7.8 : O Princípio da Incerteza

Um elétron é uma partícula subatómica com massa, m. Mas também se comporta como uma onda, com velocidade v, como demonstrado pela relação de Broglie. Assim, um elétron tem tanto de ondulação como de características granulométricas.

Infelizmente, não é possível testemunhar o elétron ser uma partícula com um local definido e uma onda com uma velocidade conhecida ou impulso ao mesmo tempo. O que acontece quando uma experiência é montada para observar a natureza dupla de um elétron, primeiro, reconsideremos a experiência da abertura dupla onde existem duas aberturas de espaço apertado. Quando um feixe de elétrons passa através das aberturas, é produzido um padrão de interferência.

Esta é uma propriedade única das ondas. Quando os elétrons passam um a um, o mesmo padrão é observado. Uma vez que um elétron é uma partícula, deve ser possível controlar qual o corte ou abertura que ele passa.

Para estudar isto, é colocado um feixe laser diretamente atrás das aberturas. Quando um elétron viaja através de uma abertura, produz um pequeno flash indicando qual a abertura em que acabou de passar. Durante a experiência, os flashes são observados em apenas uma das aberturas de cada vez, mas nunca nas duas aberturas simultaneamente.

Para além disso, o padrão de interferência já não é observado;em vez disso, são vistas duas linhas brilhantes. Na tentativa de observar a natureza da partícula do elétron, perde-se a sua natureza de onda. Por outras palavras, o elétron é observado ou como uma partícula ou como uma onda, mas nunca ambos ao mesmo tempo.

A natureza de partícula e a natureza de onda de um elétron, e, por extensão, a sua posição e dinâmica, são, portanto, propriedades complementares. Significa que também é impossível observar simultaneamente a posição exata e a velocidade de um elétron. Werner Heisenberg relatou que a incerteza relativamente a estas propriedades, representadas por delta-x e m-delta-v, deve ser maior ou igual a uma quantidade finita Planck é constante em mais de 4 pi.

Este é conhecido como o Princípio da Incerteza de Heisenberg. Quanto mais exata for a posição do elétron e quanto menor for o delta-x, menor é a certeza da velocidade do elétron e maior o delta-v, e vice-versa. Agora, consideremos uma bola de golfe a descansar num ponto.

De acordo com a física clássica, o caminho ou trajetória da bola de golfe pode ser previsto conhecendo a sua posição inicial, a força com que é atingida e o efeito de outros fatores, tais como a gravidade, o vento e a resistência do ar. Com estes dados, a posição e a velocidade da bola de golfe pode ser determinada a qualquer momento. No entanto, se apenas for conhecida a localização inicial da bola de golfe, não é possível deduzir a sua posição final.

Do mesmo modo, para um elétron, porque a sua posição e velocidade não podem ser conhecidas ao mesmo tempo, a sua trajetória também não pode ser prevista. Isto é conhecido como o comportamento da indeterminação de um elétron. A sua localização atual não pode determinar a sua posição futura.

Devido a isso, em vez de se descrever uma posição precisa para um elétron, são utilizadas as hipóteses ou probabilidades de o encontrar dentro de uma determinada região do átomo. Isto é conhecido como densidade de probabilidade, onde cada ponto representa a potencial localização de um elétron dentro de um átomo. A densidade de pontos é proporcional à probabilidade de encontrar um elétron.

Assim, é mais provável que um elétron seja encontrado mais próximo do núcleo do átomo do que muito distante. Desta forma, uma representação mais precisa do átomo é retratada pelo núcleo rodeado pela sua densidade de probabilidade de elétrons, que também é conhecida como o modelo das nuvens de elétrons.