Capítulo XIV

 

ESTABILIDADE ELECTRODINÂMICA DO ÁTOMO

 

“ Teoricamente possível,

     infinitamente difícil. ”

 - John Gribbin -

 

 

     A maioria dos físicos contemporâneos acredita que actualmente existem dois tipos de Física: a Física Clássica e a Física Quântica. E o que quer isto dizer?

     Por exemplo, dizem que os electrões num átomo têm níveis energéticos quânticos bem definidos e que isso explica a razão pela qual os átomos são estáveis.

     Depois, consolidam o seu raciocínio dizendo que, já a Física Clássica obedece a princípios não quânticos.

     Isto porque consideram que os electrões são objectos quânticos e que, portanto, não partilham das propriedades da Física Clássica.

     Reparem bem, para evitarem o paradoxo, definem o seguinte:

     Cargas eléctricas aceleradas a um nível não quântico emitem radiação;

     Cargas eléctricas aceleradas a um nível quântico não emitem radiação.

     Portanto, dividem a Física em duas partes, a Física Quântica e a Física Clássica, com propriedades distintas.

     A meu ver, este é mais um erro crucial … a Física deste Universo, tanto quanto sei, é única e uma só!

 

     Parece que todos os corpos no Universo possuem uma velocidade circular responsável pelo equilíbrio delicado da Natureza.

     Será este tipo de velocidade, de alguma forma, privilegiada? Uma espécie de Movimento de Ouro?!

     Muito interessante este movimento circular. Se virmos bem, este tipo de movimento parece estar presente em todas as estruturas principais do Universo. Desde o átomo, à rotação das estrelas, à translação dos sistemas planetários, aos cometas e ao movimento dos discos galácticos … tudo tem de estar em rotação e em perfeita harmonia com esta aceleração circular!

     Será este O Movimento de Ouro? Esta força associada ao movimento circular parece ser a única constante, tanto do Micro como do Macro Cosmos … deveras interessante!

     Contudo, as órbitas destes astros, bem com a dos planetas, não são exactamente circulares. Essas órbitas são elípticas. E porquê que as órbitas são elípticas?

     Mais uma vez, aparentemente, parece que estamos a fazer uma pergunta simples…

     Saber que as órbitas são elípticas e que estão de acordo com as Leis de Kepler; que as órbitas dos planetas são elipses com o Sol a ocupar um dos focos; não significa que se esteja a explicar o porquê dessas órbitas serem elípticas.

     Porquê que a Natureza prefere órbitas elípticas em vez de perfeitamente circulares. O que foi que tornou essas órbitas elípticas?!

     Se a Força de interacção Gravitacional entre os planetas e o Sol só dependesse da constante Gravitacional, das massas e das distâncias envolvidas entre os corpos; então, uma vez que Força da Gravidade deve se distribuir de uma forma igual e uniforme em todo o redor do Sol, distribuindo-se igualmente para ambos os lados de acordo com a Lei do Inverso do Quadrado da Distância; não deveriam as órbitas dos planetas ser circulares?

     Pois, mas as órbitas são elípticas …

     Imaginemos se a órbita fosse circular, que consequências é que isso traria?!

     Como a Gravidade actua de acordo com a Lei do inverso do quadrado da distância, de uma maneira geral sabemos que quanto mais distante mais fraca é a interacção gravitacional; se a órbita de um planeta fosse circular este estaria numa situação crítica e de risco, pois bastaria constatar que a parte do planeta mais interna estaria sempre sujeito a uma atracção gravitacional maior, a parte que estivesse menos distante do Sol seria constantemente mais atraída e bastaria que o planeta se desviasse um milímetro da sua rota para que a Força Gravitacional já fosse um pouco mais forte nessa órbita ligeiramente mais interna e assim sucessivamente, isto conduziria a que todos os planetas, mais cedo ou mais tarde, caíssem todos em espiral em direcção ao Sol!

     E isto sem mencionar as restantes influências gravitacionais externas, que tornariam o equilíbrio do sistema ainda muito mais precário.

     Agora, refaçamos a pergunta:  Porquê que as órbitas são elípticas?!

     E concluímos com a seguinte resposta: Porque a Natureza é inteligente.

     A Natureza é muito inteligente, e sabe perfeitamente que uma órbita circular não iria funcionar.

     De modo a evitar este equilíbrio demasiado instável, a Natureza encontrou uma solução melhor: tornou as órbitas elípticas!

     Uma órbita elíptica tem as suas vantagens: Primeiro, este tipo de órbita obriga a que a velocidade do planeta não seja constante. Quando o planeta está a aproximar-se do Sol está a sentir a força gravitacional que o atrai e isto faz com que o planeta ganhe aceleração, isto é, ganha mais velocidade, como tal, transporta mais Energia Cinética e uma Inércia maior.

     No momento em que o planeta se encontra mais perto do Sol ( periélio ), é quando o vector velocidade se torna perpendicular à atracção gravitacional e este atinge o valor máximo, bem como a inércia atinge o valor máximo, por isso o planeta continua a sua rota mas agora para um ponto mais distante do Sol ( afélio ). Nesse percurso a velocidade do planeta vai diminuindo devido à atracção gravitacional que o puxa para trás, reduzindo sucessivamente o grau de inércia do astro viajante, até que a velocidade atinge um valor mínimo e o planeta é obrigado a ceder, vendo-se impotente para combater a atracção gravitacional imposta, por isso este retoma a sua trajectória para mais perto do Sol e segue-se novamente o mesmo ciclo.

     Este tipo de movimento é constante e praticamente eterno, como o Movimento de um Pêndulo, e evita o colapso em espiral.

     O segredo deste movimento traduz-se num ligeiro desequilíbrio e desfasamento entre a Força Centrípeta ( onde a Gravidade puxa o planeta para uma órbita mais interna ) e a Força Centrífuga ( onde a Inércia exige que o planeta se afaste para uma órbita mais externa ).

     Lembremos que num relógio de pêndulo a Energia Mecânica conserva-se e o sistema é auto-suficiente, e não precisamos de estar constantemente a dar empurrões ao pêndulo para que o relógio trabalhe.

    Esta forma de movimento é quase mágica, perfeitamente constante e precisa. É como uma máquina de movimento perpétuo, ou quase … só precisa que alguém lhe dê o piparote inicial.

     Passemos agora da Astrofísica para a Microfísica:

     A Natureza permite muitas analogias, não fosse este o mesmo Universo.

     Também dentro dos átomos há aceleração, bastante aceleração. Mas o que é que permite o equilíbrio do sistema, a estabilidade Electrodinâmica de um átomo e das suas partículas constituintes?

     Neste caso, praticamente podemos desprezar a atracção gravitacional. O que mantém os electrões unidos ao núcleo é a influência electromagnética.

     De uma maneira geral, podemos colocar o mesmo tipo de questão: se cargas opostas se atraem e a força electromagnética entre protões e electrões é atractiva porquê que os electrões não se precipitam em direcção ao núcleo?

     Se adoptarmos o mesmo modelo da Gravidade, e concluirmos que dentro dos átomos, os electrões não permanecem em órbitas circulares, e que estes deslocam-se em torno do núcleo com velocidade e aceleração, poderíamos pressupor que estes também encontraram a solução se descreverem ‘órbitas elípticas’.

     Constata-se, de facto, que as órbitas tridimensionais dos electrões são elipsoidais. Neste caso, as ‘órbitas elípticas’ têm mais qualquer coisa a acrescentar… estas ‘órbitas elípticas’ são delineadas pelos ‘saltos quânticos’, que é o que desloca o electrão para mais perto e para mais longe do núcleo.

     Actualmente, há duas grandes questões que muito inquietam os Físicos das partículas.

     A primeira, é saber porquê que cargas eléctricas aceleradas só emitem radiação quando transitam de níveis energéticos, e quando se encontram no seu estado fundamental não emitem radiação electromagnética;

     A segunda, é perceber porquê que esta carga acelerada não esgota toda a sua energia e radiação.

     A primeira parte da questão é bastante simples de explicar; a segunda, já requer um pouco mais de cuidado e abstracção.

     Constata-se que a emissão de radiação electromagnética só ocorre quando o electrão transita para um nível energético inferior. Somente no nível energético fundamental é que o átomo recupera o seu estado natural e de equilíbrio e aí já não emite radiação electromagnética. Até aqui está tudo certo.

     O problema agora consiste em perceber porquê que este electrão acelerado em torno do núcleo, no seu estado fundamental, não emite energia de radiação.

     Talvez o problema esteja em continuarmos à procura da energia errada!

     Muito embora o átomo no seu estado fundamental não emita energia electromagnética, não podemos nunca esquecer que este átomo continua a emitir energia … outra forma de energia … Energia Gravitacional, ou mais precisamente Radiação Gravitacional!

     Poderíamos especular que a Transição Quântica emite Ondas Electromagnéticas;

     E que a Estabilidade Quântica emite Ondas Gravitacionais.

     Isto resolveria o nosso problema de que cargas aceleradas emitem continuamente radiação. O átomo não deixaria de emitir radiação, apenas emite duas formas de radiação! A Radiação Electromagnética e a Radiação Gravitacional!

     Ondas de energia em forma de Radiação Gravitacional …

     Agora, a segunda parte da questão:

     Imaginemos primeiro um núcleo atómico que precisa de ser protegido do exterior. A sua blindagem é feita envolvendo o núcleo com uma electrosfera de carga negativa. Esta electrosfera protege o núcleo do bombardeamento constante de partículas externas e energéticas como os fotões.

     Um fotão pode surgir de todas as direcções, e é por isso que a Densidade de Carga Negativa tem de estar distribuída por toda a parte em redor do núcleo. Nesta forma, os electrões não estão propriamente localizados, concentrados em partículas, a sua densidade de carga está distribuída e expandida quase que uniformemente a envolver o núcleo. Por isso é que se pode dizer que os electrões estão em todo o lado e em lado nenhum … têm o dom da ubiquidade!

     Mas sempre que um fotão colide com esta electrosfera, o que é que acontece?

     A electrosfera absorve energia.

     E quando a electrosfera absorve energia o que é que acontece?

     Agora … a parte mais abstracta: Materializa o electrão nesse ponto e isto impulsiona-o para um nível energético superior. Com a absorção de energia ocorre a concentração da carga e isto permite com que o electrão ganhe liberdade e energia suficiente para se distanciar e repelir do núcleo, isto é, o raio do átomo altera-se tornando-se maior.

     Note-se que, a absorção de energia não altera o valor da carga do electrão, esta apenas excita a partícula, tornando-a mais energética, pois a carga eléctrica, como sabemos, é uma Constante Fundamental e Universal.

     Se o raio do átomo altera-se mas a quantidade de carga negativa é a mesma, (podemos relacionar que o átomo continua com o mesmo número de electrões) mas esta está mais expandida, logo, a densidade de carga por unidade de volume é menor. A carga periférica tem mais liberdade, pois não sente tanta atracção eléctrica mas simultaneamente tem menos densidade e energia insuficiente para se desprender e abandonar o átomo, para desertar. É aí que entra novamente a atracção electromagnética que começa a fazer-se sentir, pois esta força também trabalha da mesma forma que a Lei do inverso do Quadrado da Distância e a força dos protões vai atraindo a carga negativa externa, reduzindo o raio do átomo para um valor menor e concentrando a densidade de carga negativa.

     Durante este processo os electrões vêm-se impotentes para fugir à atracção do núcleo e rendem-se; enfraquecem e perdem inevitavelmente a energia extra adquirida emitindo para o exterior radiação electromagnética na forma de fotões; e eis que um novo fotão colide com o átomo e inicia-se novamente o mesmo processo… ad infinitum!

     O fotão sai … o fotão entra; é energia que sai … é energia que entra; este processo repete-se de uma forma constante, vai e volta … tal como um pêndulo!     

 

     Antes de finalizarmos o nosso tema de Radiação Gravitacional, pretendo dar destaque a uma simples experiência bastante comum e quase banal.

     Vamos pensar no que acontece quando aquecemos gradualmente um objecto qualquer, uma peça de metal, por exemplo.

     O que estamos a fazer é a fornecer energia ao metal. O que acontece no interior dos átomos do metal é que os electrões absorvem esta energia e isso provoca a agitação dos próprios electrões. Uma vez que a radiação electromagnética é produzida sempre que se agita cargas eléctricas, isto é, sempre que se acelera os próprios electrões, o metal começa a transmitir radiação electromagnética na forma de irradiação de calor, ou mais precisamente, radiação infravermelha, e por isso aquece. Se continuarmos a aquecer o metal, antes de aparecer qualquer radiação visível o metal aquece um pouco mais e as suas partículas começam a vibrar um pouco mais depressa. Com o aumento de energia aumenta também a frequência, até que chega a um ponto em que o metal começa a emitir luz visível. Se continuarmos a fornecer energia, a luz visível, inicialmente vermelha, passará para amarela depois para branco e, finalmente, azul rubro.

     Até aqui, nada de novo. Tudo parece bem …

     Ao iniciarmos o aquecimento do metal estamos a provocar a agitação dos vários electrões constituintes do material, e estes adquirem energia suficiente para produzir quanta de baixa energia e grandes comprimentos de onda na forma de radiação infravermelha. Posteriormente, com a continuidade do aquecimento, deve verificar-se que já existe energia suficiente para que se comece a libertar alguns quanta de média frequência e comprimentos de onda médios, e apenas será libertada alguma radiação de energia média, isto é, a luz visível. E finalmente começam a aparecer poucos quanta de grande energia e de elevada frequência, responsáveis pela libertação de comprimentos de onda curtos, ou seja, da radiação ultravioleta.

     Este seria o processo lógico. Contudo, muito embora existam bastantes electrões capazes de produzir quanta de baixa energia e comprimentos de onda longos, constatamos que isso não se verifica! Há muito pouca emissão de radiação de baixa energia!

     Esta extraordinária subtileza escapa a qualquer explicação teórica.

     Olhemos atentamente para o seguinte gráfico:

 

 

 

- Radiação emitida por um objecto quente -

 

      Este gráfico traduz a emissão de radiação de um corpo, e no qual esperaríamos encontrar uma grande emissão de radiação de baixa frequência … olhamos para o gráfico e praticamente não encontramos a emissão desses grandes comprimentos de onda! Que estranho! Ninguém acha isto estranho?! Parece que está a faltar radiação! Para onde foi a energia absorvida?!

     Se supostamente há mais electrões com energia suficiente para emitir esses comprimentos de onda longos, porquê que isso não se verifica?! Onde estão os longos comprimentos de onda?!

     Parece que os electrões têm uma certa dificuldade em produzir elevados comprimentos de onda, e consecutivamente, baixas frequências.

     De acordo com a constante de Planck, a energia mínima possível terá um valor de 6,626 x 10-34 J.s, onde o Joule é uma medida de energia por segundo, e este valor é realmente muito pequeno.

     Há uma energia mínima. E porquê que há uma energia mínima?! Não deveria a emissão desta energia electromagnética começar a partir do valor zero?! Mas não … há uma energia mínima. Curioso … subtil mas curioso…

     O que se verifica na prática é que, o início da emissão de ondas electromagnéticas começa a partir de um valor mínimo de energia … que é a constante de Planck.

     Abaixo deste valor, não é possível emitir Energia Electromagnética …  mas é possível emitir outra forma de energia, cujo valor está na ordem de 10-38 ou 10-40 … essa energia é a Energia Gravitacional!

     Os longos comprimentos de onda, as baixas frequências, não estão na forma de Radiação Electromagnética … estão na forma de Radiação Gravitacional!

     Estas são as pequenas mensagens subtis que a Natureza nos oferece. E é por isso que a Gravidade é a mais fraca de todas as Forças … mais uma vez, na Natureza não há Lei do Acaso … pessoalmente não acredito que na Natureza exista indeterminismo ou leis do acaso. Parece-me que tudo é resultante de uma relação causa-efeito de eventos anteriores, e tudo parece estar intencionalmente organizado com um sentido e aplicação prática.

     A Física transporta-nos para conclusões e reflexões cada vez mais interessantes e surpreendentes, que dotam a Natureza de uma enorme inteligência funcional!

     Tudo funciona na perfeição …