DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Louis De Broglie E As Ondas De
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DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Louis de Broglie e as ondas de matéria Pedro Sérgio Rosa Orientador: Dr. Roberto de Andrade Martins UNICAMP IFGW Campinas, SP 2004 DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Louis de Broglie e as ondas de matéria Pedro Sérgio Rosa Banca Examinadora: - Dr. Roberto de Andrade Martins (Orientador) - Dra. Carola Dobrigkeit Chinellato - Dr. Nelson Studart Filho UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE FÍSICA “GLEB WATAGHIN” Campinas, São Paulo ii iii FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DO IFGW - UNICAMP Rosa, Pedro Sérgio R71L Louis de Broglie e as ondas de matéria / Pedro Sérgio Rosa. -- Campinas, SP : [s.n.], 2004. Orientador: Roberto de Andrade Martins. Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física “Gleb Wataghin”. 1. Broglie, Louis de, 1892-1987 2. Ciência – História. 3. Mecânica ondulatória. 4. Dualidade onda-partícula. I. Martins, Roberto de Andrade. II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Física “Gleb Wataghin”. III. Título. iv Agradecimentos Agradeço ao bom e generoso Deus, que me deu muitas coisas das quais eu não me considerava merecedor. Deu-me compreensão e amparo nos momentos de aflição e tristeza, saúde pra continuar nesta pequena jornada rumo à eternidade. Ofereceu-me sua luz no momento em que a escuridão sufocava meu espírito. Agradeço aos meus pais por terem lutado com todas as forças que podiam, trabalhado com honestidade e dedicação para criar a mim e a meus irmãos. Dedico de todo coração este trabalho a meu pai Antonio pela sua energia e força de trabalho, e a minha mãe, dona Nere, pela sua ternura e bravura, mãe dedicada e compreensiva que nunca abandonou seus filhos. Agradeço de todo o meu espírito ao professor Roberto de Andrade Martins, por ter sido um orientador compreeensivo e generoso. Agradeço a sua infinita paciência durante todo o trabalho que desenvolvemos, principalmente num momento em que eu estava com dificuldades pessoais, por causa do mau estado de saúde do meu irmão. Agradeço a todas as pessoas que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho. Tenho enorme gratidão para com os funcionários deste Instituto, que trabalham de forma dedicada para que concluamos nossas pesquisas. Agradeço aos membros do Grupo de História e Teoria da Ciência (GHTC) que contribuíram com valiosas críticas para que este trabalho melhorasse sua qualidade. Gostaria de agradecer a todos os que contribuíram para que o CNPq pudesse me auxiliar com recursos para o desenvolvimento deste trabalho e também a toda estrutura do IFGW que forneceu o suporte material. Gostaria de agradecer à Fundação Louis de Broglie – Paris, por ter me enviado um exemplar do livro do senhor Georges Lochack, sobre a vida e a obra de Louis de Broglie. Dedico este trabalho com todo amor e carinho a minha querida Marta Cristina Paladini, que tem sido uma luz e um perfume para o meu caminho. Dedico este trabalho ao professor Antonio Fernando Prado de Andrade, um mestre, um guia, uma luz. Muito obrigado por ser um grande amigo cósmico. v Resumo Este trabalho estuda a história do conceito da dualidade onda-partícula, do início do século XX (trabalhos de Albert Einstein) até o surgimento da teoria de Louis de Broglie. O primeiro capítulo descreve a história inicial da teoria quântica, do estudo da radiação do corpo negro até 1909, dando ênfase especialmente às idéias de Einstein a respeito da natureza da luz, e outras interpretações corpusculares da radiação (William Bragg, J. J. Thomson e Johannes Stark). Nenhuma dessas propostas pode ser descrita como uma síntese dos conceitos de onda e partícula. O segundo capítulo descreve os principais episódios relevantes de 1909 até 1922. Durante esse período, a teoria quântica teve um forte desenvolvimento, especialmente após a Conferência Solvay de 1911 e depois do surgimento da teoria de Niels Bohr sobre os espectros atômicos. No entanto, a natureza do quantum e da radiação permaneceram obscuras. Entretanto, pesquisas sobre raios X trouxeram o problema da dualidade à tona, porque essa radiação exibe de um modo notável várias propriedades corpusculares, embora também exiba propriedades ondulatórias na difração por cristais. A descoberta do efeito Compton em 1922- 1923 foi também uma fortíssima evidência a favor da natureza corpuscular dos raios X. Os capítulos seguintes descrevem o trabalho de Louis de Broglie. Seu ponto de partida foi o estudo experimental dos raios X, no laboratório de seu irmão (Maurice). Em 1922, De Broglie publicou seus primeiros estudos teóricos sobre os quanta de luz, e no ano seguinte desenvolveu as idéias fundamentais de sua teoria sobre a dualidade onda-partícula tanto para a luz quanto para a matéria. Os primeiros trabalhos de Louis de Broglie são analisados no capítulo 3, e sua tese de doutoramento, apresentada em 1924, é discutida no capítulo 4. A principal contribuição da presente dissertação é a análise detalhada dos trabalhos de De Broglie, de 1922 a 1924. O último capítulo apresenta uma breve visão de desenvolvimentos posteriores, tais como a confirmação experimental das propriedades ondulatórias dos elétrons e a influência da teoria de De Broglie sobre Schrödinger. vi Abstract This work studies the history of the concept of wave-particle duality, from the beginning of the 20th century (Albert Einstein´s works) to the emergence of Louis de Broglie’s theory. The first chapter describes the early history of quantum theory, from the study of black-body radiation to 1909, with special emphasis upon Einstein’s ideas about the nature of light and other corpuscular interpretations of radiation (William Bragg, J. J. Thomson and Johannes Stark). None of those proposals can be described as a synthesis of the wave and particle concepts. The second chapter describes the main relevant episodes from 1909 to 1922. During this period, quantum theory underwent a strong development, especially after the Solvay Conference of 1911 and Niels Bohr’s theory of atomic spectra. The nature of the quantum and of radiation, however, remained obscure. Research on X rays, however, brought the duality problem to the front position, because this radiation exhibited in a remarkable way several corpuscular properties, while it also displayed wave properties in crystal diffraction. The discovery of the Compton effect in 1922-1923 was also a very strong evidence for the corpuscular nature of X rays. The following chapters describe the work of Louis de Broglie. His starting point was the experimental study of X rays, in his brother’s (Maurice) laboratory. In 1922, de Broglie published his first theoretical studies about light quanta, and in the next year he developed the fundamental ideas of his theory of wave-particle duality for both light and matter. Louis de Broglie’s first papers are analyzed in chapter 3, and his PhD thesis, presented in 1924, is discussed in chapter 4. The detailed analysis of de Broglie’s works from 1922 to 1924 is the main contribution of the present dissertation. The last chapter gives a brief survey of later developments, such as the experimental confirmation of the wave properties of electrons and the influence of de Broglie’s theory upon Schrödinger. vii SUMÁRIO INTRODUÇÃO: PRIMEIROS PASSOS EM DIREÇÃO A UMA NOVA TEORIA.........1 CAPÍTULO 1: EINSTEIN E A PROPOSTA DA DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA PARA A LUZ (RADIAÇÃO): UM PROBLEMA HISTORIOGRÁFICO..........................6 1.1 INTRODUÇÃO....................................................................................................6 1.2 A TEORIA QUÂNTICA ANTES DE EINSTEIN..............................................6 1.2.1 A teoria do corpo negro...........................................................................7 1.2.2 A lei de Wien.............................................................................................8 1.2.3 Planck e a lei de Wien..............................................................................9 1.2.4 A nova teoria do corpo negro de Planck................................................12 1.2.5 A quantização da energia.......................................................................15 1.3 A PROPOSTA DA DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA PARA A LUZ........16 1.4 O QUE SERIA DUALIDADE?.........................................................................19 1.5 O ARTIGO DE EINSTEIN DE 1905................................................................20 1.5.1 A descontinuidade da matéria e a continuidade dos campos................20 1.5.2 O conflito entre a teoria eletromagnética e o princípio da equipartição da energia...............................................................................................22 1.5.3 As constantes fundamentais....................................................................23 1.5.4 A lei de Wien e a entropia da radiação..................................................24 1.5.5 Comparação entre um gás e a radiação................................................24 1.5.6 Aplicações da hipótese...........................................................................27 1.5.7 Conclusões sobre o artigo de Einstein, de 1905....................................27 1.6 EINSTEIN E O CALOR ESPECÍFICO DOS SÓLIDOS..................................30 1.7 OS RAIOS X E A NATUREZA DA RADIAÇÃO...........................................31 1.7.1 Willian Bragg e a teoria corpuscular dos raios X.................................33 1.7.2 Joseph John Thomson............................................................................35 1.7.3 Johannes Stark………………………………………………………...37 1.8 OS