Vicente Pleitez IFT/UNESP IBILCE/2005 A IDÉIA DO FÓTON Vicente Pleitez IFT/UNESP IBILCE/2005

1897: J. J. THOMSON: O elétron! http://www.aip.org/history/electron http://www.sciencemuseum.org.uk/on-line/electron/index.asp Em 1896 H. Becquerel descobre a radioatividade natural 1899 Rutherford: raios ,  () raios- são elétrons As partículas emitidas no efeito fotoelétrico são elétrons Quantos elétrons no átomo? 1913 Bohr: a radioatividade é um processo nuclear

O próton: Em 1911 E. Rutherford descobre o núcleo atômico Em 1920 Rutherford descobre o próton: He +N  p + X Conjectura também a existência do nêutron, n Em 1921 J. Chadwick: interações fortes: He + p  He + p “o número de partículas  ... É muito maior que o esperado Para forças proporcionais a 1/r2 ...” O nêutron: descoberto em 1932

Kirchhoff radiação Bunsen matéria Balmer Wien h Planck Einstein Bohr Bose de Broglie Heisenberg Schrödinger Dirac Mecânica Ondulatória Mecânica Matricial TQC

1859 Heidelberg É uma tarefa de primordial importância descobrir esta função . Surgem grandes dificuldades no caminho da sua determinação experimental. Todavia, há fundada esperança de que ela tenha uma forma simples, como todas as funções que não dependem das propriedades dos corpos individuais e com as quais já travamos conhecimento no passado G. Kirchhoff Einstein: “Seria edificante se se pudesse pesar a massa cinzenta que foi sacrificada pelos físicos no altar da função de Kirchhoff; e o fim destes cruéis sacrifícios ainda não está à vista”

E=nh, n=0,1,2,... A energía é emitida em pacotes! 1900 EUREKA!! E=nh, n=0,1,2,... A energía é emitida em pacotes! 1900 PLANCK “Depois de algumas semanas do mais extenuante trabalho da minha vida, a escuridão saiu e uma visão inesperada começou aparecer”

 E=h h=6.58211889(26)x10-22MeV.s Planck resolveu o chamado PROBLEMA DO CORPO NEGRO resumido na figura  E=h “Quantum de energia” h=6.58211889(26)x10-22MeV.s

1918 Planck ganha o Nobel, "in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta" O apresentador: Dr. A.G. Ekstrand: “The product hv, where v is the frequency of vibration of a radiation, is actually the smallest amount of heat which can be radiated at the vibration frequency v. ... the constant number, ... is a proportionality factor which describes a common, but until now unknown, property of matter. ” Planck: therefore, developed first the laws of emission and absorption of a linear resonator on the most general basis, in fact I proceeded on such a detour which could well have been avoided had I made use of the existing electron theory of H.A. Lorentz, already basically complete. But since I did not quite trust the electron hypothesis, I preferred to observe that energy which flowed in and out through an enclosing spherical surface around the resonator at a suitable distance from it.

O apresentador Prof. Hj. Théel, Presidente da Real Academia Lorentz (e Zeeman) Nobel de 1902: "in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena" O apresentador Prof. Hj. Théel, Presidente da Real Academia de Ciencias Sueca “While Maxwell's theory is free from any assumptions of an atomistic nature, Lorentz starts from the hypothesis that in matter extremely small particles, called electrons, are the carriers of certain specific charges. These electrons move freely in so-called conductors and thus produce an electrical current, whereas in non-conductors their movement is apparent through electrical resistance“

Em 1905 Eisntein “generalizou” a hipótese de Planck introduzindo o “quantum de luz” Planck “quantizou” apenas a emissão e absorção de radiação pelos atómos Einstein “quantizou” a própria radiação, ou seja, a própria luz “Mesmo que as cervejas sejam vendidas apenas em garrafas não implica que a cerveja exista apenas em quantidades discretas” Nos livros de texto apresenta-se como prova da hipótese do quantum de luz (mais tarde chamado de fóton ): O efeito fotoelétrico (1905) O efeito Compton (1923) (as vezes Planck 1900) X

A luz é uma onda O efeito fotoelétrico 1989 HERTZ: LUZ ELÉTRON metal Que pasa? metal As suas características não se explicavam com os conceitos da física clássica

Einstein 1905: “Sobre um ponto de vista heurístico da produção e transformação da luz” “... Parece-me que as observações da `radiação de corpo negro´, fotoluminescência, produção de raios catódicos por luz ultravioleta e outros fenômenos associados à emissão ou transformação da luz podem ser mais facilmente entendidas se admitirmos que a energia da luz é distribuída de forma descontínua no espaço ... Na propagação de um raio de luz a energia não é continuamente distribuída sobre volumes cada vez maiores de espaço, mas consiste em um número finito de quanta de energia, localizados em pontos do espaço que se movem sem se dividir e que podem ser absorvidos ou gerados somente como unidades integrais”

Algumas observações. O trabalho de Einstein NÃO É APENAS sobre o efeito fotoelétrico. Dedica a este apenas uma seção. O resultado principal é sobre a natureza da radiação (luz): o quatum de luz  Ninguém ganhou o prêmio Nobel por essa descoberta. Einstein ganhou O prêmio em 1921 "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect" (de Broglie em 1929: “for his discovery of the wave nature of the electrons”) Einstein mostrou que: e freqüências suficientemente altas, a entropia da radiação de corpo negro comporta-se como se a radiação consistisse em um gás de quanta de energia luminífera, cada qual com energia h  Com isso explicou vários efeitos, entre eles o efeito fotoelétrico mas também a ionização de gases pela luz ultravioleta (base da fotoquímica), e a fotoluminescência

A HIPÔTESE DO QUANTUM DE LUZ NÃO FOI ACEITA FACILMENTE!! Por quase duas décadas (ou talvez mais) fracassou em convencer a maioria dos físicos da validade de hipótese do quantum de luz. Mesmo quando em 1916 R. Millikan confirmara experimentalmente a equação E=h-P Em 1913, Planck, Nerst, Rubens e Warburg propuseram Einstein para a membro Academia Prusiana de Ciencias: “... Podemos dizer que dificilmente há um dos grandes problemas, dos quais a física moderna é tão rica ao qual Einstein não tenha dado uma contribuição. Que ele tenha as vezes errado o alvo, como por exemplo, na sua hipótese dos quantum de luz, não pode ser usado contra ele, dado que é impossível Introduzir novas idéias, mesmo nas ciências mais exatas, sem correr algum tipo de risco.” Mesmo Millikan em 1916 que confirmou a equação acima não acreditava na teoria de Einstein: “A despeito do aparente completo sucesso da equação de Einstein ... ... a teoria física é insustentável pelo próprio Einstein”

1913: modelo atômico de Bohr usa E=h Em 1922 na entrega do prêmio Nobel: “A pessar de seu valor heurístico a hipótese dos quanta de luz levou a um dilema bastante imprevisto, pois qualquer imagem corpuscular seria obviamente irreconciliável com os fenômenos de interferência, ... que só podem ser descritos em termos de uma imagem ondulatória, ... a hipótese dos quanta não é capaz de trazer alguma luz obre a natureza da radiação”

1923 EFEITO COMPTON: Fóton 1 Fóton 2 Elétron virtual Elétron 2 Elétron 1 Este efeito convenceu à maioria dos físicos do caráter corpuscular da luz. Mas não ao comitê Nobel.

Em 1927 A. Compton ganhou o prêmio Nobel de Física: “for his discovery of the effect named after him" O apresentador Professor K.M.G. Siegbahn (Nobel de Física 1924): Compton deduziu uma nova classe de teoria corpuscular, com a qual todos os dados experimentais estão em perfeito acordo ... De acordo com esta teoria o quantum de radiação é reemitido em uma direção definida por apenas um só elétron O efeito Compton foi considerado para o Nobel em 1925 e 1926. Em 1927 o relator do comitê Nobel, Carl Wilhelm Oseen colocou o interesse do referido efeito e “mostra” que não representa uma prova da teoria corpuscular da luz. O efeito era considerado “obsoleto” afinal em 1925 tinha aparecido a nova dinâmica e esse efeito não tinha nada a ver com isso...

Em 1924 depois da descoberta do efeito Compton Borh, Kramers e Slater publicaram The Quantum Theory of Radiation, nele rejeitavam a hipótese do quantum de luz, e propunham um esquema onde a conservação de energia era estatística. É possível que a aversão de Borh pelo fóton não parasse por aí Em 1925 Einstein da uma palestra no Rio de Janeiro “Remaks on the Present Situation of the Theory of Light” on comenta o trabalho de BKS. Talvez foi a última vez que Einstein discutiu isso em público.

As coisas não forma fáceis mesmo para Einstein. Alguns desconfortos começaram depois de seus trabalhos da emissão espontânea e induzida realizados em 1916-1917 e que são a base dos raios lasers. No processo da emissão espontânea: “é uma fraqueza da teoria ... deixar ao acaso o tempo e a direção dos processos elementares”. Ele observa que isso é parecido com o que acontece na radioatividade “O caráter aleatório dos processos espontâneos significava que algo ia mal com a causalidade clássica. Isto deveria perturbá-lo profundamente e para sempre” (A. Pais). “Existem agora, portanto, duas teorias da luz, ambas indispensáveis, e – como temos que admitir hoje, não obstante vinte anos de tremendo esforço por parte dos físicos teóricos – sem qualquer conexão lógica” Em 1951 em carta a M. Besso: “Todos estes 50 anos de meditação não me levaram mais perto de responder à questão. O quê são os quanta de luz?

1926: fóton “Porque parece passar somente uma fração diminuta da sua existência como portador da energia radiante, entanto que o resto do tempo é um elemento da estrutura do átomo ... Eu tomo a liberdade de propor para este novo tipo de átomo hipotético que não é luz, mas joga um papel importante em todo processo radiativo, o nome de fóton” G. N. Lewis, 1926

Teoria Quântica de Campos Heisenberg Schördinger Dirac 1927 Teoria Quântica de Campos R. Feynman, J. Schwinger e S. Tomonaga QED 1949 Palestra 15/06 No livro de Y. Ne’eman e Y. Kirsh The Particle Hunters, “Em 1965 Feyman, Schwinger e Tomonaga ganharam o prêmio Nobel de Física.Poderiam tê-lo recebido vários anos antes, porém Niels Bohr via com receio a nova teoria e sua atitude negativa impediu o Comitê Nobel de reconhecer o trabalho daqueles científicos”

Fonte das fotografias: http://www.aip.org/history/esva/ Créditos: Fonte das fotografias: http://www.aip.org/history/esva/ G. Ekspong, The Dual Nature of Light as Reflected in the Nobel Archive, http://nobelprize.org/physics/articles/ekspong/index.html A bibliografía completa será colocada na versão de texto