E O ELÉTRON? É ONDA OU É PARTÍCULA? Uma proposta para promover a ocorrência da Alfabetização Científica de Física Moderna e Contemporânea em estudantes do Ensino Médio

## E O ELÉTRON? É ONDA OU É PARTÍCULA? Uma proposta para promover a ocorrência da Alfabetização Científica de Física Moderna e Contemporânea em estudantes do

## Ensino Médio

## Elcio de Souza Lopes 1

1 IFUSP/FEUSP, elcioslopes@usp.br

## Resumo

Historicamente o problema da dualidade da luz foi inicialmente discutido no âmbito da Física Clássica por Newton e por Huygens. Já a dualidade do elétron faz parte da história da Física Quântica. GJ Stoney (1874) e JJ Thomson (1897) tratavam o elétron e os raios catódicos como partículas, porém, os artigos de Louis De Broglie de 1923 e 1926, e também as experiências definitivas de GP Thomson em 1927 são tratados sobre a característica ondulatória do elétron. Porém, em nosso trabalho, seguimos até os experimentos de Merli, Missiroli e Pozzi (1976) e de Tonomura, Matsuda, Kawasaki e Ezawa (1988) que tem resultados surpreendentes: apesar dos elétrons interagirem com o detetor de forma corpuscular, gradativamente, conforme o tempo de aquisição aumenta, um padrão de difração fica evidente. Assim, utilizando uma Sequência de Ensino Investigativo (SEI), pretendemos colocar os estudantes em situações de aprendizagem que favoreçam o ensino de Física Moderna através de processos de investigação com experimentos em sala de aula e da leitura de textos e de vídeos históricos (mesmo que adaptados), favorecendo o debate de ideias o desenvolvimento científico. Para Wertsch (1999), os textos históricos são ferramentas culturais e a narrativa histórica uma forma de apresentar a integração das informações, não sendo apenas uma lista de eventos descritos em uma tabela. A Alfabetização Científica (AC) é almejada através dos processos de Argumentação em sala de aula, e neste trabalho pretendemos defender que nossa SEI tem boa base teórica, valendo-se de Indicadores de AC e de Eixos Estruturantes ( SASSERON , 2008).Finalmente, nossa intenção na apresentação do processo histórico é favorecer a discussão da transição da Física Clássica para a Física Moderna, suas consequências com relação ao desenvolvimento da tecnologia e que atualmente há discussões sérias dentro do campo das Físicas Teórica e Experimental quanto ao aspecto do elétron.

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Palavras-chave : Alfabetização científica; ensino investigativo; história da Física; Física Moderna e Contemporânea

## Introdução

Nesta pesquisa propomos o uso da ferramenta chamada Sequência de Ensino Investigativo, usada mais frequentemente para Ensino Fundamental ( CARVALHO , 2011), porém montada para o Ensino Médio e analisada como uma ferramenta para se trabalhar a Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio, mais especificamente a Física Quântica relacionada com a discussão da dualidade onda-partícula, utilizando para tanto recursos do processo de argumentação em sala de aula, visando a alfabetização científica, através de indicadores de AC ( SASSERON , 2008) presentes na SEI 'E o elétron? É onda ou é Partícula?'.

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Sabemos que existem outros trabalhos sobre o tema Física Moderna e a Dualidade Onda Partícula ( PESSOA JÚNIOR , 2003, BROCKINGTON , 2005 e BARRELO , 2010), utilizando inclusive experiências como o interferômetro de MachZehnder, porém, até o momento, não encontramos referências sobre trabalhos em sala de aula que analisem o problema da dualidade onda-partícula sob o aspecto da matéria, ondas de matéria especificamente, como no caso do elétron. Enquanto que historicamente o problema da dualidade da luz tenha sido inicialmente discutido no âmbito da Física Clássica por Newton e por Huygens, a dualidade do elétron faz parte do desenvolvimento histórico da Física Quântica, com os artigos que Louis De Broglie escreveu entre 1923 e 1926, e também com as experiências definitivas de GP Thomson em 1927. Todavia, seguimos até os experimentos de Merli, Missiroli e Pozzi (1976) e de Tonomura, Matsuda, Kawasaki e Ezawa (1988) em que os resultados desses experimentos trazem para os estudantes resultados surpreendentes: apesar dos elétrons interagirem com o detetor de forma corpuscular, gradativamente, conforme o tempo de aquisição aumenta, um padrão de difração começa a ficar evidente.

Assim, pretendemos colocar os estudantes em situações de aprendizagem que favoreçam a mediação do ensino através da leitura de textos históricos, mesmo que adaptados, estamos favorecendo o debate de ideias sobre o desenvolvimento da sociedade, e no nosso caso, mais especificamente, o desenvolvimento científico. Para Wertsch (1999), os textos históricos são ferramentas culturais e a narrativa histórica uma forma de apresentar a integração das informações, não sendo apenas uma lista de eventos descritos em uma tabela. Finalmente, nossa intenção na apresentação do processo histórico dos estudos dos raios catódicos e do elétron neste período (1874 a 1988) é favorecer, no Ensino Médio através da nossa SEI, a discussão da transição da Física Clássica para a Física Moderna, suas consequências com relação ao desenvolvimento da tecnologia e que atualmente há discussões sérias dentro do campo das Físicas Teórica e Experimental quanto ao aspecto do elétron, favorecendo, por exemplo, o desenvolvimento da microscopia eletrônica holográfica.

Finalmente, na Sequência de Ensino Investigativa (SEI) a intenção é promover a alfabetização científica através do processo de argumentação entre alunos e entre professor e alunos, de forma a atingir nossos objetivos: i) verificar o que é necessário considerar para o planejamento de uma SEI sobre o tema Física Moderna e Contemporânea que vise promover a Alfabetização Científica e a Argumentação entre os alunos e ii) quais seriam os elementos presentes em nossa SEI proporcionam a Alfabetização Científica e a Argumentação, sendo passíveis de verificação através de Indicadores de Alfabetização Científica.

## História do elétron ao final do século XIX e início do século XX

Enquanto GJ Stoney e JJ Thomson tratavam o elétron e os raios catódicos como partículas, GP Thomson a tratava como onda e W Heisenberg tratava o elétron como algo que era onda e partícula, dependendo do caso estudado. E nos experimentos de Merli et tal e de Tonomura et tal, é possível verificar o comportamento dual do elétron em interações contínuas e sequenciais com um detetor, com um padrão corpuscular inicial, todavia com o decorrer do tempo, formando-se padrões de interferência, característicos da difração de ondas.

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E a apresentação destes aspectos históricos e filosóficos também favorece a discussão do tema Física Moderna, mais especificamente o de Física Quântica, em salas de aula do Ensino Médio, pois facilitam as criações de ferramentas de ensino tais como a criação de experiências reais e como a elaboração de textos históricos, que foram adaptados dos artigos escritos pelos pesquisadores sobre a Física Moderna, mais especificamente sobre o elétron.

Assim, de posse dessas informações, na forma de textos adaptados, os alunos são convidados a participar de uma Sequência de Ensino Investigativa, envolvendo textos históricos adaptados, demonstrações investigativas e laboratórios investigativos. Os textos adaptados foram montados de tal forma que os artigos desses cientistas fossem mostrados em uma forma mais próxima ao aluno, mas mantendo o conteúdo do texto original. Foram escritos de tal forma a serem semelhantes ao formato de uma entrevista para a editoria de ciência de um jornal. E o experimento de Tonomura et al utiliza a exibição de vídeos com a formação paulatina das imagens de interferência.

Discutir esta questão demanda dar atenção também à transição da Física Clássica, especialmente a transição da Mecânica e do Eletromagnetismo (tratados por GJ Stoney e JJ Thomson) para a Física Quântica discutida e defendida por GP Thomson e W Heisenberg. Nos artigos dos primeiros, há menção à definição do nome 'elétron' ou 'átomo de eletricidade' em 1874 por GJ Stoney, e reforçado por ele mesmo em outro artigo de 1894. E ainda a definição do elétron como partícula em 1897 por JJ Thomson. Como os trabalhos de Stoney estavam relacionados com um modelo atômico de Dalton, para o pesquisador, então, o elétron era partícula sem nenhuma dúvida. Para JJ Thomson os raios catódicos (ainda no artigo referido não tratava de especificar elétron como a partícula dos raios catódicos) tinham características de partículas, podendo se observar trajetórias, posições e velocidades. Com GP Thomson ( THOMSON , 1928), o elétron, ainda relacionado com raios catódicos, é tratado como onda, sem possibilidade de dúvidas, pois baseia suas experiências na teoria quântica ondulatória de Louis de Broglie e Erwin Schrödinger. As entrevistas foram estruturadas de maneira a apresentar uma entrevistadora que explicita os aspectos relevantes dos artigos para os leitores utilizando como respostas dos cientistas os seus textos originais. As respostas dos cientistas que foram escritas em itálico, somente foram traduzidas do texto original e na medida do possível, mantida a ordem em que aparecem no artigo, as que foram escritas em formato normal foram criadas para estruturar o texto como uma entrevista real e reduzidas as proporções considerando o tempo de concentração do estudante do Ensino Médio durante a leitura de textos em sala de aula.

## Sequência de Ensino Investigativo

Quando um professor planeja atividades com os seus alunos de forma dirigida ele está propondo uma sequência didática. Essa sequência pode ser feita de diversas formas, e as mais comuns são aquelas com o uso de giz, lousa, caderno e livros, ou seja, sem a participação ativa dos alunos. Como afirma Paulo Freire (1996) 'não há docência sem discência', e que o professor deve se encarar como um objeto e o formador é o sujeito em uma relação em que o professor deve se considerar objeto. Se o professor pode alcançar esse ponto, de se encarar como o objeto do processo, como um paciente que recebe em seu leito os -conhecimentos - conteúdos - acumulados pelo sujeito que sabe e que são transferidos ao professor. E em outro momento, então, o professor poderá se tornar um -falso sujeito da

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formação do futuro objeto do seu ato formador ( FREIRE , 1996). O professor que se entende como aprendiz no processo de formação estará mais apto a se compreender como formador, incompleto, mas um formador, ou seja, que

desde os começos do processo, vá ficando cada vez mais claro que, embora diferentes entre si, quem forma se forma e re-forma ao formar e quem é formado forma-se e forma ao ser formado. É neste sentido que ensina não é transferir conhecimentos, conteúdos nem formar é ação pela qual um sujeito criador dá forma, estilo ou alma a um corpo indeciso e acomodado (idem, p. 23)

Então, ter somente uma sequência didática não é necessariamente ter acesso a uma ferramenta que possibilita a Alfabetização Científica. Numa sala de aula o estudante está interagindo com outros colegas e com o professor em diversas atividades, algumas dessas atividades sendo dirigidas por alunos ou por professor, como em uma sequência didática, por exemplo. Podem existir e se criar várias sequências didáticas, mas como nem todas as sequências que podem ser propostas necessariamente almejam a Alfabetização Científica, uma Sequência de Ensino Investigativa tem necessariamente esse aspecto, entre outros.

Para montar uma SEI, precisamos considerar alguns aspectos relevantes, que a pesquisadora de Ensino de Ciências, Anna Maria Pessoa de Carvalho em um trabalho recente ( CARVALHO , 2011) e de compilação das teorias sóciointeracionistas, propôs para uma elaboração de sequências de ensino investigativas. Quatro pontos são importantes para fundamentar o planejamento de uma SEI:

- · A importância de um problema para um início da construção do conhecimento;
- · A ação manipulativa para a ação intelectual;
- · A importância da tomada de consciência de seus atos para a construção do conhecimento, e;
- · As diferentes etapas das explicações científicas.

Além desses quatro pontos essenciais para a elaboração de uma SEI, Carvalho (2011) aponta oito pontos que devem ser seguidos por quem deseja planejar uma SEI (que possam ficar organizadas de tal forma a proporcionar condições para que as interações entre alunos e entre professor e alunos aconteçam), quanto no direcionamento do papel do professor como articulador e gerenciador durante esse processo de ensino.

- · A participação ativa do estudante;
- · A importância da interação aluno-aluno;
- · O papel do professor como elaborador de questões;
- · A criação de um ambiente encorajador;
- · O ensino a partir do conhecimento que o aluno traz para a sala de aula;
- · O conteúdo (o problema) tem que ser significativo para o aluno;
- · A relação ciência, tecnologia e sociedade;
- · A passagem da linguagem cotidiana para a linguagem cientifica;

## SEI 'E o elétron? É onda ou é partícula?'

Nossa sequência está dividida em três blocos de atividades pensadas e montadas de tal forma a promover ciclos argumentativos pequenos, que fazem parte

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de outros ciclos maiores em cada bloco. E ainda o bloco final também integra os grandes blocos 1 e 2 em um outro ciclo maior.

O Bloco 1 , 'O que são partículas?', está estruturado em três partes de forma a promover a discussão sobre as características dos corpos como partículas. Na primeira parte a atividade é feita com bolinhas de gude, procurando em um processo dialógico a definição de partículas na Física Clássica, na sua finalização é entregue um texto sobre como funciona um aparelho de raios catódicos, para se discutir na parte seguinte. Na segunda parte, os raios catódicos, a atividade está montada de forma a que se possam testar as conclusões obtidas nos debates de ideias da primeira parte sobre partículas no caso dos raios catódicos, tal como foi feito por JJ Thomson. Ao final dessa segunda parte, os alunos recebem um texto adaptado 'Entrevista com JJ Thomson', para que se possam discutir as ideias na terceira parte do bloco. A terceira parte do primeiro bloco é um debate dirigido, com produção de texto final, em pequenos grupos, de forma que possam responder as questões sobre as hipóteses de JJ Thomson, suas bases teóricas, seus aparelhos, suas dificuldades e suas conclusões. A questão final do bloco é 'Então os raios catódicos são compostos por partículas?'.

O Bloco 2 , 'O que são ondas?', está estruturado também em três partes. Na primeira parte as atividades são projetadas para fomentar o conceito de ondas e, principalmente, as características de difração e de interferência em ondas na água e no ar. A segunda parte já está relacionada com o aparelho de difração de elétrons, mas com tensão alta, de forma a obter figuras de círculos de difração. Durante essa parte as discussões são dirigidas para se responder à pergunta: 'Os raios catódicos, então, têm comportamento de ondas?'. Essa segunda parte é encerrada com a entrega do texto 'Entrevista com GP Thomson', como preparação da próxima parte. A terceira parte está projetada para se debater as hipóteses, as bases teóricas, os aparelhos, as dificuldades e as conclusões de GP Thomson quanto às características ondulatórias dos raios catódicos. A finalização dessa parte auxiliará a promoção do debate sobre a classificação dos raios catódicos como ondas. Ao final dessa parte e do bloco dois serão distribuídos os textos de apoio sobre os experimentos de Merli, Missiroli e Pozzi e de Tonomura, Endo, Matsuda, Kawasaki e Ezawa.

No Bloco 3 'E o elétron?', bloco final, entra-se na Física Quântica propriamente dita, com a intenção de promover a discussão acerca da dualidade onda- partícula da matéria, com base nas discussões e debates dos alunos nos blocos anteriores. Na primeira parte há as discussões dos textos entregues ao final da parte anterior. Os alunos são convidados a discutir, então, como se medem as coisas muito pequenas, e são apresentados aos vídeos sobre os experimentos de interferência de elétrons (Merli et all e Tonomura et all). Ao final dessa parte será distribuído o texto 'Interpretações da Física Quântica', para que os alunos possam ter embasamento filosófico suficiente para se discutir as suas ideias acerca do aspecto dual da matéria em geral, e do elétron em particular. Na parte dois discutem-se as interpretações da Física Quântica, com base no texto entregue ao final da primeira parte e nas conclusões que os alunos chegaram com os debates finais do bloco dois. Coloca-se a questão de como definir a matéria e convida os estudantes, em grupos pequenos, encontrarem a sua interpretação sobre o que é matéria. Ao final da segunda parte será entregue um texto sobre o impacto do desenvolvimento da ciência e da tecnologia no desenvolvimento social e econômico

da sociedade em que o leitor está inserido, com o título: ' Para o infinito, e além! O

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desenvolvimento de novas tecnologias e a Física Quântica: dos aceleradores de partículas e da TV de tubo ao LHC e ao iPAD'. Na parte três será discutido esse texto, com enfoque no desenvolvimento das interpretações acerca da natureza do elétron e suas consequências na sociedade em que o leitor está inserido. Ao final do debate os alunos são convidados a colocar suas conclusões e ideias sobre o tema em texto, cartaz, teatro ou música, a ser entregue e que será utilizado para se avaliar a SEI realizada.

## Analisando a SEI 'E o elétron?' alguns exemplos

Em uma análise prévia da proposta da SEI com relação aos eixos estruturantes da AC ( SASSERON , 2008), os blocos 1 e 2 estão de acordo com o primeiro eixo, ou seja, a 'compreensão básica de termos, conhecimentos e conceitos físicos fundamentais' (idem, p. 65), pois possibilita o trabalho com alunos a construção de significados para os conhecimentos científicos necessários para a aplicação na situações seguintes da SEI, e em outras casos cotidianos. Já o bloco 3 além do primeiro eixo, também propõe a promoção do segundo eixo estruturante, que é a 'compreensão da natureza das ciências e dos fatores éticos e políticos que circundam a sua prática' e também parte do terceiro eixo, que compreende o 'entendimento das relações existentes entre ciência, tecnologia, sociedade e meioambiente'.

A seguir mostramos alguns exemplos da análise que fizemos da SEI, com comentários sobre a validade, ou não, da parte proposta com relação aos aspectos essenciais e importantes de uma SEI conforme Carvalho (2011) e com os Indicadores de Alfabetização Científica que estão contemplados e/ou que se deseja a promoção com a atividade.

Quadro 1: análise de parte da atividade 1 do Bloco 1 da SEI

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Quadro 2: análise de parte da atividade 2 do Bloco 1 da SEI

## Quadro 3: análise de parte da atividade 3 do Bloco 1 da SEI

## Considerações finais

Ao final do trabalho, pudemos verificar a validade da SEI 'E o elétron? É onda ou é partícula?' como uma ferramenta que pode promover a Alfabetização

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Científica, através de processos de argumentação na sala de aula e dos eixos estruturantes da alfabetização científica. No presente trabalho demonstramos parte da análise feita no primeiro bloco, em três atividades, mas a nossa análise mostrou que cada atividade de cada bloco, e que o conjunto dos três blocos contempla os aspectos essenciais e os aspectos importantes de uma Sequência de Ensino Investigativo.

Finalmente, em nossa pesquisa teórica pudemos verificar muito do que é necessário se considerar para o planejamento de uma SEI sobre o tema Física Moderna e Contemporânea que vise promover a Alfabetização Científica e a Argumentação entre os alunos , assim como também quais seriam os elementos presentes em nossa SEI proporcionam a Alfabetização Científica e a Argumentação, sendo passíveis de verificação através de Indicadores de Alfabetização Científica . Atingindo, ao final do trabalho, boa parte de nossos objetivos de pesquisa. Porém, consideramos importante ressaltar que, como perspectiva de continuidade do trabalho, é necessária a implementação desta SEI em sala de aula.

## Referências

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Carvalho, Anna Maria Pessoa. Ensino e aprendizagem de ciências: referenciais teóricos e dados empíricos das sequências de ensino investigativas (SEI) ; In: LONGHINI, Marcos Daniel (org.) O Uno e o Diverso na Educação . Uberlândia/MG: EDUFU, 2011

Pessoa Jr, Osvaldo. Conceitos de Física Quântica - V1- São Paulo: Editora Livraria da Física, 2003

Sasseron, Lúcia Helena. Alfabetização Científica no Ensino Fundamental: Estrutura e Indicadores deste processo em sala de aula . Tese de Doutoramento (FEUSP). São Paulo: s.n., 2008.

Siqueira, M.R.P. Do visível ao indivisível: uma proposta de física de partículas elementares para o ensino de física. Dissertação de Mestrado - Instituto de Física e Faculdade de Educação - Universidade de São Paulo - São Paulo, 2006.

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Wertsch, J. V. La Mente em Acción , Buenos Aires: Oxford University Press, 1999

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