MATERIAIS E REFERENCIAL TEÓRICO PARA O ENSINO DE FÍSICA MODERNA PARA ALUNOS COM E SEM DEFICIÊNCIA VISUAL

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## MATERIAIS E REFERENCIAL TEÓRICO PARA O ENSINO DE FÍSICA MODERNA PARA ALUNOS COM E SEM DEFICIÊNCIA VISUAL

Paulo Durval Pupo 1 , Eder Pires de Camargo , Paola Trama Alves dos Anjos , 2 3 Roberto Nardi , Éder Alves Pereira 4 5

- 1 Faculdade de Ciências, UNESP - Univ Estadual Paulista, Campus de Bauru. E-mail: paulodpupo@gmail.com

## Resumo

Apresentamos neste texto quatro dispositivos tátil-visuais que representam fenômenos relacionados à física moderna e de transição da física clássica para a moderna. O primeiro dispositivo representa o experimento de Rutherford. O segundo, simula o aparelho utilizado para a separação magnética das radiações de materiais radioativos. O terceiro, representa um gráfico tátil-visual sobre a meia vida do elemento químico rádio. Por fim, o quarto dispositivo simula uma reação em cadeia. Além de apresentarmos os dispositivos e como construí-los, fazemos uma descrição histórica e teórica sobre os fenômenos enfocados. Entendemos que tal descrição servirá de subsídios para que o professor complemente suas explicações e insira os discentes junto ao contexto que envolveu as aplicações e interpretações dos fenômenos que os dispositivos representam. Esses dispositivos podem ser utilizados em ambiente de ensino que contemplem a presença de alunos com e sem deficiência visual. Por isto, atendem aos critérios inclusivos no que tange à construção de equipamentos/materiais, ou seja, procuram adequar-se à diversidade sensorial. Sobre a contextualização histórica e teórica, indicamos que o docente deve utilizar-se de linguagens oralmente descritivas em acordo com linguagem tátil (emprego dos dispositivos). Dessa forma, os dispositivos, que descrevem registros dos fenômenos, em conjunto com discussões orais acerca de contextos históricos, teóricos e sociais, colocarão os discentes com e sem deficiência visual em condições de participação efetiva nas aulas.

Palavras-chave: Ensino de física moderna, deficiência visual, dispositivos táteis, inclusão.

## 1. Introdução:

De acordo com o Censo Escolar realizado pelo MEC/INEP em 2009, observa-se no Brasil, um aumento no número de alunos deficientes visuais matriculados no Ensino Regular. Neste contexto, como assegurar a participação

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efetiva destes alunos, visto que a maioria dos professores não recebeu formação adequada para o trabalho com deficientes visuais? Ainda, como assegurar o aprendizado de temas como a Física Moderna, que recentemente foi inserida nos materiais didáticos?

Camargo e Nardi (2007) apontam dificuldades encontradas por licenciandos na preparação de atividades relacionadas ao ensino de Física Moderna para deficientes visuais. Sendo assim, este trabalho propõe quatro montagens de materiais tátil-visuais para que o processo de ensino-aprendizagem de alunos deficientes visuais possa ser facilitado e assegurado.

## 2. Metodologia

## 2.1. Embasamento teórico para o espalhamento de partículas alfa

## · Modelos estruturais do átomo

Newton descrevia o átomo como uma esfera pequena, dura e indivisível, desprovida de qualquer estrutura interna. Embora esse modelo tenha sido uma boa base para a teoria cinética dos gases, novos modelos estruturais precisaram ser criados quando experiências posteriores revelaram a natureza elétrica dos átomos. J.J. Thomson, o primeiro cientista a realizar medidas das propriedades elétricas dos átomos propôs um modelo estrutural que descrevia o átomo como uma esfera pesada, de carga positiva, com elétrons distribuídos em seu interior em número suficiente para torná-lo neutro, que ficou conhecido como 'pudim de ameixas'.

Em 1911, Ernest Rutherford e seus alunos Hans Geiger e Ernst Marsden realizaram um experimento que mostrou que o modelo de Thomson não poderia estar correto. Nessa experiência, um feixe de partículas alfa carregadas positivamente era projetado sobre uma fina lâmina de ouro, com a espessura de poucos décimos de milésimos de milímetro. A maioria dessas partículas atravessava a lâmina sem desvios ou se desviavam ligeiramente. o que era consistente com o modelo de Thomson. Entretanto, algumas partículas alfa sofriam grandes deflexões de sua direção original de percurso e outras em número ainda menor eram desviadas de volta, invertendo a sua direção de percurso. Estas últimas constatações não eram consistentes com o modelo de Thomson.

Com base nesses resultados Rutherford sugeriu um novo modelo estrutural para o átomo. Segundo esse modelo, uma parte maciça e positiva estava concentrada em um volume muito restrito, no centro do átomo. Esse volume, hoje chamado núcleo, era envolvido em uma nuvem de elétrons, que tornavam o átomo como um todo neutro. O modelo explicava o espalhamento das partículas alfa da seguinte maneira: as forças entre as partículas alfa e os elétrons podiam ser desprezadas porque a massa da partícula alfa era muito maior do que a massa dos elétrons. Como o átomo é essencialmente um espaço vazio, muitas partículas atravessavam a folha de ouro praticamente sem deflexões. Quando, porém, as partículas alfa passavam junto a um núcleo maciço positivo, experimentava então, considerável desvio em sua trajetória em decorrência da forte repulsão eletrostática entre ambos.

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Foto 1: Dispositivo que simula o aparelho de Rutherford (neste caso, retira-se a 'ferradura' de madeira, que serve a outra aplicação do dispositivo)

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## · Construção do dispositivo:

Dispositivo de madeira com a forma aproximada de uma TV, vazado nas paredes laterais e, parcialmente vazado nas paredes superior e anterior. A frente do dispositivo se aproximava de uma tela de televisão. As dimensões do dispositivo são as mesmas de uma televisão de 17 polegadas

Todo o dispositivo foi feito de madeira, em uma marcenaria. A 'ferradura' que simula um imã que produz um campo magnético - também foi recortada em madeira e presa na parede superior do dispositivo por dois parafusos longos. A placa de ouro foi criada a partir de uma fina folha de plástico de cor amarela.

Tinham-se, então, dois dispositivos em um único instrumento; No primeiro caso, poder-se-ia montá-lo como se fosse um aparelho de Rutherford para constatar o espalhamento de partículas alfa ( α ). Neste caso, o bloco de chumbo era representado por uma caixa de madeira, oca, cuja metade superior podia ser destacada para que se pudesse pelo tato verificar a bolinha (de 8 mm de diâmetro ) solta internamente que representava o elemento Rádio. Os raios eram representados por um feixe de segmentos de arame (30 cm de comprimento) que saíam pelo orifício frontal do bloco de chumbo e se dirigiam para uma fina folha de plástico amarelo que representava a lâmina de ouro;

A partir da folha plástica, o feixe de segmentos de arame se esparramava em direções distintas, atingindo a superfície frontal do dispositivo, atravessando-a para que se pudesse, pelo tato, identificá-las na face externa da área frontal do dispositivo. É Adequado acrescentar segmentos de arame retornando da folha de plástico em várias direções, como ocorreu com o experimento de Rutherford;

## 2.2. Embasamento teórico para separação magnética das radiações alfa, beta e gama de materiais radioativos

Certos átomos são instáveis e se desintegram espontaneamente. A natureza dessas desintegrações depende do elemento, mas os fragmentos ejetados

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são sempre elétrons, chamados por 'raios Beta' e átomos de hélio duplamente ionizados, conhecidos por 'partículas alfa'. Esses fragmentos da desintegração são normalmente ejetados com energias muito elevadas e geralmente são acompanhados de fótons, cujo comprimento de onda é muito pequeno, os denominados 'raios gama'. O rádio, por exemplo, é uma fonte excelente de partículas alfa de alta energia. As partículas alfa podem percorrer no ar uma distância de poucos centímetros antes de parar. No vácuo viajam distâncias grandes sem perder energia. Em qualquer caso, quando atingem determinadas substâncias, produzem pulsos visíveis de luz fluorescente.

## · Descoberta da Radioatividade

Em março de 1896, ano seguinte àquele em que Roentgen descobriu os raios-X, Becquerel anunciou a descoberta da radioatividade. Os raios-X tinham sido descobertos menos de quatro meses antes e pensava-se que eles se originavam das paredes fluorescentes da válvula de descarga, de sorte que se imaginava que a fluorescência (luminescência provocada pela conversão, em um corpo, de alguma forma de energia em radiação visível, com um tempo de decaimento da ordem de 10 -8 s; luminescência cujo tempo de decaimento independe da temperatura) e a fosforescência (propriedade que têm certos corpos de brilhar na obscuridade, sem espalhar calor; forma de fotoluminescência em que a emissão de luz persiste um tempo considerável depois de haver cessado a absorção da radiação excitadora) seriam responsáveis por eles. Becquerel sabia que os sais de urânio tornavam-se luminosos quando expostos à luz solar e tinha ouvido falar que a radiação fosforescente destes sais ativados podia penetrar nos corpos opacos. Estudando esses efeitos, Becquerel constatou que as radiações do urânio ativado por luz produziam sombras de objetos metálicos sobre chapas fotográficas enroladas em papel preto. O fato particularmente novo que Becquerel constatou foi que as radiações provinham de sais de urânio, fossem ou não excitados pela luz. Verificou que os sais de urânio, mesmo que protegidos durante meses de todas as radiações excitantes conhecidas, ainda emitiam radiações penetrantes sem qualquer enfraquecimento sensível. Reconheceu o paralelismo entre sua descoberta e a dos raios-X, mas compreendeu que essas radiações não eram devidas à fluorescência, mas originárias do próprio urânio. Esta propriedade do urânio, a de emitir radiação espontaneamente, é chamada radioatividade .

## · O trabalho de Becquerel para demonstrar que a Radioatividade provinha do próprio urânio

Para mostrar que a radioatividade provinha do próprio urânio, Becquerel trabalhou com muitos sais desse elemento e com o próprio metal. Empregou esses materiais cristalizados, fundidos e em solução. Em todos os casos, parecia que as radiações eram proporcionais à concentração do urânio. Verificou-se que essa proporcionalidade entre a intensidade da radiação e a concentração do urânio permanecia inalterada diante de variações de temperatura, de campos elétricos ou magnéticos, de pressão e de composição química. Como o comportamento radioativo do urânio independe do ambiente em que se encontra o átomo ou de sua estrutura eletrônica, que muda de composto para composto, as propriedades radioativas do urânio são atribuídas ao seu núcleo.

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## · A sede de Radioatividade

A descoberta de Becquerel, da radioatividade do urânio, suscitou imediatamente a questão de se saber se outros elementos eram radioativos. Pierre e Marie Curie investigaram um minério de urânio chamado pechblenda, que contém urânio, bismuto, bário e chumbo. Mediante separação química, o urânio mostrou a atividade esperada e as parcelas de bismuto e bário também apresentaram. Como nem o bismuto nem o bário revelaram qualquer atividade quando puros, o casal Curie supôs que cada parcela continha um novo elemento, um quimicamente semelhante ao bismuto e outro ao bário. Denominaram estes novos elementos polônio e rádio e trataram de isolá-los.

O rádio foi separado do bário graças a pequenas diferenças de propriedades físicas, pela técnica da cristalização fracionada (é a separação de uma mistura de substâncias nos seus componentes puros com base nas suas diferentes solubilidades). O volume do trabalho executado pode ser avaliado pelo fato de o casal Curie haver separado, de uma tonelada de pechblenda, cerca de um quinto do grama de um sal de rádio. Eles podiam avaliar seu progresso, mediante a constatação do aumento da atividade das amostras, à medida que se tornavam cada vez mais concentradas. Em igualdade de massa, e em relação ao urânio, o polônio é cerca de 10 bilhões de vezes mais ativo e o rádio 20 milhões de vezes.

Experiências subseqüentes, incluindo o trabalho famoso de Rutherford sobre o espalhamento de partículas alfa, sugeriram que a radioatividade resultava do decaimento, ou desintegração, de núcleos instáveis.

Podem ser emitidos três tipos de radiação por uma substância radioativa: raios alfa ( α ), em que as partículas emitidas são núcleos de 2He ; raios beta ( 4 β ), nos quais as partículas emitidas são elétrons ou pósitrons; e raios gama ( γ ), nos quais as partículas emitidas são fótons de alta energia. Um pósitron é uma partícula similar ao elétron em todos os aspectos, exceto por ele ter uma carga +e (diz-se que o pósitron é a antipartícula do elétron). É usado o símbolo e para designar um elétron -e e para designar um pósitron. +

São conhecidos mais de 3.000 tipos específicos de núcleo ou nuclídeos, dos quais apenas 266 são estáveis quando se encontram em seu estado de menor energia (estado fundamental). Os demais nuclídeos são instáveis e passam por algum tipo de desintegração ou decaimento radioativo , originando outros nuclídeos nesse processo e emitindo radiação .

## · Os processos de decaimento radioativo

Quando um núcleo se transforma em um outro núcleo sem influência externa, o processo é chamado de decaimento espontâneo . Um núcleo radioativo se desintegra espontaneamente pelos decaimentos alfa ( α ), beta ( β ) e gama ( γ ).

## · Decaimento Alfa

A emissão de uma partícula alfa, ou o núcleo de 2He 4 , é um processo chamado decaimento radioativo. Como partículas alfa contêm dois prótons e dois nêutrons, elas devem ser provenientes do núcleo do átomo. Após o decaimento de uma partícula alfa, o núcleo residual terá uma massa e uma carga diferentes daquelas do núcleo original. A mudança na carga nuclear (diminuição em duas

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unidades) significa que o elemento inicial foi mudado em outro, o que é chamado transmutação , que pode ser realizada nesses processos de decaimento radioativo ou através de reações nucleares.

Pode-se representar o decaimento alfa através de uma equação similar a de uma reação química.

O número atômico do núcleo muda de 106 para 104, produzindo o rutherfordio, com massa atômica 263 - 4 = 259. O decaimento alfa ocorre tipicamente em núcleos muito pesados, onde a repulsão eletrostática entre os prótons no núcleo é muito grande. Energia é liberada no decaimento alfa de um núcleo.

Observação: A massa de um núcleo é sempre menor do que a soma das massas dos seus núcleons. (prótons + nêutrons). Como a massa é uma manifestação da energia, a energia de repouso total do sistema ligado (E0=m0c ) é 2 menor do que a energia de repouso combinada dos núcleons separados. Essa diferença de energia é chamada de energia de ligação do núcleo e representa a energia que precisa ser adicionada a um núcleo para decompô-lo em suas componentes.

A energia de desintegração representa a diminuição da energia de ligação do sistema e aparece na forma da energia cinética do núcleo-filho e da partícula alfa. Este é um exemplo nuclear da versão da energia do modelo do sistema isolado. Nenhuma energia está entrando ou saindo do sistema. A energia do sistema simplesmente se transforma de energia da massa em energia cinética. Como o momento do sistema isolado tem que ser conservado, a partícula alfa, mais leve, desloca-se com uma velocidade muito maior do que a do núcleo-filho após decorrer a desintegração. Conseqüentemente, a maior parte da energia cinética disponível está associada com a partícula alfa.

## · Decaimento Beta

Partículas beta são partículas carregadas negativamente (elétrons) emitidas pelo núcleo. Como a massa do elétron é uma pequeníssima fração de uma unidade de massa atômica, a massa do núcleo que sofre decaimento beta é alterada somente por uma quantidade muito pequena. O número de massa do núcleo não é alterado. O núcleo não contém elétrons. O elétron emitido no decaimento beta corresponde à transmutação de um nêutron em um próton, dentro do núcleo. Neste processo, é criada também uma outra partícula, o neutrino, que não tendo carga e interagindo muito fracamente com a matéria, passa normalmente despercebido. No decaimento beta, o número de prótons no núcleo é aumentado de uma unidade, enquanto que o de nêutrons diminui de uma unidade.

Por exemplo, o isótopo de carbono 6C 14 é instável e emite uma partícula beta, transmutando-se no isótopo estável de nitrogênio 7N 14 .

Em um núcleo estável, o nêutron não decai. Um nêutron livre ou um nêutron em um núcleo que tenha muito mais nêutrons do que prótons, pode decair emitindo uma partícula beta e um neutrino. O neutrino, não tem carga e tem massa praticamente nula, mas carrega uma apreciável quantidade de energia e de

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momento. A pequena diminuição da massa atômica no decaimento é novamente a fonte de energia cinética das partículas emitidas.

## · Decaimento Gama

Raios gama são radiações eletromagnéticas que resulta de uma redistribuição das cargas elétricas em um núcleo. Um raio gama é um fóton de alta energia emitido pelo núcleo atômico. A única coisa que distingue um raio gama dos fótons de luz visível emitidos por uma lâmpada é o comprimento de onda. O comprimento de onda de um raio gama é centenas de milhares de vezes menor que o da luz visível (e, portanto, a frequência é centenas de milhares de vezes maior) Para núcleos complexos de elementos pesados, há inúmeras diferentes possibilidades em que os prótons podem se rearranjar dentro do núcleo. Raios gama podem ser emitidos quando há uma mudança de uma configuração para outra. Nem o número de massa nem o número atômico de um núcleo se alteram quando um raio gama é emitido. Entretanto, a massa do núcleo também aqui sofre uma pequena diminuição, sendo convertida na energia do fóton.

A radiação de fontes radioativas pode ser separada em três componentes utilizando-se um campo magnético para desviar as partículas carregadas. A chapa fotográfica è direita registra os eventos. Os raios gama não são desviados pelo campo magnético.

Foto 2: Dispositivo que simula o aparelho utilizado para a separação magnética das radiações de materiais radioativos (neste caso, retira-se a 'chapa de ouro' de plástico, que serve a outra aplicação do dispositivo)

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Retirada a folha de plástico, todas as demais configurações do dispositivo, explicitadas na simulação do aparelho de Rutherford (foto 1) são mantidas.

## 2.3. Embasamento teórico para o dispositivo que representa a meia vida do elemento químico rádio

## · Meia-Vida

A taxa de decaimento radioativo de um elemento é medida em termos de um tempo característico, a meia-vida . Este é o tempo transcorrido para que decaia

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metade da quantidade original de um determinado isótopo radioativo. Em outras palavras, a meia-vida é o tempo necessário para que uma amostra perca metade de sua radioatividade original. O rádio, 88Ra 226 , por exemplo, tem uma meia-vida de 1620 anos. Isso significa que a metade de qualquer amostra desse elemento químico será transformada em outro elemento em 1620 anos. Nos próximos 1620 anos, a partir de então, a metade do rádio remanescente decairá também, restando apenas um quarto da quantidade original de rádio.

Foto 3: Gráfico tátil-visual representativo da meia vida do elemento químico rádio. Quantidade do elemento rádio kg: 1, 1/2 ,1/4 , 1/8 - Anos: 1620, 3240, 4860.

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## · Construção do dispositivo:

Prancha plana de madeira de cerca de 80 cm x 90 cm de lados;

Gráfico cartesiano em alto relevo através de estreitas ripas de madeira, sendo que as representavam as quantidades de material radioativo e os anos possuíam pequenos sulcos sensíveis ao toque representando linhas pontilhadas;

A curva do gráfico foi feita da seguinte maneira: a fina ripa foi curvada de modo a tangenciar os pontos de encontro das coordenadas e colada na prancha, mantida a posição com pequenos pregos, depois retirados.

No eixo dos 'x' , a identificação 'anos' e respectivos valores foram indicados em braile; no eixo dos 'y', a identificação das 'quantidades de material radioativo' e respectivos valores foram indicados igualmente em braile;

Os eixos possuem aproximadamente 75 cm x 85 cm de comprimento.

Nos pontos de encontro dos valores atribuídos aos 'x' e os seus correspondentes 'y' foram inseridas pequenas pastilhas autoadesivas de silicone, representando as quantidades correspondentes a cada meia vida. Assim, na origem dos eixos: 8 calotas; ao final da primeira meia vida: 4 calotas; no final da segunda meia vida: 2 calotas; no final da terceira meia vida: 1 calota.

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## 2.4. Embasamento teórico para a reação em cadeia

## · Divisão do Núcleo Atômico

Ao colidir com o núcleo do átomo, uma partícula pode, em determinadas condições, ser absorvida e provocar a divisão do núcleo em duas partes. Este processo é denominado fissão nuclear . A fissão nuclear envolve o delicado equilíbrio entre a atração nuclear e a repulsão elétrica entre os prótons no interior do núcleo. Em todos os núcleos conhecidos, as forças nucleares são dominantes. No urânio, entretanto, esse domínio é tênue. Se o núcleo do urânio for esticado adquirindo uma forma alongada, as forças elétricas podem forçá-lo até uma forma mais alongada ainda. Se esse alongamento ultrapassar um determinado ponto crítico, as forças nucleares poderão perder para as elétricas e o núcleo se partirá. A absorção de um nêutron pelo núcleo de urânio fornece energia suficiente para causar tal alongamento. O processo da fissão resultante pode produzir muitas combinações diferentes de núcleos menores.

## · Reação em Cadeia

Uma reação de fissão do urânio é iniciada por um nêutron e ela produz dois ou três nêutrons. Ocasionalmente, um ou quatro. Na média, a fissão produz 2,5 nêutrons por reação. Como os nêutrons não possuem carga, não sendo repelidos pelos núcleos atômicos, eles constituem boas 'balas nucleares' e causam a fissão de outros átomos de urânio. Teoricamente, a fissão de um núcleo de urânio por um único nêutron pode gerar a liberação de 3 novos nêutrons que poderão, sob determinadas condições, fissionar três outros núcleos e liberar mais 9 nêutrons que fissionariam 9 outros núcleos com a liberação de mais 27 nêutrons e, assim por diante. Essa sequência é chamada de reação em cadeia. Na prática, porém, nem todos os nêutrons atingem outros núcleos. Alguns se perdem no espaço exterior.

Foto 4: Dispositivo que simula uma reação em cadeia

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## · Construção do dispositivo:

Chapa plana de madeira de aproximadamente 100 cm x 140 cm de lados;

Miçangas (pequenas contas de 0,8 cm de diâmetro) revestidas nas cores verde (prótons) e azul (nêutrons) representando núcleos de um determinado

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elemento. Essas contas receberam pequenos furos através dos quais se passou elásticos para juntá-las dando-lhes a forma de aglomerados esferiformes;

Esses núcleos foram ligados por raios de rodas de bicicletas (30 cm de comprimento) através dos quais percorriam miçangas azuis representando nêutrons;

- O primeiro núcleo recebia através de um único raio de bicicleta um nêutron e, simulando uma emissão, dele partiam dois nêutrons (em dois raios distintos de bicicleta que faziam entre si 40°) que atingiam dois outros núcleos;

De cada um desses dois núcleos atingidos partiam dois novos nêutrons que atingiam quatro outros núcleos.

## 3. Discussão

Visto a escassez de propostas para o ensino de tópicos de física moderna para alunos deficientes visuais, sugerimos quatro dispositivos tátil-visuais para o trabalho com diferentes temas. Além das sugestões também foi feita uma descrição histórica e teórica sobre os fenômenos abordados.

Acreditamos que essa contextualização servirá de subsídio ao professor para que complemente suas explicações e insira os alunos no contexto que envolveu os fenômenos que os dispositivos representam. É indicado que o docente, para a contextualização histórica, empregue linguagem oralmente descritiva em acordo com o emprego dos dispositivos.

Ainda, estes dispositivos podem ser utilizados em ambientes de ensino nos quais estejam presentes alunos com e sem deficiência visual, promovendo a integração destes alunos. Sendo assim, os materiais atendem aos critérios inclusivos buscando adequar-se à diversidade sensorial e, podem permitir aos alunos com e sem deficiência visual a participação efetiva nas aulas.

## 4. Referências Bibliográficas

BRASIL. Ministério da Educação. Censo Escolar 2009 . INEP - MEC. Disponível em: &lt; http://www.inep.gov.br/basica/censo/default.asp&gt;. Acesso em 12 ago. 2010.

CAMARGO, E.P., NARDI, R. Ensino de conceitos de física moderna para alunos com deficiência visual: dificuldades e alternativas encontradas por licenciandos para o planejamento de atividades. In: Simpósio Nacional de Ensino de Física, 17, 2007, São Luís. Atas do XVII Simpósio Nacional de Ensino de Física . São Luís: SBF, 2007.

HEWITT, P.G. Física conceitual. 9ª ed. Porto Alegre: Artmed Editora S.A., 2002. Vol. Único.

SERWAY, R.A., JEWET JR., J.W. Princípios de física - óptica e física moderna . 3ª ed. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004. Vol. 4

WHER, M. R., RICHARD JR., J. A. Física do Átomo . Rio de Janeiro: Ao Livro Técnico S.A., 1965.

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