O EXPERIMENTO DE HERSCHEL NA DESCOBERTA DA RADIAÇÃO INFRAVERMELHA: A UTILIZAÇÃO DE FONTES PRIMÁRIAS NO ENSINO DE FÍSICA

## O EXPERIMENTO DE HERSCHEL NA DESCOBERTA DA RADIAÇÃO INFRAVERMELHA: A UTILIZAÇÃO DE FONTES PRIMÁRIAS NO ENSINO DE FÍSICA

## Mônica Sayuri Kitagawa 1 , Marcos Binderly Gaspar 2

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Curso Ernani, monica\_sayuri@ufrj.br Instituto de Física, UFRJ, mgaspar@if.ufrj.br

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## Resumo

Os Parâmetros Curriculares Nacionais recomendam que se estimule nos alunos a compreensão do desenvolvimento cientifico e tecnológico como fruto de uma construção humana dentro de um processo histórico. Muitas questões foram levantadas por diversos autores sobre como seria possível usar a História da Ciência no Ensino Médio. Diversos pesquisadores mostraram a viabilidade de utilizar diferentes práticas pedagógicas para a abordagem da História da Ciência em sala de aula. Há também a necessidade de implementar discussões sobre História da Ciência na formação dos professores, nos livros didáticos, que muitas vezes é a única ferramenta que o professor dispõe em suas aulas. Este trabalho propõe a utilização de textos originais de William Herschel para reproduzir o experimento da descoberta da radiação infravermelha feito por ele em 1800. Ao utilizar estes textos, o leitor se depara com o processo que levou à construção deste conhecimento, mostrando que não foi uma idéia genial e pronta, mas um passo a passo com idas e vindas e, ao realizar um experimento nos mesmos moldes daquele relatado por Herschel, o aluno compreenderia o processo como um todo, não somente seus resultados. Quando se pergunta quem foi William Herschel, muitos respondem como o descobridor do planeta Urano, mas pouquíssimos sabem que foi ele quem primeiro constatou a existência de uma radiação invisível que é bastante utilizada nos dias atuais.

Palavras-chave : William Herschel; Infravermelho; História da Ciência

## Introdução

Nos últimos anos houve um aumento significativo de publicações sobre a utilização da História e Filosofia da Ciência no ensino de Ciência, que pode ser verificado em diversos trabalhos e está dentro das recomendações dos Parâmetros Curriculares Nacionais (PRAXADES, 2009). Alguns desses trabalhos criticam a visão de Ciência como um produto fechado (CASTRO, 1992, QUEIRÓS, 2010) salientando a importância da utilização da História da Ciência na sala de aula para mostrar como foi o caminho percorrido para a construção do conhecimento e quais foram os contextos políticos e sociais envolvidos. E o mais importante: mostrar que a visão levada ao aluno de uma Ciência pronta e completa ou um produto fechado é equivocada. A Ciência deve ser mostrada como uma construção continuada da humanidade.

Segundo Batista (2007, p 265) o professor é um investigador de sua prática pedagógica e a inserção de enfoques e elementos e materiais didáticos com fundamentação histórico-filosófica deve sofrer adaptações e transformações pedagógicas para uma aplicação em sala de aula que obtenha resultados de qualidade.

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30 de janeiro a 04 de fevereiro de 2011

O professor deve ser bastante criativo para que seja possível levar a História da Ciência à sala de aula, pois ele deve fazer a transposição de textos científicos originais para materiais didáticos acessíveis aos alunos..

Para isso, utilizamos dois artigos de William Herschel, nos quais ele explica os caminhos percorridos que o levou a concluir a existência de uma 'luz invisível' (termo usado para a radiação infravermelha). Os dois trabalhos foram apresentados no Philosophical Transactions of the Royal Society em março e abril de 1800, o breve resumo dos trabalhos está descrito em Histórico.

A radiação infravermelha está bastante presente no cotidiano, podemos exemplificar o controle remoto utilizado em TVs e nos DVDs; em tratamentos médicos como a termoterapia transpupilar contra melanomas; e também está presente em questões ambientais como o efeito estufa, que é a retenção do infravermelho por alguns gases que compõem a atmosfera terrestre. Acreditamos que não basta apresentar o experimento que levou à descoberta desta radiação bastante utilizada no dias atuais, mas, também, os caminhos que levaram a esta descoberta.

Queremos incentivar essa visão de Ciência que mostre que as descobertas, as teorias e fórmulas apresentadas nos livros didáticos possuem um passado e nem sempre foram encontradas 'prontas' como a leitura dos mesmos pode dar a entender.

## Histórico

Fizemos um breve resumo dos pontos mais importantes dos dois artigos citados de Herschel, recomendamos aos professores lerem todo o texto original.

No trabalho publicado em março de 1800, Experiments on the heating Power of coloured Rays (HERSCHEL, 1800a), Herschel observou o aquecimento produzido pela condensação da luz solar no foco de uma lente convergente. Ele achava natural supor que cada um dos raios [faixas de cada cor do espectro] contribuísse de modo semelhante para a intensidade do calor. Mas, ao filtrar a luz do sol com vidros de diferentes cores e diferentes combinações em seus experimentos, percebeu que a sensação de calor percebida e a iluminação observada variavam de acordo com a cor do vidro, às vezes ele sentia calor, mas observava uma pequena luminosidade, outras vezes uma luminosidade maior com sensação de calor muito pequena. Herschel ao verificar que as combinações dos vidros influenciavam na percepção de cor e calor da imagem do Sol, pensou em testar se os raios separados por um prisma poderiam confirmar este poder das diferentes cores de aquecer corpos de maneira desigual.

'If certain colours should be more apt to occasion heat, others might, on the contrary, be more fit for vision, by possessing a superior illuminating power'. (HERSCHEL, 1800a, p. 256)

'Se certas cores poderiam ser mais suscetíveis a ocasionar calor, outras ao contrário poderiam ser mais adequadas para a visão, por possuir um poder de iluminação superior' Tradução livre.

Podemos verificar que Herschel, através da vivência, da atenção e da curiosidade já caminhava para encontrar a resposta de sua hipótese. Para isso ele projetou um aparato que pode ser observado na figura 1.

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Figura 1: Aparato utilizado por Herschel (Herschel 1800a).

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Herschel colocou uma placa de papelão com uma abertura mn, (figura 1) maior do que o bulbo de um termômetro e de um comprimento suficiente para deixar toda extensão das cores do prisma passar, em suportes C e D com eixo móvel. Ele colocou os três termômetros de mercúrio sobre planos inclinados E e F com seus bulbos pintados com tinta preta. O suporte e os termômetros foram colocados em uma tábua de madeira GH. Um prisma móvel sobre o seu eixo foi colocado na parte superior de uma janela aberta (a figura 1 não o mostra) fazendo que apenas uma cor passasse através da abertura do papelão. A partir daí, Herschel fez comparações das temperaturas obtidas pelas cores com a temperatura na sombra. Pelos experimentos, ele encontrou que a dilatação do líquido do termômetro variava para cada cor, sendo a variação do vermelho foi maior do que as cores verde e violeta.

[...] 'the heating power of the prismatic colours, is very far from being equally divided, and that the red rays are chiefly eminent in that respect'. (HERSCHEL, 1800a, p. 261-262)

[…] 'o poder de aquecimento das cores separadas pelo prisma está longe de ser igualmente dividido, e que os raios vermelhos se destacam nesse aspecto'. Tradução livre.

Herschel fez diversos experimentos para verificar o efeito em que diversos objetos poderiam ter sobre os raios de luz. As conclusões de Herschel sobre esses experimentos com respeito ao poder de iluminação de cada cor foram que os raios vermelhos estão muito longe de ter algum grau iluminação. Os raios laranja possuem um grau de iluminação maior do que o vermelho e os raios amarelos

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iluminam ainda mais. A iluminação máxima está no amarelo brilhante, ou verde pálido, mas o poder de iluminação diminui sensivelmente na faixa do verde profundo. Herschel percebeu que o azul possui um grau de iluminação semelhante ao vermelho; o do índigo era muito menor do que o do azul; e o do violeta é deficiente.

Herschel percebeu que alguns raios que ocasionam calor não possuem um maior grau de iluminação e conjecturou que, talvez, as propriedades químicas das cores prismáticas fossem relacionadas ao calor e à luz.

'May not the chemical properties of the prismatic colours be as different as those which relate to light and heat?' (HERSCHEL, 1800a, p. 270)

'Não podem as propriedades químicas das cores prismáticas serem tão diferentes como as que dizem respeito à luz e ao calor?" Tradução livre.

Herschel mostrou que não existe correlação entre a temperatura máxima marcada no termômetro e o máximo de iluminação obtido nos experimentos. Existe um pico na iluminação na cor amarela (que está no meio do espectro solar visível), mas o pico na temperatura é no vermelho (que está na ponta do espectro). Nesse mesmo artigo, Herschel mostra uma dúvida sobre a natureza da luz e do 'calor radiante'. Ele percebeu que o prisma refratava o 'calor radiante' de maneira diferente da luz. Se não existisse essa diferença, o calor contido em um raio do Sol deveria ser uniforme, levantando a hipótese da refringência do 'calor radiante' se estender um pouco mais que a da luz.

No segundo artigo de Herschel (HERSCHEL, 1800b) ele relata o esforço para confirmar a refringência do 'calor radiante'. Herschel providenciou uma pequena mesinha, e o cobriu com papel branco. Sobre este, desenhou a cinco linhas, paralelas a uma extremidade do suporte, a meia polegada de distância uma da outra, mas que a primeira delas estava 1/4 de polegada da borda, cruzando-as com três linhas perpendiculares (ver figura 2).

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Figura 2: Aparato utilizado por Herschel (Herschel 1800b).

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Os três termômetros marcados com os números 1, 2 e 3 foram colocados sobre pequenos planos inclinados de modo que as sombras dos bulbos estivessem na intersecção dessas linhas. Herschel colocou o espectro produzido pelo prisma de modo que a cor extrema caísse na borda do papel, de modo que não avançasse na demarcação. Além disso, Herschel tomou a precaução de colocar uma cortina verde na janela a fim de escurecer o ambiente. Herschel colocou o extremo do vermelho visível na primeira linha, e os termômetros colocados na segunda linha, sendo que somente um termômetro estava alinhado com o espectro solar, ele verificou o aumento da temperatura e refez a experiência trocando os termômetros, assim, ele encontrou um aumento de 6,5º no termômetro 1 e 2,75º para o termômetro 2 em 10 e 12 minutos, respectivamente.

'It being now evident that there was a refraction of rays coming from the sun, which, though not fit for vision, were yet highly invested with a power of occasioning heat, I proceeded to examine its extent as follows'. (HERSCHEL, 1800b, p. 286)

'Sendo agora evidente que existem raios refratados vindo do Sol, que embora não sejam visíveis, possuem alto poder de ocasionar aquecimento, eu parti para examinar esta evidência como desenvolvo a seguir'. Tradução livre.

Para verificar até onde podem existir os raios invisíveis que possuem alto poder de aquecimento, Herschel continuou os experimentos afastando os termômetros da região do vermelho. Herschel colocou os termômetros na terceira linha e encontrou um aumento de 5,25º em 13 minutos. Para a quarta linha, ele encontrou um aumento de 3,16º em 10 minutos. Mas Herschel preferiu não fazer

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para a quinta linha, pois o tempo estava bom, o que não era esperado naquela época do ano, preferindo verificar o outro extremo do espectro, a região violeta.

Herschel não pode determinar com precisão a terminação da faixa violeta, pois, os raios violeta eram mais fracos. Assim, ele colocou os termômetros a uma polegada além dos raios violeta. Diferentemente da região ao lado do vermelho, em 12 minutos ele não encontrou nenhum aumento significativo na temperatura. Por isso ele colocou os termômetros no violeta visível e encontrou um aumento de 1º em 15 minutos. Herschel concluiu, a partir desses experimentos, que não existe nenhum raio além do violeta capaz de ser perceptível ou promover aquecimento e que estes fatores são encontrados simultaneamente através do espectro, terminando onde o violeta desaparece.

Um ponto importante que Herschel ainda não havia verificado era a posição do aquecimento máximo, ele sabia que não estava no lado vermelho em direção ao violeta. Herschel colocou o bulbo do termômetro 1 no centro da região vermelha e outros dois termômetros numa posição em que os raios não os afetassem. Herschel encontrou o aumento de 7º em 10 minutos. A mesinha foi recuada de modo a ter o centro do bulbo do termômetro 1 na região do desaparecimento do vermelho, isto é, a metade do bulbo estaria dentro do vermelho e a outra metade no invisível, foi encontrada o aumento de 8º em 10 minutos. Herschel prosseguiu com o próximo experimento, puxando a mesinha até que o bulbo do número 1 estivesse completamente fora dos raios visíveis, de modo a trazer o final da cor vermelha próxima ao bulbo sem tocá-la. Herschel encontrou o aumento de 9º em 10 minutos, mas ele achou que não seria adequado usar este último resultado com os anteriores, pois, a luz solar estava mais forte do que no dia dos experimentos anteriores. Herschel colocou o termômetro a distância de 0,5 polegada da divisa da luz visível encontrando um aumento de 8,75º em 16 minutos. Mas esse valor não foi muito diferente dos 9º, isso indicava que o local a ser investigado não precisava ser procurado a uma maior distância.

Herschel concluiu com os experimentos: a comprovação que existem raios vindos do Sol que são menos refratáveis do que qualquer outro raio que afeta a visão e também são responsáveis pelo alto poder de aquecimento dos corpos, mas não possuem poder de iluminar os objetos, isso explicaria o porquê desses raios passarem despercebidos.

'The first experiments prove that there are rays coming from the sun, which are less refrangible than any of those that affect the sight. They are invested with a high power of heating bodies, but with none of illuminating objects; and this explains the reason why they have hitherto escaped unnoticed'. (HERSCHEL, 1800b, p. 290)

'O primeiro experimento provou que existem raios vindos do Sol, que são menos refratáveis do que qualquer um desses que afetam a visão. Eles possuem alto poder de aquecer os corpos, mas com nenhum de iluminar os objetos; e isto explica o porquê até agora passarem despercebidos'. Tradução livre .

O 5º e 6º experimentos mostraram que o poder de aquecimento é estendido até o violeta, mas não além dele e que enfraquecem gradualmente à medida que são mais refratáveis. Os últimos quatro experimentos provaram que o poder de aquecimento máximo está entre os raios invisíveis e que provavelmente estaria não menos de 0,5 polegadas além do vermelho visível. Outra conclusão interessante de Herschel foi que os raios invisíveis menos refratados e consideravelmente além do

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máximo aquecimento, ainda exercem um poder de aquecimento comparável a do vermelho e se pudesse inferir a quantidade dos invisíveis, provavelmente excederiam os visíveis em números.

'The four last experiments prove, that the maximum of the heating power is vested among the invisible rays; and is probably not less than half an inch beyond the last visible ones, when project in the manner before mentioned. The same experiments also shew , that the sun's invisible rays , in the less refrangible state, and considerably beyond the maximum still exert a heating power fully equal to that red-coloured light; and that, consequently, if we may infer the quantity of the efficient from the effect produced, the invisible rays of the sun probably far exceed the visible ones in number'. (HERSCHEL, 1800b, p. 291)

'Os últimos quatro experimentos provaram que o máximo poder de aquecimento está entre os raios invisíveis; e está provavelmente, não menos do que a metade de uma polegada além do último visível, quando projetado da forma antes mencionada. Os mesmos experimentos também mostram que os raios solares invisíveis, menos refratados, e consideravelmente além do máximo, ainda exercem um poder de aquecimento totalmente igual a da luz vermelha; e que conseqüentemente, se pudermos inferir a quantidade da eficiência do efeito produzido, os raios invisíveis do sol provavelmente excedem os visíveis em número' Tradução livre.

Para concluir, Herschel faz uma pergunta sobre a qualidade da luz, se a luz são os raios que iluminam os objetos e calor aqueles que aquecem os corpos, então a luz seria diferente do calor radiante?

'A beam of radiant heat, emanating from the sun, consists of rays that are differently refrangible. The range of their extent, when dispersed by a prism, begins at violet-coloured light, where they are most refracted, and have the least efficacy. We have traced these calorific rays throughout the whole extent of the prismatic spectrum; and found their power increasing, while their refrangibility was lessened, as far as confines of red-coloured light. But diminishing refrangibillity, and increasing power, did not stop here; for we have pursued them a considerable way beyond the prismatic spectrum, into an invisible state, still exerting their increasing energy, with a decrease of refrangibillity up to the maximum of their power; and have also traced them to that state where, though still less refracted, their energy, on account, we may suppose, of their now falling density, decreased pretty fast; after which, the invisible thermometrical spectrum, if I may so call it, soon vanished.' (HERSCHEL, 1800b, p.291-292)

'Um feixe de calor radiante, emitida pelo Sol, consiste de raios de diferentes refrangibilidades. A extensão de sua faixa, quando dispersada por um prisma, começa na luz violeta, onde eles são mais refratados, e tem eficácia mínima. Nós temos delineado estes raios caloríferos por toda a extensão do espectro prismático; e achamos seu poder crescente, enquanto sua refrangibilidade decrescia, até os limites da luz vermelha. Mas a sua refringência decrescente e poder crescente não pararam por aqui; pois, nós os encontramos, numa distância considerável para além do espectro prismático, na faixa invisível, ainda exercendo a sua energia crescente, com uma diminuição de refringência até o máximo de seu poder; e temos rastreado também esse estado, onde, apesar de ainda menos refratados, podemos supor que, por sua densidade declinante, diminuiu consideravelmente rápido; após o que, o espectro 'termométrico invisível', se assim posso chamá-lo, logo desapareceu'. Tradução livre .

Pudemos verificar através desse breve resumo como foi o caminho percorrido por Herschel até concluir a existência da 'luz invisível'.

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## Passo a passo para a construção do experimento.

A construção do experimento (KITAGAWA, 2009), apresentada a seguir, foi baseada na descrição do trabalho do próprio Herschel (ver figura 2), tendo algumas mudanças para que seja viável reproduzi-lo.

Materiais:

Um pedaço de arame de 35 cm aproximadamente; enfeites de parede com termômetro; pedaço de E.V.A (borracha); isopor; caixa de papelão; superbonder.

O termômetro, comprado como enfeite de parede na forma de violão, foi retirado da sua moldura. O bulbo foi pintado com tinta acrílica preta. A moldura foi cortada para somente aproveitar a escala termométrica e o suporte do termômetro foi feito com isopor, devendo manter o bulbo a uma pequena distância da superfície (Figuras 3 e 4).

Figura 3: O termômetro sendo preparado

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. Figura 4: O termômetro em cima da base de isopor (Vista frontal e lateral)

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As duas pontas do arame foram enroladas na forma de espiral com alicates, os centros das duas espirais foram aproximados conforme a figura 5. A distância entre os centros deve ser menor do que a altura do prisma. Foram colados com Superbonder dois pedaços de E.V.A. nos centros.

Figura 5: As duas pontas do arame foram enroladas e dois pedaços de E.V.A colados.

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O suporte foi preso a caixa de papelão com um pequeno pedaço de arame (figura 6).

Figura 6: O suporte preso a caixa com pequeno pedaço de arame. O prisma preso ao suporte na segunda foto

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O prisma pode ser encomendado em lojas que trabalham com acrílico grosso, foi utilizado chapa acrílica de 3 cm de espessura (a espessura é igual à altura do prisma) custando na faixa de R$ 22,00.

Figura 7: A luz solar atravessando o prisma e sendo projetada na folha de papel.

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## Considerações

Sugerimos a montagem acima como forma de baixo custo para reproduzir este experimento histórico. Recomendamos ao professor encaminhar a execução do experimento com seus alunos seguindo um roteiro baseado nos textos originais do Herschel procurando repetir o caminho percorrido por ele até a conclusão da existência de uma luz invisível. Não basta apenas saber da existência ou das utilizações do infravermelho, mas sim entender o processo de sua descoberta. Mostrar os esforços feitos por Herschel para se assegurar que aquela nova faixa de radiação encontrada por ele estava bem confirmada. Assim o professor mostrará que o caminho percorrido para a descoberta desta radiação foi duro, nada foi feito como um passe de mágica.

Montamos, com bom resultado, uma versão do experimento proposto por Kitagawa (2009), existe outra versão do experimento proposto no site COOLCOSMOS. A única grande dificuldade sendo a impossibilidade de realização em dias nublados. Recomendamos também a utilização de horários próximos ao meio dia para melhor aproveitamento da intensidade da luminosidade solar e para minimizar o efeito da rotação da Terra sobre o deslocamento aparente das imagens projetadas

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## Referências

BATISTA, Irinéa L. Reconstruções Histórico-Filosóficos e a pesquisa em Educação Cientifica e Matemática. In: NARDI, Roberto (Org). A pesquisa em ensino de Ciências no Brasil: alguns recortes . Escrituras Editora, SP, 2007. p 257-272.

CASTRO, Ruth Schimtz de, CARVALHO, Anna Maria Pessoa de . História da Ciência: Investigando Como Usá-la Num Curso de Segundo Grau . Cad. Cat. Ens. Fís. v.9, 1992

- a- HERSCHEL, William. XIII. Investigation of the power of the prismatic colours to heat and illuminate objects . Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1800, p.255-283.
- b- HERSCHEL, William. XIV. Experiments on the refrangibility of the invisible rays of the Sun . Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1800, p. 284-293

Ministério da Educação, Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio . Brasília: MEC/Semtec, 1999.

KITAGAWA, Mônica Sayuri. Infravermelho na sala de aula . Rio de Janeiro: UFRJ, 2009, Monografia de Graduação em Licenciatura em Física, Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2009

PRAXEDES, Gilmar; PEDUZZI, Luiz O.Q. Tycho Brahe e Kepler na escola: uma contribuição na inserção de dois artigos em sala de aula . Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, n. 3, 3601, 2009

QUEIRÓS, Wellington Pereira De; NARDI, Roberto. História do Princípio da Conservação da Energia: Alguns Apontamentos para a Formação de Professores . 2009. Trabalho apresentado ao XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física, Vitória, 2009.

COOLCOSMOS -http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/ Acesso em 24/09/2010.

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