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). 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 como corpo 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.”
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.
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 freqüência “v” pode ser regenerada somente se
um oscilador de tal freqüência tiver adquirido a energia mínima necessária para
iniciar a oscilação. Em baixas temperaturas, não há energia suficiente
disponível para induzir as oscilações de altas freqüências; 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..
