Trabalhando com fontes históricas primárias no Ensino Médio: o caso do elétron segundo JJ Thomson, GP Thomson e A Tonomura

## TRABALHANDO COM FONTES HISTÓRICAS PRIMÁRIAS NO ENSINO MÉDIO: O CASO DO ELÉTRON SEGUNDO JJ THOMSON, GP THOMSON E A TONOMURA

## Elcio de Souza Lopes 1 Lucia Helena Sasseron 2

1 IFUSP/elcioslopes@gmail.com

2 FEUSP/ EDM/ sasseron@usp.br

## Resumo

A Física Moderna e Contemporânea é necessária e importante para o mundo atual e já foi debatida em vários trabalhos, dos quais destacamos os de BROCKINGTON (2005), SIQUEIRA (2006), OSTERMANN & PEREIRA (2009) e BARRELO (2010). Mas a falta de boa formação dos professores de Física em Física Moderna e de ferramentas para os que já se formaram, conforme descritas por TERRAZAN (1992) ainda estão presentes no sistema de ensino. Por exemplo, a rede estadual paulista não avaliou, e nem avaliará, as Ciências da Natureza e suas Tecnologias nas edições de 2015 e de 2016 do SARESP, área que engloba a Física Moderna e Contemporânea. (http://www.educacao.sp.gov.br/saresp, acesso em 5/9/2016). Nestas edições somente serão avaliadas as áreas das Linguagens, Códigos e suas Tecnologias e Matemática e suas Tecnologias. Dessa forma se faz necessária lutar para se desenvolver materiais diferentes para se trabalhar a Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio. Neste artigo trazemos parte dos resultados de nossos trabalhos no desenvolvimento de Sequências de Ensino Investigativo (SEI) e da promoção da Alfabetização Científica (AC), desenvolvidos para aplicação no Ensino Médio, relacionados com a Física Moderna, especialmente quanto à história do elétron e das interpretações sobre suas características. Traduzimos os artigos de JJ Thomson (THOMSON, 1897), de GP Thomson (THOMSON, 1923) e de A Tonomura et al.(TONOMURA et al., 1989) sobre as interpretações do comportamento do elétron em diferentes situações. A metodologia de trabalho que utilizamos na interpretação dos textos foi a de traduzir e relacionar os artigos científicos com os indicadores de AC de SASSERON (2008). Os indicadores de AC (seriação de informações, da organização de informações, da classificação de informações, do levantamento de hipóteses, do teste de hipóteses, das justificativas, das previsões e das explicações) estão relacionados com uma das formas na qual a ciência é construída e divulgada em artigos científicos e de divulgação. Feito isso, construímos entrevistas ficcionais em torno dos trechos originais selecionados de acordo com os indicadores de AC que foram utilizadas no desenvolvimento de SEI's que almejam o desenvolvimento da AC. Trazemos aqui partes dos resultados desses trabalhos de tradução e adaptação para uso em Sequências de Ensino Investigativo.

Palavras-chave: alfabetização científica, fontes históricas primárias, física moderna e contemporânea.

## Introdução

Em seu livro 'Dos Raios X aos Quarks' Emilio Segrè relata uma pequena curiosidade na história da pesquisa sobre elétrons: que o cientista JJ Thomson recebeu o Prêmio Nobel por ter mostrado que o elétron era uma partícula, e anos depois, seu filho, GP Thomson, foi laureado pela academia sueca, recebendo o mesmo prêmio por mostrar que o elétron é uma onda (SEGRÈ, 1987). Esta

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23 a 27 de janeiro de 2017

curiosidade ajuda a compreendermos como foi difícil para os cientistas, da época do início do desenvolvimento da Física Moderna, compreenderem o comportamento da matéria, se a matéria tinha caráter corpuscular ou ondulatório.

Então, se há a possibilidade de duas descrições diferentes para um mesmo objeto, há uma oportunidade de trabalhar essas diferenças com textos históricos em sala de aula. E não somente isso. Trabalhar com fontes históricas primárias pode promover um interesse maior pelos estudantes, uma vez que poderão verificar as informações fornecidas pelo sistema educacional regular em relação ao que foi estudado originalmente. Fomentar essa discussão em sala de aula com ajuda do modelo de argumentação de TOULMIN (2006) pode-se propiciar ciclos argumentativos (LOPES, 2013), e esses ciclos tem como base de argumentação os textos históricos.

O presente trabalho traz parcialmente os resultados de nossa pesquisa, que visa associar o uso de fontes primárias e foram utilizados os artigos de J.J. Thomson (THOMSON, 1897), G.P. Thomson (THOMSON, 1923) e de A Tonomura (TONOMURA et al., 1989) em sala de aula com os indicadores de AC (SASSERON, 2008). Decorrente dessa associação foi desenvolvido material na forma de textos, mais especificamente entrevistas, que trazem então a temática da Física Moderna e Contemporânea para a sala de aula (LOPES, 2013).

## Metodologia utilizada

Este artigo traz partes dos resultados do nosso trabalho feito com textos históricos construídos para serem utilizados em sala de aula. Os textos históricos originais foram traduzidos e, depois da tradução, buscou-se analisá-los sob os aspectos dos indicadores de AC (SASSERON, 2008).

Quando se almeja o desenvolvimento da AC dos estudantes, busca-se nos eventos estudados em aula (experimentos, demonstrações experimentais e textos históricos, entre outros) a seriação de informações , a organização de informações , a classificação de informações , o levantamento de hipóteses , o teste de hipóteses , a previsão , a explicação , a previsão e a explicação .

Os indicadores foram elencados dessa forma que ora apresentamos, pois estão relacionados tanto com o trabalho científico quanto com a comunicação científica, e encontrada dessa forma nos artigos originais. Então, com base nestes

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pressupostos, montamos novos textos como se fossem entrevistas entre os autores desses artigos e uma personagem ficcional que atua como entrevistadora. Estas entrevistas foram montadas respeitando a sequência original da fonte primária, deixando os trechos originais em destaque, com fonte tipo arial, tamanho 12 e em itálico. Respeitou-se também a estrutura e a ordem em que apresentamos os indicadores de AC, e dessa forma os textos que foram desenvolvidos apresentam uma entrevistadora fazendo questionamentos segundo os indicadores de AC e os entrevistados respondendo esses questionamentos segundo a sequência dos artigos originais. Também tentamos limitar o tamanho das entrevistas, de forma que ficassem razoáveis para uso em aula, sem ser uma leitura enfadonha.

## Os indicadores de AC

Os indicadores de AC foram pensados como guias para o estudo, em sala de aula, do processo e do trabalho científico e estão relacionados com o processo de trabalho científico e de sua divulgação (SASSERON, 2008). E no nosso trabalho esses indicadores foram utilizados para tanto analisar os textos originais quanto para estruturar as entrevistas. Vejamos mais detalhadamente cada um deles.

Seriação de informações: indica a ação de tratamento de dados e de informações preliminares. Para se iniciar uma investigação científica é necessário listar os dados e as informações que se sabe.

Organização de informações: está relacionada com a estruturação dos dados e das informações novas, obtidas durante seriação de informações, no trabalho com as informações existentes ou com novas informações.

Classificação de informações: está relacionada com a busca de relações entre os dados obtidos.

Levantamento de hipóteses: indica o momento em que os estudantes são estimulados a elencar suposições acerca do tema proposto.

Teste de hipóteses: ocorre quando o estudante quer provar suas ideias em atividade experimental ou em debate com os colegas de sala.

Previsão: está relacionada com as expectativas que os estudantes têm acerca de possíveis observações ou em discussões teóricas ou em atividades experimentais.

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Explicação: está relacionada com a busca da relação entre as informações obtidas, e é normalmente relacionada com a justificativa e a previsão, não prescinde deles para ser favorecida em uma sequência de ensino, por exemplo.

Estes indicadores foram utilizados como referência na leitura dos textos históricos, auxiliando inclusive a montagem das entrevistas. É importante reforçar que não houve mudança na ordem dos excertos dos textos com relação ao texto original.

## As entrevistas

Conforme já descrevemos brevemente antes, foram construídas em torno dos textos originais três entrevistas com cientistas que trabalharam com o elétron e que mostraram diferentes posições. O primeiro foi J.J. Thomson, cujo trabalho com elétrons pôde indicá-los como sendo objetos que se comportavam como partículas, tendo possibilidade de determinar com precisão posição e trajetória (THOMSON, 1897). O segundo foi G.P. Thomson, filho de J.J. Thomson, que teve notoriedade ao trabalhar com o elétron e mostrar que eram objetos que tinham comportamento ondulatório, pois apresentavam em certas experiências padrões de difração, com possibilidade de se encontrar o comprimento de onda do elétron (THOMSON, 1923). O terceiro foi A. Tonomura (TONOMURA et al., 1989), que junto de uma grande equipe pôde demonstrar em uma experiência, que os elétrons eram objetos que tinham comportamento corpuscular e ondulatório, pois em sua experiência foi possível observar a formação ponto a ponto (evidenciando o caráter corpuscular) de um padrão de difração (evidenciando o caráter ondulatório) com elétrons em um microscópio eletrônico.

As entrevistas foram montadas com o intuito de, à luz dos indicadores de AC, evidenciar o trabalho desses cientistas e de suas equipes. Foi criada uma personagem fictícia que entrevistou cada um dos três cientistas, como se uma editoria de um jornal brasileiro quisesse trazer ao público, aos seus leitores, as novidades do progresso científico no tocante ao desenvolvimento da Física Quântica, em especial sobre os estudos do elétron. As falas dos cientistas foram retiradas dos artigos originais, e nos exemplos a seguir estão grifadas. As iniciais RL significam o nome da entrevistadora, Renilde Lopes.

Vejamos alguns trechos da entrevista focada em J.J. Thomson:

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RL: Qual a vantagem da teoria da partícula eletrificada?

- JJ: A teoria da partícula eletrificada tem uma grande vantagem para finalidades da pesquisa sobre a teoria do éter, posto que é definitiva e suas consequências podem ser previstas. Com a teoria do éter é impossível prever o que acontecerá sob todas as circunstâncias dadas, o que não ocorre com a nossa teoria. (LOPES, 2013)

Esta primeira resposta de J.J. Thomson está relacionada com o indicador seriação de informações. E em outro ponto da entrevista, mais a frente da questão acima:

RL: Certo. Assim, feita em partes, primeiramente o senhor mostrou que os Raios Catódicos são carregados eletricamente...

JJ: Isso. Se estes raios são partículas negativamente eletrificadas, quando entram em um recipiente devem carregar nele uma carga da eletricidade negativa. Isto foi provado ser o caso e já tinha sido testado por Perrin. Esta experiência mostra que algo carregado com a eletricidade negativa é disparado para fora do cátodo, viajando perpendicularmente a ele, e que este algo é defletido por um ímã. Está aberta, entretanto, à objeção que não mostra que a causa da eletrificação no eletroscópio tem qualquer coisa relacionado com os raios catódicos. Outros cientistas não negam que as partículas eletrificadas sejam disparadas do cátodo; negam, entretanto, que estas partículas carregadas tenham a ver com os raios catódicos tanto quanto uma bala de um rifle tem com o 'flash' quando um rifle é disparado. (LOPES, 2013)

Aqui podemos evidenciar os indicadores de organização de informações , de classificação de informações e até um pouco de levantamento de hipóteses , uma vez que J.J. afirma 'que algo carregado com a eletricidade negativa é disparado para fora do cátodo'. Em LOPES (2013) podemos verificar os demais indicadores de AC na entrevista de J.J. Thomson. Porém queremos também trazer aqui alguns trechos das entrevistas feitas com os demais cientistas.

Vejamos agora alguns trechos da entrevista de G.P. Thomson:

- RL: Quais seriam as consequências das ideias propostas por de Broglie?
- GP: As consequências desta teoria foram trabalhadas por de Broglie, Schrödinger e outros cientistas e aplicada em problemas de espectroscopia onde eles alcançaram soluções para muitas dificuldades com o abandono das teorias anteriores das órbitas. Também essa teoria mostrou-se muito

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boa para predizer eventos, melhor do que meramente explicar, como ocorria com as teorias anteriores. (LOPES, 2013)

Neste trecho G.P. Thomson descreve parte de seu embasamento teórico, ou seja, aqui podemos encontrar um levantamento de hipóteses , feito pelo cientista.

Já o indicador de teste de hipóteses é possível ser encontrado no seguinte trecho:

RL: Quais efeitos você encontrou então nas análises das fotos desses filmes?

GP: Pode ser visto que, em todos os casos, o efeito geral é o de uma série de anéis concêntricos ao redor de um local feito por feixe de elétrons não defletidos. Em alguns casos, estes anéis são uniformes em forma de circunferência, em outros, a intensidade é mais ou menos concentrada em uma série de manchas nessa circunferência. Isso demonstra que não pode haver nenhuma dúvida que o padrão de tudo é devido a raios catódicos que têm sido desviados pelo filme. (LOPES, 2013)

Neste trecho GP já está demonstrando que obteve figuras de difração, com anéis concêntricos, validando suas hipóteses.

E os indicadores de previsão e explicação podem ser verificados também na entrevista com Tonomura. Nos trechos a seguir almejou-se evidenciar os aspectos de previsão e de explicação, uma vez que no texto original, que é o trecho em destaque para Akira Tonomura, aparece evidências de que experimentos semelhantes já tinham sido feitos em outros países e se esperava resultados parecidos. E para evidência de explicação, sinteticamente, Tonomura explica a experiência e como ela evidencia a previsão da mecânica quântica:

RL: Mesmo assim outros cientistas já conseguiram feitos semelhantes...

AT: Isso mesmo. Já foi feito com nêutrons antes. E no caso de elétrons, dois grupos, um da Universidade de Tübingen e outro da Universidade de Bolonha, demonstraram, na forma de um filme e usando uma câmera de TV muitíssimo sensível, a observabilidade do padrão de interferência do elétron surge quando a frequência dos elétrons incidentes aumenta. Mas no nosso caso, a nossa intenção era somente tratar desse problema, da difração de elétrons pura e simplesmente.

RL: E foi possível fechar o assunto então?

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AT: Certamente. Nós realizamos um experimento de fenda dupla, montado como um experimento de pensamento puro que não tinha pretensão de ser executado com precisão, com uma combinação de técnicas de contagem e ampliação de imagens. O resultado foi uma construção paulatina de padrão de interferência exatamente como o predito pela mecânica quântica. (LOPES, 2013)

## Comentários finais

A nossa intenção neste trabalho foi mostrar que o uso de artigos científicos como textos históricos pode favorecer a Alfabetização Científica em sala de aula. Primeiramente porque os artigos científicos utilizados estão relacionados com indicadores de AC apontados em SASSERON (2008) e que estes mesmos indicadores, quando utilizados em Sequências de Ensino Investigativos em sala de aula, demonstram que é possível favorecer o desenvolvimento da alfabetização científica. Também intentamos mostrar que textos históricos podem e devem ser utilizados na elaboração de Sequências de Ensino Investigativo, pois este tipo de texto favorece o tanto o desenvolvimento dos Pontos Fundamentais, quanto o desenvolvimento dos Aspectos Importantes da elaboração de uma SEI. Entretanto, sabemos que somente o uso de textos históricos não permite a elaboração de uma SEI completa, mas esse uso é uma condição necessária para que ela seja desenvolvida.

Sugerimos como uma possível sequência das atividades propostas, que professores e alunos, à luz dos experimentos e da leitura crítica das entrevistas, discutam as relações entre ciência, tecnologia e a sociedade. Essas relações podem surgir nos debates entre os alunos como parte da base argumentativa dos estudantes que queiram compreender as diferenças entre os níveis científicos, tecnológicos e sociais entre os países de origem dos cientistas entrevistados e o nosso país, e suas consequências nas economias desses países.

## Referências

BARRELO JÚNIOR, N. Argumentação no discurso oral e escrito de alunos do ensino médio em uma sequência didática de Física Moderna . Dissertação de Mestrado - Faculdade de Educação - Universidade de são Paulo, São Paulo, 2010.

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BROCKINGTON, J. G. A realidade escondida: a dualidade onda-partícula para estudantes do Ensino Médio . Dissertação de Mestrado - Instituto de Física e Faculdade de Educação - Universidade de São Paulo - São Paulo, 2005.

LOPES, E. S. 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 . Dissertação de Mestrado. (IFUSP). São Paulo, 2013.

SÃO PAULO (Estado) Secretaria de Educação, Matrizes de referência para a avaliação Saresp: documento básico .- coordenação geral: Maria Inês Fini. - São Paulo: SEE, 2009.

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

SEGRÈ, E. Dos Raios X aos Quarks . Trad. de Wamberto H. Ferreira. Brasília: Editora Universidade de Brasília, 1987.

OSTERMANN, F.; PEREIRA, A. P. Sobre o Ensino de Física Moderna e Contemporânea: uma revisão da produção acadêmica recente. Investigações em Ensino de Ciências - V14 (3), pp. 393-420, 2009.

TERRAZAN, E. A. A inserção da Física Moderna e contemporânea no Ensino de Física na escola de 2º grau. Caderno Catarinense de Ensino de Física . V.9, n.3: p. 209-214, dezembro de 1992.

THOMSON, G.P. Experiments on the Diffraction of Cathode Rays, Physical Review , V. 22, p. 243, 1923.

THOMSON, J.J. Cathode Rays, Philosophical Magazine , V. 44, Series 5, p. 293, 1897.

TONOMURA, A., ENDO, J. MATSUDA, T. KAWAZAKI, T., EZAWA, H. Demonstration of single-electron buildup of na interference pattern . American Journal of Physics , 57 (2), February, 1989.

TOULMIN, S. E. Os usos do argumento . Trad. Reinaldo Guarany - 2ª ed. - São Paulo: Martins Fontes, 2006.

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