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Difração da onda luminosa; elétrons também passam pelo fenômeno

Você já deve ter visto livros de Ciência, desenhos animados ou mesmo seu professor na escola representando o elétron como uma bolinha que gira rapidamente em torno do núcleo do átomo. Mas será que o elétron, tão frequentemente representado como uma partícula, pode ter propriedades associadas às ondas, como comprimento e frequência? Veremos agora que sim.

O elétron foi descoberto em 1897 pelo físico britânico Joseph John Thomson (1856-1940). Para isso, ele usou uma ampola de Crookes, que é um equipamento desenvolvido quase trinta anos antes pelo físico inglês William Crookes (1832-1919). Essa ampola consiste em um tubo de vidro fechado contendo um gás a baixa pressão, ao qual é aplicada uma corrente elétrica de alta voltagem. Com isso, surge um feixe luminoso que sai de um polo (catodo) rumo ao outro polo (anodo). Por isso, esse feixe é chamado feixe de raios catódicos.

Fazendo uso de um ímã para a geração de um campo magnético na região do tubo, Thomson pôde concluir que as partículas do feixe de raios catódicos possuem carga elétrica negativa. O físico inglês notou que a formação e o comportamento do feixe não variavam com a troca do gás ou dos materiais que compunham o circuito elétrico do tubo. Mas o mais importante foi que Thomson mostrou que os raios catódicos são feitos de partículas contidas em qualquer material e, portanto, em todo átomo. Logo, essas partículas são peças fundamentais da constituição de cada átomo. A partir de então, essas partículas dos raios catódicos passaram a ser conhecidas como elétrons.

Mas, antes de Thomson descobrir o elétron, já se sabia que a luz mostra comportamento de onda, pois apresenta propriedades como comprimento de onda e frequência. Entretanto, em 1900, o físico alemão Max Planck (1858-1947), tentando explicar porque objetos muito quentes emitem luz cuja cor se associa à temperatura em que se encontram, sugeriu que essa emissão de luz ocorre em quanta, ou seja, em “pacotes” contendo quantidades definidas de energia. Esses pacotes seriam partículas de luz e acabaram sendo chamadas, a partir da década de 1920, de fótons.

A sugestão de Max Planck foi tão revolucionária que nem mesmo ele acreditava nela. Mas a matéria já havia passado pelo mesmo dilema: é infinitamente divisível ou existe uma partícula fundamental, indivisível? O inglês John Dalton (1766-1844) já havia demonstrado a existência do átomo no início do século XIX, levando à conclusão de que a matéria possui, sim, uma partícula fundamental e indivisível. Assim, o que Planck propunha era que a energia também possuía um pacote mínimo, indivisível, e que não fosse possível dividir porções de energia infinitamente.

Em 1905, o físico Albert Einstein (1879-1955), usando a teoria de Planck, propôs uma explicação para um fenômeno chamado efeito fotoelétrico. Sua proposta utilizava a sugestão de Planck, de que a luz, como forma de energia, é formada por partículas, ou seja, por fótons. Cada fóton tem uma energia, a qual se associa de forma diretamente proporcional à frequência da onda de luz correspondente. Assim, pode-se dizer que cada fóton tem uma cor. O brilhantismo de Einstein, aqui, é notável: ele usou uma sugestão de explicação de um fenômeno para desvendar outro bastante diferente.

O efeito fotoelétrico é um fenômeno em que se observa a liberação de elétrons de um metal pela incidência de luz. Ou seja, a colisão de fótons contra o metal ejeta elétrons de sua superfície. Mas nem todos os fótons (cores) são capazes de liberar elétrons do metal. Certas cores de luz podem vir em holofotes (muitos fótons, mas de pouca energia, como os de luz vermelha, por exemplo) e não arrancarem sequer um elétron de dado metal, enquanto, em outras cores, fracas lanterninhas (de poucos fótons, mas de alta energia, como as de luz violeta, digamos) são capazes de fazê-lo. Qual é a explicação para isso?

Aqui entra Einstein: cada fóton interage apenas com um elétron. Não dá para juntar a energia de dois fótons para arrancar um único elétron. Assim, para que haja a ejeção de elétrons, um único fóton deve ter uma energia mínima maior que a função trabalho daquele metal. Função trabalho é a energia mínima necessária para se remover elétrons de um determinado metal. A energia excedente do fóton é convertida em energia cinética do elétron. Essa sugestão de Einstein foi validada experimentalmente em 1914 pelo físico estadunidense Robert A. Millikan (1868-1953).

Em 1924, o físico francês Louis-Victor-Pierre-Raymond de Broglie (1892-1987) propôs em sua tese de doutorado que, se a luz possui caráter dual entre onda e partícula, o elétron, até então interpretado apenas como partícula, poderia possuir propriedades ondulatórias. De fato, dependendo da experiência realizada, podemos observar o caráter ondulatório do elétron.

De modo análogo ao efeito fotoelétrico, a colisão de elétrons em um metal é capaz de ejetar fótons. Esse experimento tem seu princípio de funcionamento usado até os dias atuais em hospitais de todo o mundo: lança-se um feixe de elétrons em um metal. Na colisão, os elétrons “arrancam” fótons do metal. Esses fótons têm a mesma natureza da luz, porém, são muito mais energéticos do que os fótons de luz visível. São, portanto, luz invisível altamente energética, conhecida como raio X.

Mas, o que isso tem a ver com a dualidade partícula-onda? A existência dos raios X mostra, mais uma vez, que os elétrons têm propriedades de partícula. Já o efeito fotoelétrico é a demonstração de que os fótons também possuem propriedades de partícula, mesmo que estes últimos sejam mais frequentemente interpretados como ondas.

Você deve estar se perguntando, então, qual é a evidência de que os elétrons também apresentam comportamento de onda, assim como a radiação eletromagnética emitida nos raios X. Para responder a esse questionamento, vamos explorar mais um fenômeno, conhecido como difração.

A difração pode ser entendida como a capacidade de reconstrução de uma onda após se deparar com algum obstáculo. Uma vez que a difração é um fenômeno ondulatório, quem apresenta difração tem características de onda. O surpreendente é que elétrons sofrem difração, assim como as ondas.

Depois de inúmeras tentativas, em 1927, dois cientistas estadunidenses, Clinton J. Davisson (1881-1958) e Lester H. Germer (1896-1971), conseguiram observar a difração de elétrons ao lançar um feixe dessas partículas contra um cristal de níquel. Esse cristal possuía um arranjo regular entre os átomos que o formavam; desse modo, esse arranjo cristalino funcionava como uma rede de obstáculos regulares que difratava as ondas (no caso, elétrons) que nela incidiam. Assim, o trabalho da dupla de pesquisadores confirmou a hipótese de Louis de Broglie.

Atualmente, são muito importantes as técnicas científicas experimentais baseadas na difração de elétrons. São usadas, por exemplo, para determinar a estrutura de objetos muito pequenos, de dimensões dez ou cem milhões de vezes menor que o metro, ou seja, na faixa dimensional do nanômetro. Em uma dessas técnicas, conhecida como microscopia eletrônica de transmissão (TEM, na sigla em inglês), um feixe de elétrons passa através do objeto microscópico que se deseja observar, e então, é formada uma imagem do objeto em um filme ou na tela de um computador.

É encantador notar como uma mesma entidade, como o elétron, pode se comportar de diferentes formas no universo. E que, dependo do seu comportamento, podemos lhe dar uma aplicação diferente, seja gerando raios X (elétrons como partículas) ou imagens de microscópios eletrônicos (elétrons como ondas), por exemplo. As possibilidades são inúmeras.