De acordo com a física clássica, a energia da radiação eletromagnética, isto é, calor e luz, pode variar de maneira contínua, assumindo qualquer valor. A mecânica quântica, porém, afirma que sistemas físicos como átomos e partículas subatômicas só podem absorver ou emitir radiação com certos valores de energia, chamados de quanta (plural de quantum, em latim).
A quantização da energia foi descoberta inicialmente por Max Planck, estudando um problema conhecido como radiação de corpo negro. Um corpo negro é uma espécie de forno de alta temperatura ideal, cujas paredes são capazes de absorver e emitir perfeitamente radiação eletromagnética. Enquanto a física clássica prevê que a radiação ultravioleta emitida por um corpo negro é infinita — algo impossível de acontecer — a mecânica quântica explica corretamente a radiação de corpo negro assumindo que a radiação é absorvida e emitida em passos discretos, com determinados níveis de energia, proporcionais à frequência da radiação.
Cada quantum de energia da radiação eletromagnética é carregado por partículas elementares chamadas de fótons, cuja existência foi proposta inicialmente por Albert Einstein. Essas partículas foram descobertas em experiências envolvendo o efeito fotoelétrico. Esse efeito ocorre quando a luz incide sobre uma superfície metálica e faz com que elétrons sejam ejetados. Curiosamente, o número de elétrons emitidos não depende da intensidade da luz, como a física clássica prevê, mas sim da sua frequência. A explicação é que os elétrons são ejetados apenas quando absorvem fótons com uma energia ou frequência específica.
A quantização da energia também explica a estabilidade dos átomos, demonstrada pela primeira vez por Niels Bohr. Os átomos são compostos de um pequeno núcleo feito de prótons, com carga elétrica positiva, e nêutrons (sem carga), com elétrons de carga elétrica negativa orbitando ao seu redor. Na física clássica, um sistema assim seria impossível, pois as cargas negativas tenderiam a colidir com as positivas. Esse problema desaparece na mecânica quântica, porque os elétrons não podem mudar de órbita de maneira contínua. Eles só podem assumir algumas órbitas com energias específicas. Além disso, os elétrons podem saltar de uma órbita para outra somente quando emitem ou absorvem um fóton com energia correspondente à diferença de energia das órbitas.
A quantização da energia, porém, não explica completamente a organização dos elétrons nos átomos. Cada órbita atômica é ocupada apenas por dois elétrons, sendo que cada um deles possui uma propriedade chamada spin, com um valor oposto ao de seu vizinho. Essa é uma consequência do chamado princípio de exclusão, proposto pela primeira vez por Wolfgang Pauli. De acordo com esse princípio, os elétrons nunca ocupam o mesmo estado quântico que seus vizinhos.
Ao longo da década de 1920, após uma série de experimentos investigando o comportamento dos elétrons, os físicos descobriram que além de sua massa e sua carga elétrica, essas partículas possuem mais uma propriedade fundamental, puramente quântica, sem equivalente no mundo macroscópico. Explicada teoricamente por Wolfgang Pauli e Paul Dirac, essa propriedade foi chamada de spin, uma palavra em inglês que significa “giro”.
Embora o elétron seja uma partícula pontual e não gire realmente, seu spin está relacionado a uma quantidade da física clássica associada a corpos em rotação, conhecida como momento angular. Mas ao contrário da física clássica, o spin de uma partícula como o elétron não pode assumir qualquer valor. Seu valor é constante e sua orientação pode apontar, por exemplo, para cima ou para baixo em relação a um campo magnético.
O spin do elétron afeta diretamente como ele interage com campos magnéticos e como os elétrons se organizam dentro dos átomos. Essa propriedade é essencial para explicar fenômenos como os materiais magnéticos e a estrutura da tabela periódica.
Além dos elétrons, outras partículas quânticas também possuem spin. Os núcleos atômicos, por exemplo, possuem spins que podem ser manipulados por técnicas como a Ressonância Magnética Nuclear (RMN).
O valor do spin de uma partícula também determina se ela obedece o princípio da exclusão de Pauli. Partículas spin fracionário, como os elétrons e as demais partículas que constituem a matéria, seguem esse princípio de exclusão e são chamadas de férmions. Já as partículas responsáveis por transmitir as forças fundamentais, como os fótons da força eletromagnética, possuem spin inteiro e não seguem o princípio de exclusão. Chamadas de bósons, tendem a ocupar o mesmo estado quântico sempre que possível.
Reportagem: Igor Zolnerkevic (ICTP-SAIFR);
Revisão: Ana Luiza Serio (ICTP-SAIFR), Larissa Takeda (ICTP-SAIFR);
Consultoria Científica: Gustavo Wiederhecker (UNICAMP), Marcelo Terra Cunha (UNICAMP);
Edição: Victoria Barel (ICTP-SAIFR).
