QUARKS, ELÉTRONS, FÓTONS E GLÚONS... BEM-VINDAS: AS PARTÍCULAS ELEMENTARES NO ENSINO MÉDIO

## QUARKS, ELÉTRONS, FÓTONS E GLÚONS... BEM-VINDAS: AS PARTÍCULAS ELEMENTARES NO ENSINO MÉDIO

*Sebastião Rodrigues Moura 1 , Gisele da Costa Ramos , Luciano Almeida 2 Watanabe 3 , Anderson Acacio 4 , Manoel Reinaldo Elias Filho 5

- *Sebastião Rodrigues Moura 1 , Gisele da Costa Ramos , Luciano Almeida 2 Watanabe 3 , Anderson Acacio 4 , Manoel Reinaldo Elias Filho 5
- 1 Universidade Federal do Pará / Instituto de Educação Matemática e Científica / Programa de PósGraduação em Docência em Educação em Ciências e Matemáticas (UFPA / IEMCI / PPGDOC), sebastiao.fisica@gmail.com

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Universidade do Estado do Pará / Centro de Ciências Sociais e Educação / Programa de Pós-

Graduação em Docência Universitária (UEPA / CCSE), giamajesus@gmail.com

- 3 Secretaria Executiva de Educação do Estado do Pará (SEDUC-PA) / EEEFM. Professora Argentina Pereira, lucianowat@yahoo.com.br
- 4 Instituto Federal do Sudeste de Minas Gerais / Departamento de Educação e Ciências (IF Sudeste MG), anderson-fisica@homail.com

5 Universidade do Estado do Pará / Centro de Ciências Sociais e Educação / Departamento de Ciências Naturais (DCNA / CCSE / UEPA), reinaldoef@uepa.br

## Resumo

O presente trabalho enfoca uma abordagem didática acerca da existência dos átomos, desde as ideias gregas às partículas elementares, fazendo uso desse conhecimento com alunos da série final do Ensino Médio, visando identificar o que os mesmos já conhecem acerca da estrutura atômica e as possíveis partículas que constituem a matéria. O Ensino de Física de Partículas se justifica pelo fato de o tema possuir grande potencialidade para o processo de compreensão do desenvolvimento científico e tecnológico, bem como entender a formação do Universo, o mundo macro e microscópico da estrutura elementar da matéria. Como suporte metodológico para esta pesquisa, empregamos a Teoria da Formação de Conceitos de Vygotsky, em que se busca o entendimento da gênese e formação de conceitos da teoria atômica enquanto Ciência, utilizando um questionário como instrumento de investigação para a obtenção de dados. Os resultados evidenciam que os alunos possuem uma visão clássica sobre os átomos como apresentado nos livros e os consideram como uma unidade fundamental da matéria, apesar de poucos conhecerem as partículas elementares, tendo ciência apenas dos elétrons, quarks, fótons e glúons. Com isso, espera-se que novos trabalhos sejam produzidos nesta temática na perspectiva de facilitar o processo de ensino e a aprendizagem dos alunos de uma forma significativa.

Palavras-chave : Átomos; Partículas Elementares; Ensino Médio

## Introdução

Remontam aos gregos antigos os primeiros fundamentos acerca dos constituintes básicos da matéria - os átomos - que, por sua vez, racionalizaram o conhecimento e incorporaram à Ciência os modelos atômicos que perdurou por vários séculos (PINHEIRO, 2011, p. 5). Nesse sentido, o conhecimento acerca dos átomos e modelos atômicos, bem como da estrutura elementar da matéria, do Modelo Padrão e as interações fundamentais torna-se imprescindível para que os alunos do Ensino Médio se conscientizem sobre a evolução do universo, do mundo

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26 a 30 de janeiro de 2015

em escala microscópica e das recentes descobertas e avanços da Ciência Moderna e Contemporânea.

Uma grande potencialidade deste tema é a oportunidade que este oferece para a compreensão do processo de produção do conhecimento científico. Os vários episódios históricos envolvendo o avanço desta área de pesquisa mostram o quanto físicos teóricos e experimentais uniram esforços na busca de uma compreensão maior da natureza da matéria. Foram necessários grandes investimentos tecnológicos para que se chegasse ao modelo padrão atual. O caráter construtivo, inventivo e não definitivo do conhecimento também pode ser ilustrado, a partir de uma leitura histórica dessa fascinante área da Física. (OSTERMANN, 1999, p. 434)

Lozada e Araujo (2007, p. 2) complementam essa ideia defendendo o fato de que

A viagem pela estrutura da matéria revela a história do Universo, aguça as mentes sobre quem realmente somos, de onde viemos e para onde vamos. Esta aventura pelo mundo microscópico da estrutura da matéria não precisa ser privilégio apenas dos cientistas que detém o saber sábio, mas pode chegar ao conhecimento de todos, e a escola pode desencadear este processo de socialização do conhecimento sobre Física de Partículas Elementares.

Verificada essa necessidade, faz-se essencial trabalhar com o aluno o conceito de átomo, modelos atômicos e o modelo padrão das partículas elementares (MOREIRA, 2009, p. 1306). Para isso, optamos por uma sequência de informações de descobertas científicas para que os alunos compreendessem como foi estruturado esse conhecimento durante o desenvolvimento da Ciência desde as ideias inicias do conceito de matéria. Curiosos, os alunos mantêm-se ativos, pois essa visão histórica permeia diversas descobertas no estudo de teorias e leis que regem o universo, facilitando um espaço mais palpável na cognição dos mesmos para verificarmos os conhecimentos que já possuem acerca de tais conceitos.

## A FÍSICA DE PARTÍCULAS E O ENSINO MÉDIO

Com o intuito de despertar o interesse pela temática aos alunos, tratamos da ideia da não existência dos átomos para que os mesmos compreendessem que esse fato sofreu grande repercussão durante o século XIX, defendida principalmente pelo austríaco Ernst Mach e pelo alemão Wilhelm Ostwald, considerados energeticistas, pois grande parte da comunidade científica considerava apenas 'como uma hipótese fundamental para uma interpretação quantitativa de dados empíricos, mesmo existindo dúvidas e especulações sobre a realidade dos átomos que, em parte eram de ordem filosófica' (OKI, 2009, p. 1072).

Já os grandes defensores da existência dos átomos e moléculas foram os físicos Ludwig Boltzmann que estudou o movimento caótico dos átomos ou moléculas de gases (FIOLHAIS e CREMINER, 2005, p. 10) e, no século passado, após os trabalhos do físico Albert Einstein que descreveu matematicamente a existência de átomos, fazendo abordagem ao movimento browniano, que foi o grande triunfo da concepção atomista (FRANÇA e GOMES, 2005, p. 51) e, também, a elaboração do modelo padrão das partículas elementares.

Nesse enfoque, os PCNEM (Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio), em sua proposta do ensino de Física ressaltam que deve ser

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[...] voltado para a formação de um cidadão contemporâneo, atuante e solidário, com instrumentos para compreender, intervir e participar na realidade. Nesse sentido, mesmo os jovens que, após a conclusão do ensino médio, não venham a ter mais qualquer contato escolar com o conhecimento em Física, em outras instâncias profissionais ou universitárias, ainda terão adquirido a formação necessária para compreender e participar do mundo em que vivem (BRASIL, 1999, p. 59).

A LDB (Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional) destaca que no Ensino Médio o currículo deve integrar a educação tecnológica básica, a compreensão do significado da ciência, das letras e das artes, o processo histórico de transformação da sociedade e da cultura, bem como acesso ao conhecimento e ao exercício da cidadania.

Ao se tratar do ensino de Física de Partículas no Ensino Médio, temos uma grande contribuição para uma visão mais adequada da ciência

[...] colaborando para uma reinterpretação da Física Clássica e mostrando aos alunos e alunas, como a Ciência é dinâmica, como ela se desenvolve, a contribuição de diferentes cientistas para se chegar a um conceito e como a experimentação se torna crucial e difícil de ser realizada, sendo necessário o investimento financeiro e cooperativo de diversos países e cientistas. Desta maneira, a Física de Partículas torna-se um conteúdo adequado para explicar o processo científico de validação de teorias, bem como o funcionamento da Ciência atual na busca pela compreensão da natureza (SIQUEIRA, 2006, p. 15-16)

É fato indiscutível a atualização curricular no Ensino Médio no ensino de Física, mas há muitos trabalhos a serem desenvolvidos para que isto efetivamente ocorra. Um delineamento de estratégias pedagógicas para a inserção das Partículas Elementares no Ensino Médio é essencial, visando não só o ensino, mas a significativa aprendizagem dos alunos.

## PROCEDIMENTO METODOLÓGICO

A base para a investigação dos conceitos acerca dos átomos e sua existência foi respaldada neste trabalho pela Teoria da Formação de Conceitos estudada por Vygostsky, que afirma que a própria noção de conceito científico implica uma determinada posição em relação a outros conceitos, ou seja, um lugar dentro de um sistema de conceitos (VYGOSTKY, 1991, p. 80), cujo objetivo neste trabalho é analisar o percurso dos alunos na compreensão e desenvolvimento de conceitos sobre os átomos, teoria atômica e as partículas elementares. O teor metodológico utiliza-se de uma base qualitativa e os dados foram levantados em paralelo ao ser ministrado o conteúdo de Eletromagnetismo, por tratar a concepção das cargas elétricas e haver a necessidade de se analisar a estrutura elementar da matéria para o entendimento eletrostático, em uma amostragem de 35 alunos da série final do Ensino Médio, turno manhã, de uma escola pública, localizada no município de Irituia, região nordeste do Estado do Pará.

A aula foi ministrada utilizando-se um material apostilado e slides abordando desde a temática dos átomos ao modelo padrão das partículas elementares, buscando-se sondar o conhecimento já adquirido pelos alunos sobre a existência dos átomos e sua estrutura, durante toda a sua etapa de formação na Educação Básica. Numa aula posterior, utilizamos um questionário de pesquisa contendo três questões: a primeira continha um pequeno texto intitulado 'O Átomo Existe de Fato?', adaptado do site do CREF (Centro de Referência para o Ensino de

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Física) do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, em que o Prof. Fernando Lang discute a existência dos átomos; a segunda falava sobre como os alunos idealizavam a estrutura atômica; e a última, mencionava as partículas elementares da matéria e indagava os alunos sobre o conhecimento das mesmas.

## RESULTADOS E DISCUSSÕES

Por meio dos dados obtidos com os questionários, podemos observar que os alunos possuem de fato um conhecimento clássico acerca dos átomos, de suas estruturas (núcleo atômico e eletrosfera), porém poucos sabem ou ouviram falar das partículas elementares que constituem a matéria. A primeira questão permitia aos alunos, após a leitura do texto, assinalar uma alternativa sobre se acreditavam ou não na existência dos átomos. O gráfico a seguir representa os dados das repostas.

Figura 01: Respostas aos itens acerca da existência dos átomos

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Por meio das repostas aos itens sobre a existência ou não dos átomos, notase que a maioria dos alunos já possuem a formação de um conceito científico sobre a ideia atômica, mas há aqueles que não acreditam nessa, representando um quantitativo de 57,13% das respostas assinaladas, tendo o átomo como unidade fundamental da matéria. Tal conceito é estruturado pela concepção de aprendizagem nas aulas de ciências em que os professores tratam dos átomos, sua estrutura e o esquematizam enquanto modelo. Com isso, referentes as respostas dadas, 8,58% apoiam-se de que o átomo de fato não existe, pois sua existência é tida apenas como uma teoria, ou seja, a teoria atômica; outros 5,71% também não acreditam, pelo fato de não sabem se alguém já viu um átomo; 5,71% não acreditam em algo tão pequeno que provavelmente não conseguimos enxergá-los; por outro lado, 8,58% já acreditam, pois asseguram que alguns cientistas que já detectaram um átomo; também 8,58% disseram que sim, pois sempre estudaram em Ciências /

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Química que o átomo existe há muito tempo, conforme diz os professores em aula; notadamente, 57,13% também acreditam, por saberem que o átomo é considerado a unidade fundamental da matéria; e, 5,71% disseram que não saberiam viver em um mundo sem átomos, respectivamente, conforme a figura 01, das respostas aos itens - de (A) a (G).

Portanto, a maioria dos alunos já possuem um conceito científico formado sobre o átomo, vista ainda de uma forma clássica porém sabemos que, quando se trabalha com os conceitos no estudo da teoria atômica, surgem as multiplicidades na compreensão dos alunos para o desenvolvimento da aprendizagem, ao estabelecimento de novos modelos que podem surgir, ou hipóteses a serem levantadas, permitindo novas discussões na forma de entender o átomo em seu processo histórico. Para Vygotsky (1991), a formação de tais conceitos no desenvolvimento da aprendizagem é resultado de uma atividade complexa, em que todas as funções intelectuais básicas transformam o significado de conceitos preexistentes no cognitivo do aluno.

Utilizando esse raciocínio que pregava a questão inicial sobre a existência dos átomos apresentados na figura 01, aproveitamos para, na segunda questão, enfatizar o fato de a palavra átomo significar 'indivisível', sendo concebida como a menor porção da matéria e questionamos aos alunos sobre como o idealizavam. Conforme alguns esboços da estrutura atômica feitos pelos próprios alunos, como demostrado na figura 02, percebe-se que são similares aos resultados obtidos por Romanelli (1996, p. 29), em que os alunos evidenciaram uma regularidade de respostas quanto à dimensão e constituição do átomo. Apresentam um conceito estruturado sobre o modelo atômico, apesar de ser uma visão clássica, o que nos leva a admitir que isso decorre da formação durante sua aprendizagem no ensino de Ciências / Química.

Figura 02: Esboços de estruturas atômicas realizadas pelos alunos.

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A partir do estudo dos átomos, fez-se necessária uma análise mais detalhada sobre sua estrutura elementar no percurso de aprendizagem dos alunos. E, na última questão, um pequeno texto tratava das partículas elementares da matéria, a citar o elétron, o múon, o tau, os quarks, o top, o botton, as partículas de Gauge, glúon e fóton, citando suas características principais e enquanto constituintes fundamentais do átomo. Nessa perspectiva, o objetivo da questão foi de analisar os conhecimentos dos alunos sobre o assunto e que procurassem explicar o que eram tais partículas; a maioria dos alunos relatou que conhecia o elétron, por ser uma partícula negativa que circunda na eletrosfera ao redor do núcleo de um átomo, que os quarks são as partículas que formam os prótons e os nêutrons, os glúons que seriam uma espécie de 'cola' e unem os quarks e, por sua vez, conhecem os fótons como 'partículas de luz', como se fossem pacotes (quantum), pois o professor de Física já havia discutido em outras aulas o fenômeno do efeito fotoelétrico e a dualidade onda-partícula e tratados dessa temática, sucintamente.

Esse fato é comum como mostram os trabalhos de Siqueira (2006), Lozada e Araújo (2007) e Pinheiro (2011), pelo fato de os alunos não possuírem um conhecimento prévio sobre essas partículas, de esse conteúdo ser bastante restrito a alguns alunos e professores, por falta de contextualização, por haver obstáculos epistemológicos existente no nível médio de ensino e, apesar disso, estes autores e os PCNEM asseguram que a possibilidade de introdução de tais conceitos e modelos científicos no Ensino Médio de forma contextualizada, com abordagem diferenciada a esse público, pois para isso 'É preciso rediscutir qual Física ensinar para possibilitar uma melhor compreensão do mundo e uma formação para a cidadania mais adequada.' (BRASIL, 1999, p.23)

Daí surgiu a proposta do título do trabalho 'QUARKS, ELÉTRONS, FÓTONS E GLÚONS... BEM-VINDAS: AS PARTÍCULAS ELEMENTARES NO ENSINO MÉDIO', pelo fato de os alunos terem mencionado apenas os quarks, os elétrons, os fótons e os glúons como partículas elementares. Quanto às outras não mencionaram, possivelmente por desconhecerem-nas. No entanto, após essa atividade, o professor sentiu a necessidade de trabalhar as partículas elementares, haja vista que posteriormente serão aprimoradas novas ideias e novos trabalhos surgirão na perspectiva de aprendizagem dos alunos.

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

Diante do exposto, pode-se verificar que os alunos têm conhecimento acerca do modelo atômico e de sua teoria, no entanto ainda não são sabedores das demais partículas que constituem um átomo. Percebe-se também que alguns não acreditam na existência dos átomos e moléculas, talvez por não terem contato com maiores leituras de divulgação científica e se deterem basicamente nos conceitos e modelos apresentados em livros.

Os esboços da estrutura atômica permitem-nos identificar como os mesmos idealizam o átomo de uma forma bem clássica como apresentado em livros de Física e Química, contendo o núcleo atômico na parte central e a região da eletrosfera, no entanto outros alunos esboçaram como uma esfera, uma bola ou, simplesmente, como uma célula. Esses dados são de suma relevância, pois serão aprimorados e servirão como base para a elaboração de outros trabalhos, como fonte bibliográfica,

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e referencial para a inserção de Física de Partículas no Ensino Médio, dando ênfase às partículas elementares que constituem a matéria.

## REFERÊNCIAS

BRASIL. Lei 9.394, de 20/12/96: Estabelece as diretrizes e bases da educação nacional. Secretaria da Educação Média e Tecnológica. Ministério da Educação. Brasília, 1996.

\_\_\_\_\_\_\_. Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (Parte III Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias). Secretaria da Educação Média e Tecnológica. Ministério da Educação. Brasília, 1999.

FRANÇA, H. M.; GOMES, G. G. Einstein e a dança dos grãos de pólen. Revista USP , n. 66, p. 44-53, São Paulo, 2005.

FIOLHAIS, C.; ENTRADAS, M. A Construção do Conhecimento Científico: três casos de erros científicos em que a física se cruza com a biologia e a geologia. Revista da Associação Portuguesa dos Professores de Biologia e Geologia , 2005.

LOZADA, C. de O.; ARAÚJO, M. S. T. de. Física de Partículas Elementares no Ensino Médio: as perspectivas dos professores em relação ao ensino do modelo padrão. In: ENCONTRO NACIONAL DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS, 6., Florianópolis, 2007. Anais do VI Encontro Nacional de Pesquisa em Educação em Ciências . Florianópolis: ABRAPEC, 2007, p. 1-12.

MOREIRA, M. A. O Modelo Padrão da Física de Partículas. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 31, n. 1, pp. 1306-1317, 2009.

OKI, M. da C. M. Controvérsias sobre o atomismo no século XIX. Revista Química Nova , v. 32, n. 4, pp. 1072-1082, 2009.

OSTERMANN, F. Um texto para professores do Ensino Médio sobre Partículas Elementares. Revista Brasileira do Ensino de Física, v. 21, n. 3, 1999.

PINHEIRO, Lisiane Araújo. Do átomo grego ao Modelo Padrão : os indivisíveis de hoje. Porto Alegre: UFRGS, Instituto de Física, 2011.

ROMANELLI, L. I. O papel mediador do professor no processo de ensinoaprendiagem do conceito átomo. Revista Química Nova na Escola , n. 3, maio de 1996.

SIQUEIRA, M. R.da P. Do Visível ao Indivisível: uma proposta de Física de Partículas Elementares para o Ensino Médio. Dissertação (Mestrado), Instituto de Física e Faculdade de Educação, Universidade de São Paulo, 2006.

VYGOTSKY, L. S. Pensamento e linguagem. São Paulo: Martins Fontes, 1991.

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