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Física Nuclear é a área da física que estuda os constituintes e interações dos núcleos atômicos. As aplicações mais conhecidas da física nuclear são a geração de energia nuclear e tecnologia de armas nucleares, mas a investigação tem proporcionado aplicação em muitos campos, incluindo aqueles emmedicina nuclear e ressonância magnética, implantação de íons em engenharia de materiais, e datação por radiocarbono em geologia e arqueologia.
O campo da física de partículas evoluiu a partir da física nuclear e, normalmente, é ensinado em estreita associação com a física nuclear. A Física Quântica surgiu como a tentativa de explicar a natureza naquilo que ela tem de menor: os constituintes básicos da matéria e tudo que possa ter um tamanho igual ou menor. Em outras palavras, pense o seguinte: tudo o que é maior do que um átomo está sujeito a leis da física que chamamos de “física clássica”. Por exemplo, elas sofrem a atração da gravidade, as leis da inércia, ação e reação, e por aí vai. Mas quando analisamos tamanhos menores que um átomo, tudo muda e as regras da física clássica já não valem mais. Foi preciso então admitir que era necessário outras leis para lidar com essa realidade, e também uma física totalmente nova, que ficou conhecida como Física Quântica.
Tudo começou em 1900, quando o físico alemão Max Planck introduziu a ideia de que a energia era enviada em “pacotes” chamados quanta (meio que parecido com a transmissão de dados pela internet), com o fim de derivar uma fórmula para a dependência da frequência observada com a energia emitida por um corpo negro. Em 1905, Einstein explicou o efeito fotoelétrico por um postulado sobre que a luz, ou mais especificamente toda a radiação electromagnética, pode ser dividida num número finito de “quanta de energia”, que são localizados como pontos no espaço.
Estes quanta de energia seriam chamados mais tarde de fótons, termo introduzido por Gilbert N. Lewis em 1926. A ideia que cada fóton teria de consistir de energia em termos de quantas foi um notável feito, já que efetivamente eliminou a possibilidade de que a radiação de um corpo negro alcançasse energia infinita, o que se explicou em termos de formas de onda somente. Em 1913, Niels Bohr explicou as linhas espectrais do átomo de hidrogênio, novamente utilizando a ideia dos quanta, em seu artigo On the Constitution of Atoms and Molecules (Sobre a Constituição de Átomos e Moléculas), publicado em julho de 1913.
A expressão “física quântica” foi usada pela primeira vez em Universe in Light of Modern Physics (O Universo à Luz da Física Moderna), de Max Planck, em 1931.
Em 1924, o físico francês Louis-Victor de Broglie apresentou a sua teoria de ondas de matéria, dizendo que as partículas podem exibir características de onda e vice-versa. Esta teoria era para uma partícula simples e derivada da teoria especial da relatividade. Baseando-se na aproximação de de Broglie, nasceu a mecânica quântica moderna em 1925, quando os físicos alemães Werner Heisenberg e Max Born desenvolveram a mecânica matricial e o físico austríaco Erwin Schrödingerinventou a mecânica de ondas e a equação de Schrödinger não relativista como uma aproximação ao caso generalizado da teoria de de Broglie. Schrödinger posteriormente demonstrou que ambas as aproximações eram equivalentes e ficou conhecido pelo clássico experimento mental* chamado “o gato de Schrödinger”, que ilustrava o relativismo quântico com a ideia de que um gato fechado dentro de uma caixa está tanto vivo quanto morto, enquanto não abrirmos a caixa e termos certeza de qual é o verdadeiro estado do gato.