolution de leurs observations,recherches,pensées, pour aboutir aux 4 nombres quantiques qui définissent une petite particule, connue depuis l'antiquité, " l'atome"

Préambule : Quel fut l'héritage des scientifiques antérieurs au vingtième siècle?

Gustave Kirchhoff (1824/1887),observant les braises dans sa cheminée,constate que les flammes changeaient de couleur....suivant la température T : Rouge ( 700°),Jaune(800°),Blanc (1000°).

Depuis l'antiquité, boulangers et potiers, connaissaient ce phénomène. Kirchhoff invente une relation entre couleur et température Couleur = f (T)

D'autre part Isaac Newton (1596/1650) fut le premier à comprendre la lumière qu'il définit comme une onde formée de grains de lumière qui créent la couleur: rouge,orange, jaune, vert,bleu,indigo,violet (les 7 couleurs d'un arc en ciel ).

Sa notion d'onde fut acceptée par ses contemporains mais pas la notion de "grains" car , disaient-ils: si la lumière a des grains, elle a une masse, et deux rayons qui se rencontrent devraient être déviés...il n'en est rien .C'est pourtant cette idée qui fut reprise par Albert Einstein(1879/1955) La notion d'onde fut confirmée par Auguste Fresnel(1788/1827) et Thomas Young (1775/1827) avec les "DIFFRACTIONS" et "INTERFÉRENCES".de deux rayons lumineux.

Jean Maxwell (1863) découvrait l'onde électromagnétique en liant électrostatique et magnétisme.

Gustave Kirchhoff imagine une boite de couleur noir, qu'il chauffe: elle émet une lumière qu'il appelle "spectre", c'est, pour lui, une onde élèctromagnétique dont la fréquence dépend de la couleur donc de la température .Ainsi il associe:

couleur/ Température/ondes/Fréquences/ λ

IL décrit une courbe/ Énergies rayonnées en fonction des longueurs d'ondes λ donc de la fréquence comprise dans l'intervalle des" Infra rouge" IR /UV" Ultra violet"

Rénovation des mathématiques au vingtième siécle:

Jusqu'à la fin du dix-neuvieme siècle elles étaient "déterministes"(grâce à ses calculs on pouvait trouver la position, le trajet ,la vitesse d'un objet de masse m .Cependant, à la vitesse de la lumière,d'autres paramètres intervenant, elles étaient en échec . Puisqu'on ne pouvait pas prévoir,en même temps, vitesse et position,on calculait la probabilité de présence d'un électron, par exemple, dans un espace donné à un instant donné... .d'où le nom de"mathématiques probabilistes". le vecteur temps,prenant une part importante" t" on définit un point M par 4 variables (x , y , z , t ). Werner Heisemberg(1901/1976) y ajoute le calcul matriciel. Les mathématiques secondent le passage de la physique classique à la physique relativiste ou ...quantique.

Naissance de la physique quantique:

Jusqu'au dix-neuvième siècle,la thermodynamique était une science bien connue.Cependant des savants tels que Ludwig Boltzmann(1844/1906) l'avait un peu modernisée: il expliquait qu'un gaz dans une enceinte était constitué de molécules dont la vitesse, masse et direction, étaient calculés par "des valeurs moyennes". De même,Robert Brown,(1773/1858) observant de fines particules dans un rayon lumineux,concluait que leurs vitesses n'étaient pas linéaires,ni constantes . Plus récemment, Jean Perrin (1870/1942) utilisait les calculs probabilistes pour retrouver le nombre d'Avogadro N=6,03 1023.

Max Planck(1858/1947) avait trouvé que chaque particule de matière que constitue une onde électromagnétique émise par un corps noir,avait une énergie E=h f f :fréquence en Hz et sa constante h (h est le début du nom hilfe= au secours en allemand ) qui vaut 6,55 10-34j.s. Ensuite,il affirme : un bout de bois brûle en émettant de la chaleur sous forme d'un rayonnement...qu'il transmet au bois voisin. Pour lui; il existe un lien entre" couleur/rayonnement émis/ fréquence".

le rouge a une fréquence 10hz, un rayonnement de 1

Les U V ont une fréquence 10 3hz, un rayonnement de 100, donc transport d'énergie plus grande avec les UV. Plus la fréquence est grande et plus l’énergie devrait être élevée...or, il n'en est rien : on ne peut pas dépasser un seuil . Il prend l'exemple d'un haltérophilie qui ne soulèvera jamais un tonne, un escalier qui aura des hauteurs de marches limitées.

d’où le paradox des rayons" U V ". il émet le postulat suivant :

L’énergie se transmet par "tas" ou "saut brusque".Elle est quantifiée et ne peut dépasser un certain seuil

Albert Einstein (1879/1955)

Un des plus grands génies de son siècle,qui, après une scolarité difficile, a obtenu le titre d'ingénieur de deuxième catégorie sans pouvoir être professeur d'université et donc de diriger des thésards. Cependant, c'est son titre d'ingénieur qui lui permit de se trouver à 'l'office du contrôle des brevets" où il a compris l'intérêt de la rigueur scientifique. Il a eu, à cette époque, le temps d'écrire des articles qui lui ont ouvert les portes " de la renommée scientifique".

1.... il crée une analogie entre un gaz et un rayon lumineux: un gaz est formé de molécules,un rayon lumineux est formé de petits grains les"quantas". Par "l'effet photoélectrique" il justifie les échanges discontinus entre" l'énergie et la matière".Un rayon lumineux d'UV éclaire une plaque de zinc,dont il arrache un électron qui circule de cathode vers ll’anode pour créer un courant .Il remarque que ce n'est pas l'intensité du rayon qui arrache un électron , mais la fréquence ...ce rayon a une énergie E=h.f (Planck)

2.....Il démontre, qu'à la vitesse de la lumière, le temps n'est pas constant .à 300;000km/s x varie trop vite pour que t suive ,or comme c=x/t et que c est constant..c'est que t varie. Il invente grâce à son" Horloge de lumière "un coef γ; ainsi p=mv devient p= γ mv

3......Il invente la relation entre masse et énergies E = m . c2en réalité il dit qu'à très grande vitesse la masse varie. E = Δm c2

Louis de Broglie(1892/1987)

Cet officier de marine , quitte l'armée pour présenter un doctorat de physique et se glisser dans ce duel scientifique allemand/allemand( Planck/ Einstein). Il affirme, dans sa thèse, devant le jury présidé par jean perrin le 25/11/1924 que :

1.....la lumière est en même temps une onde et un amas de petites particules de lumière

2.....A toute particule, on peut attribuer une onde et sa longueur d'onde λ

E=(m c) c donc E=p c or E=h f donc pc=hf or c= λ f donc pλf=hf

λ=h/p ou λ=h/mv

3....Ondes et particules utilisent le même chemin,toujours dans la même direction, et pour aller de A à B elle suit le chemin le plus court en temps (principe de Fermat (1600/1665). Alors il existe une onde pilote, ayant pour axe un cercle de rayon r ,fermée, stationnaire,dont la période est un multiple entier du périmètre décrit:λ=2 π r = h/mv donc h / 2 π r =mv soit avec la quantité de mouvement h / 2 π r = p De Broglie ouvre la voie à des mathématiques qui passent de déterministes à probabilistes en disant, comme les électrons sont inobservables,il faut ne plus les considérer comme des petits points , mais comme des oscillateurs qui émettent des fréquences en changeant d'orbites. Nos trois savants ont des idées communes sur les ondes et leurs discontinuités dans les échanges des niveaux d’energies. S'il est sur un niveau E1= 5 j et qu'il passe sur un niveau de E2=2j, il perd 3j sous forme d'une onde électromagnétique qu'ils appellent le photon ( naissance de laser). Vers la naissance de la structure de l'atome Niels-Bohr(1885,1962) et Ernest Rutherford(1871/1937) imaginent que l'électron tourne autour du noyau comme la terre autour du soleil, mais d’après la théorie de Maxwell la composition du champ magnétique et électrique crée un moment et,donc, une perte d'énergie ...l’électron devrait tomber sur le noyau....il n'en est rien .Premier postulat de BOHR:un électron qui reste sur son niveau d'énergie n'émet pas de rayonnement,il garde son energie. Nous pouvons calculer le moment de cette onde grâce à la quantité de mouvement p=mv Mp=m v r quand l’électron change de niveau il le fait dans un multiple de( h / 2 π) n c'est la constante réduite de Planck notée h onc h n "n" devient ici le premier nombre quantique Bohr qui a trouvé ses résultats intuitivement, va bénèficier de l'apport de trois scientifiques:Joseph fraimhofer(1787/1820): il invente le spectroscope pour étudier la composition des gazs et des solides . Joseph Anstrong(1814/1874)Réussit à trouver les 4 raies du spectre de l’hydrogène....sans comprendre leurs discontinuités H1 (457,17 nm), H2 (617,19 nm), H3 (694,22nm), H4(731,49nm)Balmer(1825/1898) trouve empiriquement une formule qui permet de calculer les fréquences f f= Rd (1/4 - 1/n2 ) avec n≥3 première raies n=3, deuxième raie n=4 etc.... Pour Bohr, cette formule montre bien la discontinuité des quantas,et la possibilité d'échanges d'énergie entre deux niveaux d'énergies par "émission" ou" absorption" de lumière ( les photons). deuxième postulat de BOHR: Pour qu’un atome change de niveau d'énergie (ou d'orbite ) il faut qu'il "absorbe "ou "rayonne" un photon de fréquence f = (E1- E2) / h On dit que l'atome est dans son état" fondamental", quand l'électron est le plus près du noyeau dans le cas contraire on le dit "excité."cependant, il est possible de trouver d'autres raies,d'autres spéctres, d 'autres états d'énergies...pour un même atome....

C'est l'approche du deuxième nombre quantique.

Deuxième nombre quantique

Bohr pense,avec Sommerfeld (1868/1951) que la direction des orbites est significative; cette orientation est possible car les ellipses ont deux axes un "grand aa'" et un "petit bb' . il appelle cette direction l ou K ( comme Kepler).Le nombre Kest multiple de h/2π ou h(Planck réduite)

K est le deuxième nombre quantique. dit azimutal

Troisième nombre quantique

C'est la conséquence d'une observation réalisée par deux physiciens:

Effet Johannes Stark (1874/1957)un atome est placé dans un champ électrique E

Effet pieter Zeeman(1865/1943) un atome est placé dans un champ magnétique B

Alors

certaines raies du spectre s'élargissent pour se décomposer en trois raies spectrales en subissant des directions opposées

C'est le troisième nombre quantique m dit magnétique

Quatrième nombre quantique

pour justifier les 4 spectres de l’hydrogène, il fallait un quatrième nombre . On a trouvé le "spin " ; en effet l’électron, sur une orbitale, peut tourner d'est en ouest , ou le contraire . Comme il se déplace dans le champ magnétique terrestre,il est le siège d'un moment magnétique qui dépend de son sens de rotation ;

s = 1/2 ou s=-1/2

c' est le quatrième nombre quantique: le "spin"

conclusion: un atome est bien défini par la position de ses électrons sur les niveaux d'énergies ou orbites si l'on connaît les quatre nombres quantiques:

( n , K (ou l) , m , s )

principal, azimutal, magnétique, spin

n=1 ( 1,0,0, - I/2 ou+1/2)

n=2 (2,(0,1),(-1,0,+1,- I/2 ou+1/2)

n=3 (3,(0,1,2),(-2,-1,0,+1,+2),- I/2 ou+1/2)

mais pour répartir ces électrons il faut poser d'autres postulats.

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