PENSANDO OBJETOS TECNOLÓGICOS ASSOCIADOS ÀS RADIAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS NA FÍSICA DO ENSINO MÉDIO

## PENSANDO OBJETOS TECNOLÓGICOS ASSOCIADOS ÀS RADIAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS NA FÍSICA DO ENSINO MÉDIO

## THINKING TECHNOLOGICAL OBJECTS ASSOCIATED WITH ELECTROMAGNETIC RADIATION IN HIGH SCHOOL PHYSICS

## André Coelho da Silva , Maria José P. M. de Almeida 1 2

1 Doutorando em Educação pela Faculdade de Educação da Unicamp, Grupo de Estudo e Pesquisa em Ciência e Ensino (gepCE), andco\_8@yahoo.com.br

2 Faculdade de Educação da Unicamp, gepCE, mjpma@unicamp.br

## Resumo

Assumindo a relevância em discutir no ensino de física elementos associados aos produtos tecnológicos e apoiados em resultados de pesquisa que indicam a área da saúde como um dos principais focos de interesse dos jovens, procuramos pensar que questões associadas aos aparelhos de raios X, de ressonância magnética e de tomografia por emissão de pósitrons seriam relevantes para serem trabalhadas no ensino médio. Para isso, foi feita uma síntese de como se deu o desenvolvimento desses objetos tecnológicos e feito um levantamento bibliográfico em periódicos brasileiros da área de ensino de física/ciências objetivando verificar a existência de trabalhos que tenham abordado aspectos relacionados a eles na física do ensino médio. Considerações relativas ao movimento Ciência, Tecnologia e Sociedade e a pesquisa a respeito de como se deu o desenvolvimento desses objetos tecnológicos nos possibilitaram pensar algumas questões a eles associadas que acreditamos serem relevantes trabalhar no ensino médio, entre elas: os conceitos físicos de spin , quantização, antipartícula e dualidade onda-partícula; as controvérsias associadas a possíveis riscos da submissão a exames médicos dessa natureza e a problematização da tecnologia em suas inter-relações com a ciência e a sociedade.

Palavras-chave : objetos tecnológicos; ensino médio; Ciência, Tecnologia e Sociedade.

## Abstract

Assuming the relevance in discussing in physics education elements associated with technological products and supported by research results that indicate the area of health as one of the main focus of interest of young, we try to think which issues associated with X-ray, magnetic resonance and positron emission tomography machines would be relevant to work in secondary school. To do so, we made a synthesis of how was the development of these technological objects and made a literature survey in Brazilian journals on physics/science education, aiming to verify the existence of studies that have addressed aspects related to them in high school physics, was done. Considerations relating to Science, Technology and Society movement and the research about how was the development of these technological objects allowed us to think some issues associated with them that we believe are relevant to work in high school, including: physical concepts of spin, quantization, antiparticle and wave-particle duality; controversies associated with

possible risks of submission to such medical examinations and the questioning of technology in their inter-relationships with science and society.

Keywords : technological objects; secondary school; Science, Technology and Society.

## 1. Introdução e Justificativa

Zanetic (1989), ao defender que física também é cultura, argumentou que seria interessante apresentar a física escolar como um elemento cultural básico para a compreensão dos fenômenos e dos aparelhos utilizados no cotidiano. Essa defesa é coerente com ideias do chamado movimento Ciência, Tecnologia e Sociedade (CTS), o qual sugere em termos da educação científica a conveniência em oferecer uma formação que permita o entendimento das inter-relações e interinfluências entre ciência, tecnologia e sociedade, favorecendo a problematização de questões controvertidas e levando os estudantes a se posicionarem em relação a elas (CRUZ e ZYLBERSZTAJN, 2001). Assim, similarmente ao que foi sugerido por Zanetic (1989), uma das possibilidades educacionais coerentes com o enfoque CTS é a possibilidade de discutir o funcionamento de artefatos, máquinas e dispositivos eletrônicos e de comunicação (RICARDO, 2007, p. 8), o que, pensando no ensino de física, poderia contribuir para que os estudantes compreendessem que ciência, tecnologia e sociedade estabelecem relações mútuas (UTGES, FERNÁNDEZ e JARDÓN, 1996). Nessa mesma linha de pensamento, Angotti, Bastos e Mion (2001) consideram relevante questionarmos e refletirmos sobre a fabricação, o funcionamento, as causas e as consequências da utilização de artefatos tecnológicos na sociedade. Com isso, estar-se-ia contribuindo para a conscientização de educandos e educadores e para a construção da cidadania (ANGOTTI, BASTOS e MION, 2001).

Na literatura da área de educação em ciências não encontramos denominação única para o que poderíamos caracterizar de maneira bastante imprecisa como produtos da tecnologia . Entre as denominações estão: artefatos tecnológicos, equipamentos tecnológicos, aparatos tecnológicos, aparelhos tecnológicos e objetos tecnológicos. Neste trabalho, optamos pela utilização do termo 'objeto tecnológico', tomando a noção de objeto como 'coisa' carregada de subjetividade humana, isto é, 'coisa' à qual são atribuídas funções (DAGOGNET,1989 apud NASCIMENTO, SANTOS e NIGRI, 2006). Além disso, quanto às relações estabelecidas entre ciência e tecnologia, adotamos a postura designada por Gardner (1999) como interacionista, a saber: ciência e tecnologia trabalhando e aprendendo uma com a outra.

Entre os inúmeros objetos tecnológicos já produzidos, neste trabalho optamos por voltar nosso olhar para alguns daqueles que têm seu uso bastante associado à área da saúde, mais especificamente junto à produção de imagens que auxiliam os diagnósticos médicos. Justificamos essa escolha tendo em vista resultados de pesquisas que indicam o interesse de jovens em assuntos relacionados a essa área (Christidou, 2006; Silva, 2013).

Entre os objetos tecnológicos contemporâneos utilizados na área da saúde para a produção de imagens médicas podemos mencionar o aparelho de raios X, o aparelho de ressonância magnética e o tomógrafo por emissão de pósitrons. Num primeiro momento, procuramos discutir um pouco como se deu o desenvolvimento

desses objetos tecnológicos focando elementos das teorias físicas que parecem ter sido importantes para esse desenvolvimento. Justificamos a seleção desses objetos por todos utilizarem ondas eletromagnéticas. Num segundo momento, realizamos um levantamento bibliográfico com o intuito de verificar a existência de trabalhos que tenham abordado na física do ensino médio aspectos relacionados a eles. Finalmente, num terceiro momento, pautados nos resultados das duas seções anteriores, procuramos responder à seguinte questão de pesquisa: Que questões associadas aos aparelhos de raios X, de ressonância magnética e de tomografia por emissão de pósitrons seriam relevantes para serem trabalhadas no ensino médio?

## 2. O desenvolvimento dos raios X, da ressonância magnética e da tomografia por emissão de pósitrons: alguns aspectos de teorias físicas

Nas décadas de 60 e 70 do século XIX, James Clerk Maxwell, além de produzir uma teoria que tinha em conta o que se conhecia à época a respeito do eletromagnetismo, contribui também com alguns avanços teóricos, tal como as previsões de que existiriam ondas eletromagnéticas, sendo a luz visível uma dessas ondas. Na década de 80 desse mesmo século, Heinrich Hertz conseguiu produzir e detectar pela primeira vez uma onda eletromagnética (que não a luz visível), mais especificamente, uma onda de rádio (radiofrequência).

Outra previsão teórica que também parece ter existido à época, foi a de Hermann von Helmholtz, o qual teria sugerido a existência de radiações invísiveis de alta frequência e poder de penetração na matéria. Wilhelm Röntgen, em 1895, relatou pioneiramente a produção desse tipo de radiação (MARTINS, 1997).

Inicialmente, Röntgen tinha como foco o estudo de descargas elétricas. Entretanto, ao notar que ao realizar seus experimentos um papel recoberto com material fluorescente se tornava brilhante, o físico alemão decidiu estudar o fenômeno, descobrindo a existência de um novo tipo de radiação (denominada por ele de raios X), invisível, penetrante, que se propagava em linha reta, não era refletida, refratada e nem desviada por ímãs - o que a diferenciava dos raios catódicos (feixe de elétrons). De fato, há indícios de que antes de Röntgen outros pesquisadores já haviam notado efeitos fluorescentes semelhantes aos relatados por ele, atribuindo-os, contudo, aos próprios raios catódicos e não a outro tipo de radiação (MARTINS, 1998).

Na época da descoberta dos raios X não se tinha clareza a respeito deles serem ou não ondas eletromagnéticas. Hoje sabemos que os raios X pertencem ao chamado espectro eletromagnético, apresentando comportamento ondulatório ou corpuscular, dependendo das circunstâncias. Além disso, quanto à sua produção, podem ser decorrentes do processo de desaceleração de um feixe de elétrons ou da ionização de um átomo pela ação desse feixe. No primeiro caso, a redução da energia cinética dos elétrons é acompanhada da emissão de radiação eletromagnética. Já no segundo caso, um elétron do feixe pode fornecer energia para que um elétron de camadas internas do átomo 'alvo' seja expelido. Assim, o 'buraco' resultante pode ser ocupado por um elétron do átomo que está em uma camada mais energética. Ao ocorrer essa transição, ocorre também a liberação de energia em forma de radiação eletromagnética.

Os raios X possuem alta frequência, portanto, alta energia. Consequentemente, estão entre as chamadas radiações ionizantes, isto é, aquelas capazes de remover elétrons dos átomos. Dessa forma, quando da realização de um

exame que visa produzir imagens de estruturas anatômicas do corpo humano (radiologia diagnóstica), há o risco dessa ionização matar ou tornar células estéreis, ou até mesmo de modificar células do DNA, sem torná-las, contudo, incapazes de se reproduzir. A primeira consequência (morte ou esterilização) é determinística: ocorre quando a dose de radiação recebida supera determinado limite, sendo a gravidade do efeito função da dose. Efeitos desse tipo são logo notados: queimaduras na pele, queda de cabelo, problemas na produção de células sanguíneas, etc. Já a segunda consequência é estocástica, probabilística, pode ocorrer mesmo para pequenas doses recebidas, sendo a probabilidade de ocorrência considerada função da dose. Nesse caso, como a célula foi modificada, poderão surgir problemas associados a essa 'mudança de identidade', como o câncer. Vale lembrar ainda que essas células mantêm o poder de se reproduzirem (OKUNO, 1988).

Os riscos da exposição aos raios X começaram a ser notados meses após sua detecção por Röntgen devido ao fato de que pessoas submetidas a altas doses de radiação passaram a apresentar queimaduras e queda de cabelo. Mais de 300 mortes teriam sido registradas nessa época como consequência dessa exposição (MARTINS, 1997). Vale dizer ainda que para divulgar seu trabalho, Röntgen enviou também radiografias de diversos objetos, incluindo a mão de sua esposa. Práticas como essa, além de terem se tornado diversão à época, evidenciaram também a possibilidade de utilizar esse novo tipo de radiação em aplicações médicas, uma vez que ela é absorvida de maneira diferente pelos materiais: quanto mais espesso e denso o material, maior a absorção. Nesse sentido, a distinção entre ar, tecido mole e osso pode ser feita facilmente. O mesmo não ocorre para tecidos normais e anormais, casos em que se faz necessário o uso de contrastes (OKUNO, 1988).

A ressonância magnética nuclear (RMN) foi desenvolvida tendo como uma de suas bases conhecimentos físicos tais como o conceito de spin e sua quantização. O spin , momento angular intrínseco de partículas elementares, e sua quantização foram propostos com o objetivo de propiciar a interpretação de resultados experimentais obtidos por Otto Stern e Walther Gerlach em 1922. Todavia, somente com a elaboração da mecânica quântica relativística, por Paul Dirac, em 1928, explicações mais satisfatórias no que diz respeito a esse conceito puderam ser alcançadas (KEEVIL, 2001).

Ao spin está associado um momento magnético intrínseco, assim, entes físicos com spin diferente de zero quando imersos em um campo magnético externo terão seus momentos magnéticos orientados em determinadas direções. Partículas, átomos ou moléculas com spin ½, por exemplo, terão seus momentos magnéticos orientados ou paralelamente ou anti-paralelamente ao campo magnético aplicado. A cada uma dessas orientações está associada uma energia. A diferença entre elas foi estimada experimentalmente em 1934 por Isidor Rabi e Victor Cohen, os quais utilizaram ondas eletromagnéticas de radiofrequência para estimular transições energéticas entre esses níveis (KEEVIL, 2001).

Outro passo importante para o desenvolvimento da RMN foi dado por Felix Bloch e Edward Purcell nos anos de 1945 e 1946, os quais realizaram estudos a respeito da absorção de ondas de rádio por substâncias líquidas e sólidas, propondo métodos experimentais que fazem uso de ondas de radiofrequência de maneira contínua e de maneira pulsada. Ainda nessa época, Bloch notou que ao utilizar como amostra para estudo um de seus dedos, um forte sinal era produzido pela técnica (KEEVIL, 2001).

Apesar disso, somente na década de 60 do século passado, a RMN foi sugerida como base de uma nova modalidade de produção de imagens médicas. Em 1971, o interesse em seu desenvolvimento foi intensificado devido ao relato de Raymond Damadian de que tecidos normais e cancerosos respondiam de maneira diferente à técnica. Assim, durante a década de 70 a aplicação da RMN na área médica experimentou muitos desenvolvimentos: Paul Lauterbur desenvolveu trabalhos sobre a utilização da RMN em seres humanos, publicando a primeira imagem feita por meio dessa técnica; Damadian desenvolveu o primeiro sistema de imagem por ressonância magnética de corpo inteiro e o primeiro scanner comercial de RMN; Ian Young produziu a primeira imagem da cabeça por RMN; entre outros (KEEVIL, 2001).

A RMN atua sobre o spin nuclear, isto é, do núcleo atômico. Para isso, entre outros elementos, são utilizados campos magnéticos intensos e ondas eletromagnéticas de radiofrequência (não ionizantes). Vale dizer que para a produção desses campos magnéticos intensos atualmente os aparelhos de RMN utilizam materiais supercondutores, os quais precisam ser resfriados a temperaturas bastante baixas para funcionarem enquanto tais.

Quanto a possíveis riscos da utilização da RMN na produção de imagens médicas, trata-se de um assunto ainda controverso. Os possíveis riscos seriam advindos de efeitos a longo prazo referentes à exposição aos campos magnéticos de alta intensidade e às ondas de radiofrequência. No caso da exposição a essas ondas, essa discussão se faz bastante presente na sociedade contemporânea quanto ao uso do telefone celular, o qual também utiliza radiação eletromagnética pertencente a essa faixa de frequência.

A tomografia por emissão de pósitrons (PET: Positron Emission Tomography ) utiliza radionuclídeos (núcleos que emitem radiação espontaneamente) para produzir imagens relacionadas ao metabolismo e à fisiologia, sendo considerada uma técnica da chamada medicina nuclear (subcampo da radiologia) (OKUNO, 1988).

Para seu desenvolvimento, parece ter contribuído de maneira bastante importante a descoberta da radioatividade, a qual está associada à descoberta dos raios X pelo fato de que esta desencadeou quase que imediatamente pesquisas a ela relacionadas. Henri Becquerel, em 1896, embora tenha observado a radioatividade de sais de urânio, não estabeleceu a natureza dessas radiações sequer sua origem subatômica. Nos anos seguintes novos materiais que emitissem 'raios de Becquerel' foram buscados. Em 1898, Gerhard Schimdt e Marie Curie observaram efeitos semelhantes para o tório. Marie Curie cunhou, inclusive, o termo 'radioatividade' para descrever o fenômeno. Em trabalhos posteriores, além de observar, com a colaboração de Pierre Curie, novos elementos radioativos, aos quais propuseram os nomes de polônio e rádio, a cientista propõe explicitamente que a radioatividade é uma propriedade atômica. (MARTINS, 1990).

Hoje são conhecidos outros aspectos acerca da radioatividade, tais como: os de que se trata de uma desintegração nuclear, de uma transformação de um núcleo atômico em outro núcleo atômico decorrente da busca por estabilidade energética; e de que há basicamente três tipos de 'radiação nuclear': as partículas alfa e beta, ambas eletricamente carregadas, e as radiações gama, ondas eletromagnéticas de alta frequência assim como os raios X (OKUNO, 1988; MARTINS, 1990).

Outro desenvolvimento da física que contribuiu para a ideia da PET foi a mecânica quântica relativística que, como já comentado, foi proposta em 1928 por Dirac com o intuito de unificar a mecânica quântica e a teoria da relatividade restrita de Einstein. Uma das previsões teóricas consequentes à sua interpretação foi a existência de antipartículas, assim, cada partícula possui sua antipartícula com mesma massa e carga oposta (JOHANSSON, NILSSON e TEGNER, 2006).

A PET aproveita-se do fato de que quando um elétron e um pósitron interagem entre si, eles são aniquilados, dando origem a dois fótons (corpúsculos de luz) antiparalelos simultaneamente emitidos. A detecção desses fótons e de muitos outros pares deles permite determinar em que local estão ocorrendo as aniquilações (JOHANSSON, NILSSON e TEGNER, 2006).

No início da década de 30 do século XX com a construção dos chamados cíclotrons (um tipo de acelerador de partículas), foi possível produzir elementos artificialmente radioativos através do bombardeamento de elementos não radioativos com partículas aceleradas. Dessa forma, a partir do estudo das propriedades desses radionuclídeos, entre elas a meia-vida (tempo para que metade dos radionuclídeos se desintegre), foi possível selecionar elementos radioativos adequados para o processo de produção de imagens médicas por PET. Com esse e outros diversos desenvolvimentos científicos, técnicos e tecnológicos, a PET começou a ser utililzada na década de 70. A ideia básica é utilizar um radionuclídeo que em seu processo de decaimento emita um pósitron. Quando esse pósitron encontrar um elétron do meio ambos serão aniquilados dando origem a sinais eletromagnéticos. É importante frisar ainda que cada radionuclídeo tende a se concentrar em certos órgãos (OKUNO, 1988).

Por fim, quanto aos riscos associados à realização de exames de PET, pode-se dizer que eles estão associados aos chamados efeitos estocásticos da radiação, uma vez que a dose de radioatividade absorvida é relativamente baixa.

## 3. Referências Bibliográficas na Educação em Ciências

Objetivando verificar a existência de trabalhos que tenham abordado aspectos do funcionamento dos raios X, da RMN ou da PET no ensino médio, realizamos um levantamento bibliográfico consultando artigos publicados nos seguintes periódicos brasileiros da área de ensino de física/ciências: Alexandria; Caderno Brasileiro de Ensino de Física; Ciência & Ensino; Ciência e Educação; Ensaio; Experiências em Ensino de Ciências; Investigações em Ensino de Ciências; Revista Brasileira de Ensino de Ciência e Tecnologia; Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências e Revista Brasileira de Ensino de Física.

Embora tenhamos realizado buscas nos referidos periódicos em todas as suas edições publicadas até janeiro de 2014, não foi encontrado nenhum trabalho na temática proposta, ressaltando que as buscas foram feitas no título e nos resumos dos artigos. Por outro lado, vale mencionar que notamos a existência de pesquisas voltadas à discussão da física das radiações no ensino superior.

## 4. Os raios X, a ressonância magnética e a tomografia por emissão de pósitrons: pensando sua discussão na física do ensino médio

Tendo em vista o levantamento realizado na seção anterior, um primeiro ponto a comentar é a ausência nos periódicos brasileiros revisados de artigos

científicos que discutam resultados obtidos após a abordagem de aspectos dos raios X, da RMN ou da PET no ensino médio. Assim, embora não tenhamos revisado dissertações, teses e anais de Encontros, acreditamos que se trata de uma vertente de pesquisa ainda pouco explorada e que pode trazer contribuições para a discussão do ensino de física no referido nível de ensino, especialmente se considerarmos uma proposição de ensino pautada no enfoque CTS.

A partir da síntese realizada na segunda seção, embora possam ser identificados pontos em comum no que diz respeito ao embasamento teórico das técnicas analisadas, fica evidenciada a ampla gama de conhecimentos físicos de alguma forma envolvidos em seus surgimentos, desenvolvimentos e/ou explicações. Em especial, há que se destacar os muitos conhecimentos de Física Moderna e Contemporânea (FMC) envolvidos. Dessa forma, pensar a discussão de aspectos relacionados a essas técnicas a partir de um ponto de vista do ensino de física inclui abordar conhecimentos de FMC, o que tem sido amplamente sugerido por pesquisas da área (Pereira e Ostermann, 2009; Silva e Almeida, 2011).

Uma das linhas relacionadas ao enfoque CTS é a discussão de controvérsias. Nesse sentido, quanto à discussão de aspectos dos raios X, da RMN e da PET na física do ensino médio, pensamos que essa linha também possa ser contemplada, uma vez que aparentemente não há muita clareza a respeito de possíveis riscos inerentes à submissão a exames desse gênero. Outra possibilidade ainda é problematizar a tecnologia, sua produção, utilização e os efeitos exclusivos que estabelece na sociedade contemporânea: há sempre interesses econômicos em jogo. Logo, se por um lado o desenvolvimento de determinado objeto tecnológico pode propiciar maior conforto, facilidade ou um auxílio mais eficiente no diagnóstico de problemas de saúde, por outro lado, ele também pode alimentar o chamado 'consumismo', favorecer o consumo insustentável de recursos naturais e acentuar os efeitos das desigualdades socioeconômicas. Além disso, pode-se dizer que hoje no Brasil apenas as classes economicamente mais favorecidas têm acesso aos mais modernos objetos tecnológicos, afinal, em nossa sociedade, o acesso a esses produtos se massifica apenas quando eles já não são os mais modernos existentes.

Finalizamos com algumas questões relacionadas aos aparelhos de raios X, de RMN e de PET que julgamos serem relevantes trabalhar no ensino médio. No que diz respeito a conceitos físicos envolvidos: espectro eletromagnético, dualidade onda-partícula, partículas e antipartículas, quantização da energia, modelos atômicos, spin, campo magnético, supercondutores, radioatividade e conservação da carga elétrica e da massa; no que diz respeito ao uso e ao funcionamento dessas técnicas: quais os riscos e benefícios associados quando utilizadas na produção de imagens médicas? Quais os cuidados a serem tomados? Quais as controvérsias associadas aos riscos envolvidos? Como são produzidos os raios X? Como funcionam os aceleradores de partículas (lembrando que sistemas desse tipo são necessários à produção dos radionuclídeos utilizados na PET)? Também, no que diz respeito a aspectos da história da ciência e da tecnologia: o processo de desenvolvimento das referidas técnicas, objetos tecnológicos e teorias físicas envolvidas.

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