A correção quântica

O famoso físico dinamarquês Niels Bohr foi a primeira pessoa a propor uma solução para esse problema. Em 1913, ele sugeriu que os elétrons em um átomo não poderiam ter qualquer órbita que quisessem. Em vez disso, eles tiveram que ser presos em órbitas a distâncias muito específicas do núcleo, de acordo com a entrada de citação do Prêmio Nobel para seu prêmio subsequente. Além disso, ele propôs que havia uma distância mínima que um elétron poderia alcançar e que ele não poderia se aproximar do núcleo.

Ele não tirou essas ideias da cartola. Pouco mais de uma década antes, o físico alemão Max Planck havia proposto que a emissão de radiação poderia ser "quantizada", significando que um objeto só poderia absorver ou emitir radiação em nacos discretos, e não ter o valor desejado, de acordo com a referência da página HyperPhysics na Georgia State University. Mas o menor tamanho desses nacos discretos era uma constante, que veio a ser conhecida como constante de Planck. Antes disso, os cientistas pensavam que essas emissões eram contínuas, o que significa que as partículas podiam irradiar em qualquer frequência.

A constante de Planck tem as mesmas unidades que o momento angular, ou o momento de um objeto se movendo em um círculo. Então Bohr importou essa ideia para elétrons que orbitam um núcleo, dizendo que a menor órbita possível de um elétron seria igual ao momento angular de exatamente uma constante de Planck. Órbitas mais altas podem ter o dobro desse valor, ou três vezes, ou qualquer outro múltiplo inteiro da constante de Planck, mas nunca qualquer fração dela (portanto, não 1,3 ou 2,6 e assim por diante).

Seria necessário o pleno desenvolvimento da mecânica quântica para entender por que os elétrons tinham uma órbita tão mínima e órbitas mais altas claramente definidas. Os elétrons, como todas as partículas de matéria, se comportam tanto como partículas quanto como ondas. Embora possamos imaginar um elétron como um pequeno planeta orbitando o núcleo, podemos facilmente imaginá-lo como uma onda envolvendo esse núcleo.

As ondas em um espaço confinado devem obedecer a regras especiais. Elas não podem ter qualquer comprimento de onda; elas devem ser feitas de ondas estacionárias que cabem dentro do espaço.

É como quando alguém toca um instrumento musical: se você prender as pontas de uma corda de violão, por exemplo, apenas certos comprimentos de onda se encaixam, dando a você as notas separadas. Da mesma forma, a onda de elétrons ao redor de um núcleo tem que se ajustar, e a órbita mais próxima de um elétron a um núcleo é dada pela primeira onda estacionária desse elétron.

Desenvolvimentos futuros na mecânica quântica continuariam a refinar esse cenário, mas o ponto básico permanece: um elétron não pode se aproximar de um núcleo porque sua natureza mecânica quântica não o deixa ocupar menos espaço.