O primeiro vidro borossilicato

O vidro borossilicato é um tipo de vidro muito resistente a altas temperaturas. Habitualmente comercializado sob o nome de Pyrex, este vidro veio revolucionar a Química, a Culinária, e outras áreas. Este tipo de vidro possui, geralmente, uma composição química bem definida, embora possam surgir algumas variantes. Habitualmente os vidros borossilicatos  possuem uma larga percentagem de sílica (SiO₂), ou dióxido de silício – na ordem dos 80%. Por outro lado, o outro composto principal que dá nome ao vidro é o trióxido de boro (B₂O₃) – presente numa percentagem aproximada de 15%.

Esta composição química confere ao vidro uma elevada resistência aos choques térmicos, que pode ser comprovada sempre que tiramos um assado do forno (numa assadeira de pyrex) e o colocamos numa superfície à temperatura ambiente. No entanto, apesar da patente do pyrex datar da segunda década do século XX, a história do nascimento dos vidros borossilicatos remonta, muito provavelmente, ao primeiro século da nossa era.


Segundo a história contada pelo químico Joe Schwarck, no livro O Génio da Garrafa, um dia um artesão chegou à corte de Tibério César para lhe oferecer um lindo vaso de vidro transparente. Reza a história que, quando o artesão ia entregar o vaso a Tibério, deixou-o cair involuntariamente. Contudo, surpresa das surpresas, o vaso não partiu.


Tibério ficou, deveras, muito impressionado com o fenómeno que ele tinha acabado de assistir. Um vidro que não quebrou... Será bruxaria...? Numa tentativa de compreender o que se passou, Tibério questionou o artesão sobre a origem desse estranho material. Todavia, por ignorância ou por arrogância (talvez mais por esta última), o artesão negou-lhe o segredo.


Consciente ou inconscientemente, o artesão esqueceu-se que, naquele tempo, um "não" podia ser um bilhete de ida para a cova, ou para a fogueira, ou para a arena... Variedade não faltava. Como era de esperar, Tibério condenou o artesão à morte e, com ele, morreu o segredo do "vidro inquebrável" – um segredo que ficaria guardado por séculos.


Contudo, hoje podemos imaginar o que sucedeu na elaboração do "vidro inquebrável" do artesão romano. No período romano, o bórax, ou borato de sódio (N₂B₄O₇), era usado pelos ourives como fluidificante para que os metais escorrerem com maior facilidade quando aquecidos. Muito provavelmente, o artesão também adicionou bórax ou seu vidro para aumentar a sua fluidez. Com essa adição conseguiu produzir um vidro borossilicato aparentemente inquebrável.

A Revolução Quântica - Parte VI

Nota introdutória:

Com este post termina a saga "A Revolução Quântica". Reflectirá sobre os contributos de Heisenberg para esta revolta conceptual. Abordará também a discussão que sucedeu a estas novas formas de pensar. Acima de tudo, procurará render o devido louvor a uma época áurea da Física e da Ciência.

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Apenas um ano depois dos contributos de de Broglie e Schrödinger, o alemão Werner Heisenberg (1901 – 1976) deu-se conta de que a teoria quântica continha algumas previsões estranhas. Ele compreendeu que nenhuma experiência podia ser efectuada em completo isolamento, porque o próprio acto de medir afectava o resultado.

Assim, Heisenberg montou aquele que viria a ser o princípio mais contra-intuitivo alguma vez postulado. Ele afirmou, naquele que ficou conhecido como o princípio da incerteza de Heisenberg, que não é possível, num dado instante, determinar com absoluta certeza quer o momento quer a posição de uma partícula (ou, de maneira similar, a energia num instante de tempo). Esta incerteza podia ser traduzida matematicamente por

Num século de pura descoberta, esta talvez tenha sido a primeira vez que a Natureza impôs um verdadeiro limite ao conhecimento científico. Quer queiramos quer não, a Natureza impossibilita-nos determinar com máxima precisão a posição e o momento de uma partícula (ou a energia num intervalo de tempo). Se conseguirmos melhorar a precisão na medição de uma das quantidades, a outra virá afectada da uma maior incerteza, de forma a que, no total, o produto das incertezas nunca seja igual ou inferior a metade da constante de Panck reduzida. A constante de Planck reduzida é uma quantidade muito usada nas equações da Mecânica Quântica e que resulta da divisão da constante de Planck por duas vezes o valor de π. Este resultado deve-se à dualidade onda-partícula e das definições de posição, momento, energia e tempo de uma partícula serem probabilísticas.

Toda esta Revolução Quântica conduziu a uma grande discussão sobre o assunto. Numa breve análise sobre as principais linhas de defesa (e ataque) da nova teoria quântica, podem destacar-se algumas efemérides interessantes. Logo em 1927, foi formulada uma interpretação formal com o objectivo de defender esta nova teoria. Esta ficou conhecida como a interpretação de Copenhaga, formulada pelo sempre interveniente Niels Bohr. Nesta interpretação é introduzida, pela primeira vez, a noção de colapso das funções de onda, como resultado das observações.

Posteriormente, em 1935, Schrödinger publicou um artigo em que proponha uma experiência hipotética que tentava ilustrar as consequências probabilísticas da nova teoria quântica: a experiência do sobejamente conhecido gato de Schrödinger. Muitas discussões advieram dessa estranha e hipotética experiência. No entanto, o ataque mais duro à nova teoria veio de Einstein, Podolsky e Rosen que, também em 1935, produziram aquilo que ficou conhecido como o paradoxo EPR.

Resistente a todos esses ataques, a teoria quântica ficou firmemente estabelecida até hoje. Ainda nenhuma experiência provou que esta teoria falhava e, ao que parece, este continuará a ser uma das pedras basilares da Física. Muitos foram aqueles que contribuíram activamente para esta Revolução e que não foram citados nesta saga. Todos os que de alguma forma contribuíram nesta nova Física deixaram um legado científico inigualável. Suponho que todos, sem excepção, quer compreendamos de Física quer não, devemos um profundo agradecimento e reconhecimento pelo trabalho vanguardista que estes verdadeiros cientistas desenvolveram.

Espero sinceramente que este conjunto de publicações tenham conseguido provocar no leitor um sentimento de dívida e gratidão por essas grandes mentes do século XX. 

A Revolução Quântica - Parte V

Nota introdutória:

Se bem se lembram, a última parte da Revolução Quântica deixou-nos no ano de 1913, quando Bohr propõe o seu modelo atómico. Nesta parte, falaremos das contribuições de Louis-Victor de Broglie e Erwin Schrödinger. Que novas portas de Broglie e Schrödinger abriram? Vejamos.

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A proposta de Bohr veio dar uma lufada de ar fresco nos modelos atómicos, visto que finalmente havia um modelo que explicava o espectro do átomo de hidrogénio. Por fim, conseguia-se ligar a experiência ao modelo teórico. No entanto, como mostrei no post anterior, "havia algo que o modelo de Bohr não explicava. Com uma melhor resolução na análise de espectros do átomo de hidrogénio, era possível verificar riscas dentro das riscas principais. Este fenómeno, designado estrutura fina espectral, necessitava de uma explicação."

No entanto, infelizmente, a ciência e os seus executores nem sempre podem evoluir em paz. Pouco tempo depois de Bohr ter proposto o seu modelo atómico, rebentou a Primeira Guerra Mundial, em 28 de Julho de 1914. Este infeliz acontecimento, que viria a durar até 11 de Novembro de 1918, cravou profundas marcas de nacionalismo arrogante, ao qual muitos cientistas se aliaram. E, como seria de esperar, a ciência ressentiu-se com isso. Se, por um lado, as guerras serviram para evoluirmos tecnologicamente, por outro, serviram para empanturrar as grandes mentes da ciência com discussões perfeitamente à parte do saber científico. Que desperdício de tempo e sabedoria!

Só quando a poeira da Grande Guerra pousou é que as grandes mentes do século XX recomeçaram a pensar na grande revolução do saber científico que estava a decorrer naquele século. É nesta fase que entra em cena o "nobilíssimo" Louis-Victor-Pierre-Raymond, 7.º duque de Broglie (1892 – 1987). Em 1924, de Broglie sugeriu uma ideia que seria muito difícil de engolir. Einstein havia já provado que as ondas de radiação se comportam como corpúsculos – e já havia recebido o Prémio Nobel por esse facto, em 1921. No entanto, de Broglie sugeriu que as partículas de matéria podem comportar-se como ondas. Ou seja, todos os corpos têm um comprimento de onda a eles associado. Melhor ainda, uma partícula também era uma onda; e uma onda também era uma partícula. Mas, em que ficamos... Onda, ou partícula? De Broglie responde: ambas!

Três anos mais tarde, em 1927, a proposta de de Broglie foi comprovada quando se verificou, pela primeira vez, a difracção e interferência de electrões – exactamente como os fotões de Einstein. Actualmente, a dualidade onda-partícula está bem corroborada experimentalmente e já se conseguiram difractar neutrões, protões e algumas moléculas.

A ideia de que não existia uma partícula sem uma onda associada (e vice-versa) foi, talvez, um dos maiores choques conceptuais da Revolução Quântica. Uma das maiores questões era: Visto que as ondas são contínuas e as partículas não, como é que podemos dizer onde está uma partícula se ela está dispersa como uma onda? A esta pergunta aliava-se o facto dos níveis de energia de Bohr funcionarem apenas para o átomo de hidrogénio – em outros átomos ocorriam algumas variações.

De repente, a ideia de átomo concebida por Bohr deixava de fazer total sentido. Atento a essas questões e inspirado por de Broglie, o austríaco Erwin Schrödinger (1887 – 1961) escreveu uma equação, em 1926, que conseguia descrever a posição de uma partícula quando esta se estava comportar como uma onda. No entanto, só o conseguiu recorrendo à noção de probabilidade. Schrödinger introduziu a sua equação e a ideia de função de onda para exprimir a probabilidade de uma partícula estar num dado sítio, num determinado intervalo de tempo, e incluir toda a informação que pudesse acerca da partícula.

Assim, deixava-se um conceito determinista do átomo para um conceito probabilístico. O novo modelo atómico permitia estabelecer orbitais, e não órbitas, que correspondia a zonas de probabilidade elevada de encontrar um electrão. Todavia, o que talvez fosse mais chocante neste novo modelo é que havia uma probabilidade diferente de zero – pequena, é certo – de um electrão de um átomo estar a uma distância infinita do núcleo.

A equação de Schrödinger revolucionou a física, trazendo a dualidade onda-partícula de de Broglie para toda a matéria conhecida. Contudo, algo de chocante acabaria por acontecer em 1927. Algo que revolucionaria a Revolução Quântica. Mas deixarei isso para a próxima parte.

Baseado no livro 50 Ideias De Física Que Precisa Mesmo De Saber de Joanne Baker.

A Revolução Quântica - Parte IV

Nota introdutória:

Depois de um post dedicado, quase exclusivamente, ao ano 1905, o annus mirabilis de Einstein, é tempo de progredir na cronologia quântica. Posto isto, penso ser conveniente referir a importância das contribuições de Ernest Rutherford e Niels Bohr para A Revolução Quântica.

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A ideia de que a matéria era constituída por átomos indivisíveis vinha desde os tempos de Demócrito (século V e VI a.C.). O próprio defendia a tese de que "Só há átomos e espaço vazio".

No entanto, só no século XIX e XX é que se começou a ver mais fundo do que o mero átomo. Em 1887, já Joseph Thomson (1856 – 1940) tinha conseguido libertar electrões de átomos, mostrando que afinal o átomo não era tão indivisível assim. É com esta experiência em mente que Thomson estabelece o seu modelo atómico – o famoso bolo de passas. Este modelo era, na sua essência, uma nuvem de carga positiva contendo electrões, que se conseguiam libertar com relativa facilidade.

Posteriormente, o físico Ernest Rutherford (1871 – 1937), originário da Nova Zelândia, ficou intrigado com os resultados das suas experiências de 1909. Quando disparava partículas alfa contra uma folha muito fina de ouro, uma pequena fracção das partículas invertia o seu sentido, voltando para trás, na sua direcção. Afinal, a afirmação de Demócrito tinha muito de visionário! Grande parte do átomo era constituído por espaço vazio. Dentro dos átomos existia um núcleo maciço, porém, grande parte dele era espaço vazio. Por isso, Rutherford estabeleceu um novo modelo atómico.

No entanto, a revolução ainda estava para vir... Niels Henrick David Bohr (1885 – 1962) viria a ser o responsável pela introdução da revolução quântica no átomo. Em 1913, Bohr aplicou as ideias de Planck (ver A Revolução Quântica - Parte I) aos electrões que orbitavam o núcleo de um átomo. Bohr colocou a hipótese de que, assim como os planetas do Sistema Solar, os electrões (de carga negativa) também orbitassem o núcleo positivo. No entanto, a aplicação da ideia de Planck surge quando Bohr propõe que os electrões só podiam possuir certas energias, que correspondiam a múltiplos dos quanta de Planck. Para os electrões de um átomo, os diferentes estados de energia correspondiam a diferentes níveis, n, ou camadas, em que eles orbitavam. Essas energias eram dadas, matematicamente, por

Finalmente, havia um modelo que explicava quase todas as experiências sobre o átomo mais simples, o de hidrogénio. Este modelo explicava conceptualmente os comprimentos de onda bem característicos da radiação que era emitida e absorvida pelo hidrogénio. Assim como uma escada, em que não podemos subir "meios degraus", o electrão do átomo de hidrogénio apenas está autorizado a saltar de níveis energéticos claramente definidos.

No entanto, havia algo que o modelo de Bohr não explicava. Com uma melhor resolução na análise de espectros do átomo de hidrogénio, era possível verificar riscas dentro das riscas principais. Este fenómeno, designado estrutura fina espectral, necessitava de uma explicação. Como explicar estes novos dados? Que novos participantes surgiriam na Revolução Quântica? Essas são perguntas a serem respondidas na próxima publicação do blog.

Baseado no livro 50 Ideias De Física Que Precisa Mesmo De Saber de Joanne Baker.