Física Quântica

Habilidades (BNCC) Relacionadas à Física Quântica

1. Identificar e Explicar Fenômenos:

• (EM13CNT104) Identificar e explicar fenômenos relacionados a átomos, moléculas e partículas subatômicas com base em modelos científicos.
• (EM13CNT202) Relacionar o desenvolvimento de tecnologias, como lasers, transistores e computadores quânticos, com os avanços da ciência no estudo da matéria em nível quântico.
• (EM13CNT301) Analisar e interpretar modelos matemáticos e gráficos que descrevam fenômenos quânticos, como espectros de emissão e absorção.
• (EM13CNT302) Resolver problemas que envolvam a interação entre luz e matéria, como cálculos de energia de fótons, frequências e comprimentos de onda.
• (EM13CNT105) Analisar o impacto de descobertas quânticas na história da ciência e seu papel na evolução do pensamento científico.

Conteúdos Relacionados

• Introdução aos Conceitos Quânticos:

Origem e evolução da física quântica.

Diferenças entre a física clássica e a quântica.

• Modelos Atômicos:

Do modelo de Bohr ao modelo quântico.
Níveis de energia e quantização.

• Dualidade Onda Partícula:

Experimento da dupla fenda.
Fótons e elétrons como ondas e partículas.

• Princípios Fundamentais:

Princípio da incerteza de Heisenberg.
Superposição e emaranhamento quântico.

• Interação Luz-Matéria:

Efeito fotoelétrico.
Espectroscopia e absorção de energia.

1. Aplicações Tecnológicas:

Lasers, LED, transistores, ressonância magnética.
Computação quântica e criptografia.

Objetivos

• Desenvolver a Compreensão Científica:

Promover o entendimento de conceitos básicos de física quântica e sua relevância no mundo atual.

• Fomentar a Curiosidade Científica:

Estimular os estudantes a investigar e questionar fenômenos que fogem à intuição cotidiana.

• Promover a Interdisciplinaridade:

Relacionar a física quântica com outras áreas, como química, biologia e tecnologia.

• Preparar para o Futuro Tecnológico:

Familiarizar os estudantes com os princípios que sustentam tecnologias modernas.

• Desenvolver Competências para Tomada de Decisão:

Habilitar os alunos a analisar criticamente questões éticas e sociais relacionadas ao uso de tecnologias baseadas na física quântica.

Física Quântica

A física quântica é um ramo da física que estuda os fenômenos que ocorrem em escalas muito pequenas, como átomos e partículas subatômicas. Diferentemente da física clássica, que descreve o mundo macroscópico com base em leis determinísticas, a física quântica opera em um nível probabilístico e apresenta características intrigantes e contraintuitivas.

Quantização de Energia

Descrição: No mundo quântico, partículas como elétrons não possuem qualquer valor de energia; elas ocupam níveis de energia discretos. Essa ideia foi introduzida por Max Planck e expandida por Niels Bohr no modelo do átomo.

• Exemplo Prático:
  • Um elétron em um átomo só pode "pular" de um nível de energia para outro absorvendo ou emitindo um fóton com uma energia específica. Essa energia é dada pela fórmula:

                                                                            $$E=hf$$

Onde $E$ é a energia, $\mathrm{h }$é a constante de Planck ($6,626\times 10^{-34}\text{J}\text{cdotp}\text{s}$) e $f$ é a frequência do fóton.

• Impacto: Isso explica fenômenos como espectros atômicos, onde cada elemento químico emite luz em comprimentos de onda específicos.

Dualidade Onda-Partícula

Descrição: Objetos quânticos, como elétrons e fótons, exibem comportamentos de partículas (objetos localizados) e de ondas (padrões de interferência e difração). Qual comportamento é observado depende do experimento.

• Exemplo Famoso: Experimento da dupla fenda:
  • Quando partículas, como elétrons, passam por duas fendas sem observação, elas formam um padrão de interferência na tela, como ondas.
  • Quando são observadas ao passar pelas fendas, comportam-se como partículas, formando dois feixes distintos.
• Implicação: Essa dualidade desafiou a visão clássica de que algo deveria ser ou uma partícula ou uma onda.

 Princípio da Incerteza de Heisenberg

Descrição: Introduzido por Werner Heisenberg, esse princípio afirma que é impossível medir simultaneamente a posição ($x$) e o momento linear ($p$) de uma partícula com precisão infinita. Isso é representado matematicamente por:

• Onde $\mathrm{\Delta }x$ é a incerteza na posição, $p$ é a incerteza no momento, e $\mathrm{\hslash }$ é a constante de Planck reduzida
  
  
• Conceito Fundamental: Isso não é uma limitação dos instrumentos, mas uma propriedade intrínseca da natureza quântica.

Superposição

Descrição: Antes de uma medição, um sistema quântico não está em um único estado definido, mas em uma combinação de todos os estados possíveis. Essa combinação é descrita matematicamente por uma função de onda ($\psi$).

• Exemplo Teórico: O "Gato de Schrödinger":
  • Um gato dentro de uma caixa com um dispositivo quântico pode estar "vivo" e "morto" ao mesmo tempo, até que a caixa seja aberta e o estado seja medido.
• Aspecto Matemático:
  • A função de onda colapsa em um estado específico durante a medição, mas antes disso, ela é uma superposição de probabilidades.

Emaranhamento Quântico

Descrição: Quando duas partículas interagem, seus estados podem se correlacionar de forma que a medição de uma determina instantaneamente o estado da outra, mesmo que estejam separadas por vastas distâncias.

• Exemplo Prático:
  • Imagine duas partículas emaranhadas, A e B. Se medirmos a polarização de A e for "vertical", sabemos instantaneamente que a de B será "horizontal", independentemente da distância entre elas.
• Experimentos:
  • Testes de Bell confirmaram que essa correlação quântica é mais forte do que qualquer explicação clássica, desafiando o "realismo local" (a ideia de que as propriedades de uma partícula são definidas antes de serem medidas).

Aplicações Tecnológicas

1. Computação Quântica:
   • Usa qubits (que podem estar em superposição) para realizar cálculos extremamente rápidos em certas tarefas, como simulação de moléculas e criptografia.
2. Criptografia Quântica:
   • Baseia-se no emaranhamento e no princípio de que medir um sistema quântico o altera, garantindo comunicações seguras.
3. Ressonância Magnética Nuclear (RMN):
   • Aplicações médicas dependem de princípios quânticos para manipular spins nucleares e criar imagens detalhadas.