A teoria quântica surgiu para se tentar explicar novos fenômenos que os físicos estavam estudando no final do século XIX, mais precisamente, a "hipótese quântica" foi criada por Planck, em 1900, para justificar a radiação de um corpo negro.

O problema do corpo negro! (1900)

Podemos pensar em um corpo negro como uma cavidade completamente fechada, a não ser por um pequeno orifício por onde a luz entra. Num modelo "ideal" de um corpo negro, a luz que penetra nele é completamente absorvida nas sucessivas reflexões em suas paredes internas. Daí o nome, corpo negro.
O problema do corpo negro consistem em se estudar a radiação emitida por ele em função do seu comprimento de onda (). A teoria clássica (Lei de Rayleigh-Jeans) previa uma densidade de energia emitida em função do comprimento de onda da seguinte forma:

É fácil percebermos que para altas freqüências ( pequeno) a densidade de energia "estoura" para infinito. Essa é a conhecida "Catástrofe do ultravioleta".
Ao se fazer as medições, a fórmula de Rayleigh-Jeans concordava perfeitamente bem para comprimentos de ondas grandes, porém, para pequenos valores de , o experimento discordava muito com a teoria.
O passo revolucionário foi dado por Planck. O modelo que ele criou dizia que a energia não era emitida de forma contínua, mas sim em pequenos pacotes, de energia bem definida.

Onde E indica a energia, h foi uma constante introduzida por Planck (A constante de Planck) e indica a freqüência da radiação emitida.
Com essa hipótese de que a energia era quantizada, e não contínua, Planck estabeleceu uma nova fórmula para a emissão de corpo negro que concordava perfeitamente com os dados experimentais.



O efeito Fotoelétrico (1905)

Uma etapa importante da hipótese quântica foi dada quando Albert Einstein utilizou a hipótese de Planck para explicar um outro fenômeno que desafiava os físicos da época, o efeito fotoelétrico.
Resumidamente, o efeito fotoelétrico consistem em se incidir luz em uma placa metálica e se observar os elétrons "arrancados" pela luz.
A teoria clássica previa que, independente da freqüência da luz incidente, os elétrons da placa iriam, após algum tempo, adquirir energia suficiente para escapar do metal. Previa também que, se o elétron estivesse fortemente ligado ao metal, bastava que ele absorvesse energia (luz) por mais tempo, até que finalmente conseguisse escapar da placa.
O fenômeno observado era completamente diferente. Para cada metal existia uma "freqüência de corte", que, abaixo desta, por mais forte que fosse a luz, e por mais tempo que ela iluminasse a placa, nunca um elétron escapava. Outro fato observado era que o elétron não demorava nenhum tempo "armazenando energia" até escapar; ou ele escapava assim que recebia a luz ou simplesmente não escapava.
Para explicar o efeito fotoelétrico, Einstein supôs que a energia eletromagnética (luz) que incidia na placa não era contínua, mas vinha em pequenos pacotes, denominados fótons, cada um com energia dada pela fórmula de Planck.


A interpretação de Einstein (que concordava perfeitamente com os experimentos) era que os eletros estavam presos ao metal por uma certa energia ( - a função trabalho do metal). Se a energia do fóton incidente no metal fosse maior do que a função trabalho do metal, o elétron iria escapar, caso contrário, por maior que fosse o número de fótons incidente, o elétron nunca escaparia.
A fórmula proposta por Einstein é a seguinte: (Onde a diferença entre a energia do fóton e a função trabalho do metal é convertida em energia cinética do elétron que escapa).


Com essas idéias, Einstein estava tratando a luz (que era tratada puramente como uma onda, devido aos fenômenos de interferência e difração) como uma partícula, os fótons, de energia bem definida.

A dualidade Onda - Partícula (1924)

O passo seguinte foi dado por Louis de Broglie. Se a luz, que tinha sido considerada por décadas como uma onda podia também ser tratada como uma partícula (os fótons de Einstein), de Broglie supôs que outras partículas também poderiam ser tratadas como ondas!
De Broglie propôs que todos os corpos, com momento linear (quantidade de movimento) p teria um comprimento de onda associado, dado pela fórmula:


A partir das idéia de Luis de Broglie, vários experimentos confirmaram fenômenos de interferência e difração com "ondas" de elétrons e outras partículas elementares.

O princípio da incerteza

Uma partícula, por definição, tem uma posição no espaço bem definida, já para uma onda não se pode dizer o mesmo. Uma onda não admite uma localização definida.
Após a dualidade Onda-Partícula proposta por de Broglie, surgiu o princípio da incerteza de Heisenberg que dizia não ser possível determinar a posição e a velocidade de uma partícula simultaneamente.
O princípio da Incerteza de Heisenberg afirma que, quanto maior a precisão na determinação da posição de uma partícula, menor a precisão obtida para a sua velocidade (ou quantidade de movimento). Dado pela fórmula:


Onde indica a incerteza na posição, a incerteza na quantidade de movimento e h a constante de Planck.
Devemos ter cuidado com a interpretação física dessa equação. Ela não está tratando de limitações experimentais na determinação de posição e velocidade, o princípio da incerteza diz que é fisicamente incoerente se falar de posição e velocidade de partículas (quânticas) simultaneamente.
Um detalhe curioso é que Einstein nunca aceitou essa interpretação da mecânica quântica.

A equação de onda (1926)
O ponto culminante da teoria quântica veio com a equação de onda de Schrödinger. Se as partículas quânticas eram agora consideradas como uma onda, deveria existir alguma equação que regesse o comportamento dessa onda.
Essa equação foi calculada para um caso bastante simples (o elétron de um átomo de Hidrogênio) e postulada como verdadeira para qualquer outro fenômeno quântico.
Respire fundo e não se assuste. A equação é a seguinte:



Breve estaremos colocando no site um pouco da interpretação dessa equação.