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O problema do corpo negro.
A teoria dos quanta surge da necessidade de descrever determinados fenómenos, aos quais as equações de Maxwell, que descrevem a maioria dos fenómenos electromagnéticos, não davam solução coerente entre os dados experimentais e os matemáticos. No século XIX, Maxwell conseguiu unificar o que aparentemente parecia ser independente, a electricidade, o magnetismo e a luz, culminando o magnífico trabalho de vários investigadores. As suas equações serviam de base para a descrição de todos os fenómenos electromagnéticos. Contudo, no final do século XIX surgia um fenómeno onde as equações não se aplicavam. Não significa que as equações estivessem erradas, elas de facto são coerentes em grande parte dos fenómenos como já referi, contudo, a necessidade de explicar a experiencia de emissão de luz pelo corpo negro gerou uma serie de esforços em torno deste fenómeno que terminaram com a brilhante explicação dada por Einstein em 1905.
A maioria das pessoas desconhece a constituição de um corpo negro. Um bom exemplo que ilustra o corpo negro e imaginar um forno, com uma geometria de recinto fechado, cujas paredes interiores emitem energia sob a forma de radiação e a voltam a absorver, ate a sua temperatura atingir um estado de equilíbrio onde a energia radiada igualar a energia incidente. A sua composição só depende da temperatura do recinto e não da forma nem da natureza. Era necessário prever a composição da radiação para uma dada temperatura.
Max Planck, filho de um professor de Direito, nasceu em Kiel, na Alemanha, e em 1879 formou-se na Universidade de Munique. EM 1889, Kirchhoff abandonava a sua cátedra na Universidade de Berlim e foi Planck quem ocupou a vaga deixada. Sentiu-se atraído pela radiação do corpo negro e pelas suas dificuldades inerentes no final do século XIX. Ao abordar a teoria da radiação de um corpo negro, considerou que a emissão e absorção de radiação se fica-se a dever a osciladores, ou seja, o corpo negro é formado por muitos osciladores que seguem as leis do electromagnetismo emitindo e absorvendo ondas na mesma frequência. No fenómeno do corpo negro as ondas cobrem todo o espectro de frequências.
Qual é a energia média de cada um destes osciladores? A energia de um oscilador é deduzida em mecânica clássica, segundo a física de Newton. Imagine-se um pêndulo de um relógio com uma certa massa, m, em oscilação com uma determinada frequência, v, onde a sua energia depende da amplitude da sua oscilação, isto é, o deslocamento máximo do pêndulo até ao seu ponto de equilíbrio onde acaba por parar de oscilar. Se o pêndulo tem uma amplitude pequena, a sua energia também será pequena, se a sua amplitude for muito grande, consequentemente a sua energia será maior. Conclui-se que num oscilador a sua amplitude pode ter qualquer valor entre zero e infinito, logo, é uma energia variável contínua, que pode assumir qualquer valor. Tudo isto era assumido e não havia lugar a discussão.
Planck descobriu, embora com bastante relutância em admitir as suas próprias conclusões, que para reproduzir as propriedades de radiação de um corpo negro era necessário admitir que a energia do oscilador não era contínua, ou seja, a energia não pode ter qualquer valor. A energia do oscilador cresce por saltos discretos. A equação que hoje se utiliza para os descrever é E= h.v, onde “v” é a frequência do oscilador e “h” é uma constante a que se dá o nome de constante de Planck. A energia revelava assim a sua natureza descontínua depois de a electricidade e a matéria já terem feito o mesmo. O quantum de Planck era o princípio da revolução quântica e ao mesmo tempo abalava a física ao por em causa a mecânica e o electromagnetismo.
Em 1905, Albert Einstein admitia que os quanta, ou fotões, partículas de massa nula, constituíam o campo electromagnético, cada um com uma energia igual a “h.v”. Esta tese era fulcral para conseguir por em evidência um outro fenómeno, denominado, efeito fotoeléctrico. Este efeito revelava na mente de Einstein um claro sinal de que a luz era constituída por pequenos corpúsculos, onde o seu impacto com o electrão era suficiente para o libertar do átomo, desde que a sua energia fosse igual a “h.v”. A esse pequeno corpúsculo deu-se o nome de fotão.
Um dos maiores sucessos da Física no século XIX dava pelo nome de teoria ondulatória do campo electromagnético, portanto, não foi fácil no seio da comunidade científica aceitar de bom grado a nova teoria de Einstein. Mesmo após rigorosas medidas levadas a cabo por outros grandes nomes da ciência experimental, apenas em 1923 a experiencia de Compton veio confirmar e consolidar o quantum do campo electromagnético. Passou a afirmar-se que à escala subatómica a luz comporta-se como pequenos corpúsculos.