Capítulo II - Os Electrões
Por último, na matéria estável e palpável das nossas vidas, temos o electrão que tanto jeito nos faz por se libertar facilmente dos seus átomos e quando livre presta-nos relevantes serviços, nomeadamente no computador portátil em que escrevo e em tudo o que é electricidade.
Até há uns tempos atrás, vigorava como verdade absoluta o chamado átomo de Bohr e admitia-se que os electrões seriam partículas, ou uma espécie de planetas que orbitavam em torno do núcleo.
Não, os electrões não são microplanetas, mas sim objectos quânticos que não se assemelham a pontos e não circulam em trajectórias definidas. Nos átomos, os electrões não ocupam quaisquer posições precisas; estão numa situação difusa. São descritos actualmente como uma "função de onda" que determina a probabilidade da sua presença num dado local e num determinado instante, o que até pode estar errado. São mais representativos como nuvens ou orbitais mais ou menos densos e aparentemente fusiformes. As suas órbitas são tridimensionais e elipsoidais.
De resto, no electrão, como noutras partículas, é estranha a dupla função onda e corpúsculo. No fundo, uma onda pressupõe um campo onde se verifica o fenómeno ondulatório, o que não é conciliável com uma partícula ou objecto independente de um campo. Tal como não é necessário que uma partícula seja pontiforme, tanto mais que o electrão tem obviamente uma complexa estrutura interna com capacidade para emitir e absorver fotões e outras partículas do "Jardim Zoológico" quântico.
O electrão pode ser um objecto virtualmente discóide e unidimensional constituído por duas cargas desiguais situadas nos extremos de um eixo virtual; dois pólos, portanto, em que um seria como que visível e outro não. Dada a desigualdade das cargas opera-se aí um movimento de rotação com um momento angular e, portanto um spin. Projectado para o exterior, as duas cargas em rotação adquirem um movimento helicoidal no qual um dos pólos, o principal, seria o autor do aparente movimento ondulatório. Acaba assim a misteriosa dualidade onda-corpúsculo tão cara à mecânica quântica, mas desprovida de senso, apesar de observada no duplo fenómeno de interferência ondulatória em experiências de passagem de fotões e electrões por grelhas e, por outro lado, pela acção materialmente corpuscular sobre uma série de materiais. A interferência tida como ondulatória do electrão não será mais que um fenómeno de interferência estrutural interna do objecto bipolar que é o electrão e, provavelmente, o fotão e quase todas as partículas elementares.
O electrão era, como tal, tido como uma corpúsculo, umas vezes, e noutras situações um pacote de ondas que entram em colapso sempre que se pretende medi-las. Os físicos sempre souberam que um ponto não dimensional como seria o electrão não poderia ter um movimento de rotação em torno de um eixo, um spin, portanto, tornou-se imprescindível imaginar uma estrutura muito especial para o electrão baseada em dois pontos não forçosamente ligados por algum objecto material. A distância entre os mesmos seria o diâmetro de um disco plano e virtual.
Os dois pontos ou mesmo estruturas do electrão são mantidas, obviamente, por uma troca de energias causadoras de desigualdades. A intensidade de energia adicionada a um dos "pontos" seria deduzida do outro e vice-versa; algo de semelhante à troca de gluões entre os quarks. Os electrões podem ter tido origem no âmbito de uma campo energético homogéneo durante o próprio "Big Bang" e sido deslocados para o espaço do Universo que permite a existência de objectos, nomeadamente bipolares como o electrão, no qual adquiriram imediatamente um movimento de rotação. Passaram pois de objectos unidimensionais para bidimensionais por via da rotação. Por sua vez, o princípio giroscópico da precessão tão conhecido da astronomia permitiu à forma discóide do electrão adquirir uma rotação secundária perpendicular ao diâmetro virtual, permitindo a forma de esfera compósita virtual ou tridimensional.
O electrão faz pois parte de um princípio estrutural binário e bipolar.
Os electrões de um átomo têm "níveis energéticos" quânticos em números bem definidos e isso explica a razão porque os átomos são estáveis. Se obedecessem aos princípios da física clássica (não quântica), os electrões tenderiam a perder a sua energia cinética e a esmagarem-se no núcleo. Claro, isso só poderia acontecer se fossem mesmo uns pequenos planetas do núcleo. Na verdade como não são nunca poderiam ter energia cinética no sentido "particular" do termo.
Os electrões enquanto objectos quânticos tanto são corpúsculos como parecem ser ou comportam-se como pacotes de ondas. Por isso, emitem fotões e recebem fotões, outro objecto quântico responsável pela luz e por todas as radiações do vasto espectro electromagnético. Literalmente, o electrão é simultaneamente um receptor e emissor de informação.
Como corpúsculos, os electrões desviam-se num campo magnético apenas em dois ângulos deflectores na experiência de Stern-Gerlach com átomos de prata que libertam facilmente um electrão. Esse físico sugeriu então que o electrão tem um momento angular e um momento magnético que poderá resultar da rotação de uma esfera de carga eléctrica a que chamou "spin". Contudo o "spin" aqui é tido como um conceito quântico sem analogia com a matéria clássica. Mas, em vez da esfera teremos antes duas "esferas" ou cargas mantidas a uma distância quântica e providas de um movimento de rotação e outro giroscópico.
Quando foram analisadas pela primeira vez as linhas espectrais do átomo de hidrogénio observou-se um desdobramento a denotar o carácter ondulatório do electrão do H e atribuídas a uma interacção entre o spin S e o momento angular L.
Para além disso, um electrão incidente pode emitir um fotão e mudar de direcção. Acredita-se cada vez mais que os quarqs e os electrões são objectos quânticos muito semelhantes ou iguais com cargas eléctricas diferentes; são como que pequenos imanes cujas forças são fixadas pelas respectivas cargas eléctricas.
Para o físico francês Laurent Nottale, o electrão é um objecto fractal e é composto por todas as partículas elementares. É fractal porque muda em função da escala de observação. Visto de perto é coerente, mas visto um pouco mais de perto emite e absorve fotões em permanência e mais de perto ainda vê-se que cria pares de electrões-positões, sendo estes últimos de carga positiva ao contrário do electrão normal de carga negativa. Mais de perto ainda, observam-se pares de muons-antimuons e assim sucessivamente, pois o electrão conterá todas as partículas elementares. Para além de ser responsável por quase metade do PIB (Produto Interno Bruto) da maior parte das nações desenvolvidas, o electrão é responsável por toda a informação veiculada no Universo enquanto emissor e receptor de fotões.
Os electrões são "rotulados" pelos seus quatro "números quânticos" e pela sua geometria orbital:
1. n = 1, 2, 3, … representativos de "energia" ou "nível energético";
2. l = 0, 1, …. N-1, significando o "momento angular orbital". Quanto mais elevado for o referido "momento angular" mais afastado estará o campo de densidade do electrão do núcleo do seu átomo;
3. m= -l,….l, a denotar a orientação (o "número quântico magnético";
4. s = -1/2, +1/2, significando o "spin" (ms é por vezes utilizado em vez de s) ou momento angular giratório (spin);
5. p, s, d, etc. = orbitais dos electrões ou espaço de distribuição das suas cargas eléctricas.
A série dos quatro números (n, l, m, s) identificam o "estado quântico" do electrão.
Os níveis energéticos dos electrões atómicos (confinados ao seu átomo) são afectados pela interacção entre o "momento magnético do spin do electrão" e o "momento angular orbital". Como tal, pode ser visualizado como um campo magnético provocado pelo movimento orbital do electrão interagindo com o momento magnético do spin. Este "campo magnético efectivo" pode ser expresso em termos de momento orbital angular, ou seja como num dipolo (+-) em que a energia E = L×A× B em que L = força do momento angular intrínseco; A é a aceleração produzida por essa força na rotação do electrão e B deriva do movimento orbital.
A ideia de que os electrões têm um "spin", ou força de um movimento de rotação, foi lançada pelos físicos holandeses Uhlenbeck e Goudsmit a partir da noção que o electrão não é um ponto como no Modelo de Bohr mas uma esfera animada de movimento de rotação em torno de um dos seus diâmetros. Esta rotação daria origem a um momento cinético e a um momento magnético. Claro, a ideia dos holandeses revelou-se relativamente falsa. Louis de Broglie em 1924 e Schroedinger em 1926 afirmavam que o spin e a determinação da trajectória do electrão são soluções aparentes sem qualquer realidade física. O que interessa é a consideração dos níveis de energia que, aliás são os que se determinam experimentalmente em função dos potenciais de ionização e excitação, mas continua-se ainda hoje a falar em rotação dos electrões e translação em torno do núcleo. O electrão será mais uma pequena nuvem em movimento com carga eléctrica negativa e uma massa ínfima, contendo no seu interior todo material com que são feitas as partículas da hiperfísica como os quarks, por exemplo.
O spin do electrão é revelado pelas linhas do espectro do hidrogénio vistas com alta resolução. Nessa observação, em vez da aparente linha única verificou-se a existência de duas linhas muito finas e separadas, atribuindo-se essa separação à interacção entre o spin S do electrão e o momento angular orbital L, denominada de interacção spin-órbita ("spin-orbit interaction"). O desdobramento das linhas espectrais revela a existência de um campo magnético gerado pelo movimento orbital do electrão no interior do átomo.
O electrão comporta-se como um dipolo magnético e produz uma energia de interacção igual ao produto do vector μ do spin pelo vector B do movimento orbital. É como um magneto num pequeníssimo campo magnético.
Nos finais de 2004, alguns físicos do Laboratório de Los Álamos da Universidade da Califórnia conseguiram detectar o spin de um único electrão, isolado num transístor de silício.
A experiência foi repetida nos laboratórios da IBM na Califórnia e teve em vista a criação de circuitos eléctrico nanométricos chamados "spintronics" e, bem assim, construir o computador quântico, melhorar a ressonância magnética para aumentar ainda mais a resolução do microscópio atómico.
Nas imagens conseguidas dos electrões, os de energia n=1 apresentam-se como uma única esfera luminosa em aparente rotação; os de n=2 como duas "girando" em torno de um eixo vertical invisível e os de n=2, mas m=1 como duas esferas "girando" em torno de um eixo horizontal.
As órbitas ou orbitais são mais uma espécie de conchas luminosas, fisicamente definidas como campos que representam um espaço de densidade ocupado pelos electrões. Assim, um electrão confinado não é uma partícula. Todos os orbitais do único electrão do Hidrogénio só podem ter números quânticos de n=1 a n=4.
Nos átomos de muitos electrões é quase impossível resolver as respectivas equações quânticas. Até agora conseguiu-se apenas com o Hidrogénio, o Hélio e o Lítio.
Os diferentes níveis orbitais de um átomo só podem ser preenchidos com os seguintes estados quânticos dos electrões: n (quantum de energia ou número quântico principal) o primeiro número e l (número quântico secundário) o segundo:
1) 1, 0 - um só electrão no primeiro nível como no H.
2) 2, 0 e 2, 1 – dois electrões
3) 3, 0 e 3, 1 – idem
4) 4, 0 e 3, 2 e 4, 1 – três electrões
5) 5, 0 e 4, 2 e 5, 1 – três electrões
6) 6, 0 e 4, 3 e 5, 2 e 6, 1 – quatro electrões
7) 7, 0 e 5, 3 e 6, 2 – três electrões.
Este esquema obedece à chamada "Aproximação de Hartree" que prevê a ordem em que os orbitais electrónicos são aproximadamente preenchidos. Digo aproximadamente porque falta aqui o m = número quântico magnético e s = spin que, só aparentemente, têm algum papel no preenchimento dos níveis orbitais dos electrões confinados aos seus átomos.
Chegamos aqui à explicação final quanto ao carácter da matéria, porque dada a quase ausência de massa inerte nas chamadas partículas, se não tivessem energia suficiente seriam capazes de produzir uma matéria praticamente invisível num estado mais próximo do vácuo do que de qualquer gás por menos denso que fosse. No fundo, é a união que faz a força, a união dos átomos e é a chamada interacção ou força electromagnética que se manifesta em todas as partículas electricamente carregadas que liga os electrões aos núcleos para formar os átomos e estes entre si para formar as moléculas. Em síntese, é esta interacção ou força que deu origem a toda a matéria que nos rodeia e de que somos formados
A solidez da mesa em que escrevo dever-se-á ao "Princípio da Exclusão de Pauli" que afirma que não podem coexistir duas partículas no mesmo "estado quântico", um princípio não demonstrável, mas explicado pela natureza das coisas. Daí resultam forças que levam os electrões de uns átomos a ligarem-se aos seus parceiros possíveis de outros átomos para dar moléculas e essas forças em equilíbrio com as cargas positivas dos protões são suficientemente fortes para produzirem a consistência de tudo o que nos rodeia.
O "Princípio de Pauli" é em parte responsável pela tabela periódica dos elementos de Mendeleiev. Os elementos químicos caracterizam-se pela sua concha elipsóide de electrões mais afastados do núcleo do átomo, sendo a tabela organizada pelo Número Atómico = quantidade de protões igual ao número de electrões nos átomos estáveis não ionizados e Número de Massa = protões + neutrões.
Segundo Pauli só podemos ter dois electrões para o mesmo valor de n, l e m, devendo um ter um spin de S=+1/2 e o outro de S=-1/2, portanto, na chamada "concha" das valências. Da mesma maneira, para cada valor de m terá de haver dois electrões que diferenciem-se de outro número quântico, l por exemplo, e assim sucessivamente. Claro, isto considerando os electrões no seu estado normal, isto é, de energia mais baixa, pois quando excitados podem saltar de uma concha elipsóide para outra mais exterior e ainda para outra até tornarem-se electrões livres produtores da nossa tão utilizada electricidade ou serem electrões livres de velocidade zero correspondente à energia de potencial zero. Ou então, no elipsóide exterior uma situação de desequilíbrio por falta ou excesso de electrões é recomposta com elipsóides exteriores de outro átomo e aí temos as referidas ligações ou valências que dão as reacções químicas que produzem todas as moléculas do nosso corpo e de tudo o que nos rodeia.
Mas em 2003 verificou-se que os electrões podem afinal derrogar o Princípio de Pauli e formar pares, sendo isso que explica o fenómeno da supercondutividade de certos materiais a temperaturas muito baixas que permite a passagem de corrente eléctrica sem resistência de modo a originar um movimento de campo eléctrico perpétuo sem fornecimento de energia adicional à necessária para o arranque.
E tal como nos quarqs e nos protões, os electrões que também não são esferas em rotação, mas antes objectos de forma indefinida com eventuais momentos angulares de spins medidos em unidades de
h = Constante de Planck/2π = 1,0542 × 10‾27 erg-seg.
Sendo 1 erg = 10‾7 Joules, unidade de força que corresponde à aceleração de uma massa de um quilograma a um metro por segundo quadrado (Newton) e momento angular é o produto da força por uma distância no interior do elipsóide. Assim, a força angular do electrão daria para acelerar uma massa aproximada de 1 grama a dividir por 1017, ou 0,00000000000000001 gramas. Uma massa de um grama só poderia ser acelerada por um feixe de 10 × quatro multiplicações de milhão por milhão de electrões.
Acrescente-se ainda que a constante de Planck h é a base de toda a física quântica e foi dada a conhecer em 1900 pelo físico alemão Max Planck que começou por estudar o resultado de pesquisas feitas a respeito das radiações de calor emitidas por um corpo negro e depois outras para chegar à sua fórmula basilar da natureza em que toda a radiação é energia e onda com uma frequência relacionada pela fórmula E=hν (sendo ν a frequência). É uma fórmula empírica resultante de muitas medições de energia com sistemas termoeléctricos muito sensíveis e apurados e da frequência das ondas propagadoras da energia dispersadas em sistemas prismáticos. Esta formulação é aplicável a todo o tipo de radiação.
Os electrões são cargas em aceleração angular, mas não podem perder energia continuamente, só em quantidades definidas por h/2π, portanto em saltos ou quantos. São objectos quânticos e múltiplos não inteiros. O 2π aqui demonstra o carácter ondulatório do movimento dos electrões, já que é a distância angular percorrida num ciclo completo.
A verdadeira fórmula de Planck seria mesmo E=h/2π.ν, Mas como 2π é uma unidade de relação na geometria não tem uma correspondente unidade física, pelo que a sua presença ou ausência não afecta os parâmetros intrínsecos ou conceitos quânticos.
Escape de Um Electrão na Linha do Campo Electrónico
tags: electrões
publicado por DD às 00:44
De Pedro Caleja a 27 de Fevereiro de 2006 às 23:43
Um verdadeiro homem dos sete ofícios. Só agora vi estes dois blogs. Não admira que os arigos no "século" não saiam com a frequência que eu desejaria (tipo diariamente). Abraço.