Espectroscopia no Ensino de Astronomia: uma abordagem da Física Moderna e Contemporânea.

## ESPECTROSCOPIA NO ENSINO DE ASTRONOMIA: UMA ABORDAGEM DA FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA.

## Renato Silva de Almeida 1 , Carlos André de Castro Perez 2

1 Graduando em Licenciatura em Física/IFRJ, renatobqa@gmail.com 2 Doutor em Ciências /IFRJ, carlos.perez@ifrj.edu.br

## Resumo

Este artigo apresenta uma proposta de aula para o Ensino de Física Moderna e Contemporânea para o ensino médio. Pretendemos incluir uma experiência de Física Moderna para tornar a aula contextualizada com os desenvolvimentos tecnológicos e científicos da atualidade. O tópico abordado será a espectroscopia, pois é uma técnica importante para a compreensão dos modelos atômicos e é muito utilizada na Astronomia. O plano de aula será fazer a observação e interpretação dos espectros das fontes luminosas encontradas no cotidiano que produzem raias discretas. Selecionamos a luz fluorescente compacta (CFL), que contém Mercúrio em pressões baixas; a luz de Neônio, encontrada nos indicadores de painéis e também desenvolvemos um protótipo para emitir luz em uma descarga elétrica no vapor de água. O espectro do vapor em pressões baixas contém as linhas da série de Balmer do hidrogênio. Para observar esses espectros, utilizamos um espectrógrafo construído com papel cartão preto, um pedaço de DVD e um espelho pequeno. O desenho do espectrógrafo permite o registro com a câmera de um smartphone e, a partir das fotos dos espectros, o estudante pode determinar os comprimentos de onda das linhas espectrais, com auxílio do programa Tracker, de licença livre. A prática evidencia a espectroscopia como uma ferramenta importante para o estudo de Astronomia e para compreensão dos modelos atômicos. Pode-se também analisar os espectros de outras fontes luminosas, das chamas e da radiação solar.

Palavras-chave : Ensino; Astronomia; Espectroscopia; FMC.

## Introdução

Vivemos em uma sociedade que faz uso cotidiano de dispositivos de grande conteúdo tecnológico: smartphone, computadores, jogos, exames de imagem, entre outros. Entretanto, a estrutura dos cursos de ensino médio de física parece não ter acompanhado essas transformações. A falta de atualização no currículo de física provoca uma prática pedagógica descontextualizada e desvinculada da vida do aluno, o que resulta na não compreensão da real utilidade de querer aprender essa disciplina.

- O ensino contemporâneo de física parece reproduzir uma lógica que pretende formar usuários ou consumidores das tecnologias recentes. Os estudantes percebem um 'fascínio' que os dispositivos tecnológicos parecem produzir e, ao mesmo tempo, um distanciamento deles dos conteúdos trabalhados nas aulas tradicionais de física do ensino médio.
- O panorama do Ensino de Física nas escolas de nível médio do Brasil tem se baseado numa prática que torna o ensino 'monótono' e 'desinteressante', fato esse que acaba desmotivando alunos e professores (OLIVEIRA, VIANNA e GERBASSI, 2007). As aulas tradicionais são baseadas na aplicação mecanizada de

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

equações memorizadas e o contato com a ciência geradora das tecnologias contemporâneas quando há, é feito através de relatos, fotos ou figuras dos experimentos na maioria dos livros de ensino médio de física. A mesma lógica que socializa o uso e consumo, por vezes impede a experimentação crítica por esse mesmo aluno, tornando-o mais propenso a aceitar as tecnologias como algo 'misterioso', uma espécie de 'caixa preta'.

É de nosso entendimento que uma aula de física tradicional não oferece tantas oportunidades para que um aluno sinta-se motivado a compreender e dialogar com essas tecnologias. Esta lógica de concentração de saberes e socialização do consumo se opõe ao desenvolvimento do aluno pois dificulta o movimento dele no sentido de se reconhecer como sujeito. A mesma lógica exclui também o caráter histórico, cultural e social que a Física desempenha na contemporaneidade.

Um caminho possível para mudar essa situação é através da introdução de experimentos de Física Moderna e Contemporânea nas aulas de ensino médio. Com auxilio desses experimentos, os alunos poderão compreender fenômenos que estão presentes no seu dia a dia. A FMC é considerada uma disciplina complexa e por esse fator aparatos experimentais que contemplem tópicos dessa disciplina no ensino médio.

Muitas instituições de ensino superior não disponibilizam experimentos de Física Moderna, pelo preço elevado dos dispositivos e a falta de treinamento dos docentes de física, pois as transformações científicas são rápidas relativamente até ao tempo de geração dos docentes. Ostermann e Ricci (2005 apud Ricardo e Rocha, 2016, p. 225) falam da necessidade de um maior aprofundamento teórico dos professores para que os assuntos de FMC possam ser trabalhados em suas aulas. Os autores evidenciam a carência dessa temática nos cursos de graduação, fato esse que os professores acabam deixando de trabalhar tópicos referentes a essa disciplina por falta de conhecimento.

Esse fator contribui para uma prática desconexa da realidade, de modo que o ensino tem que passar por uma reformulação, para se tornar um ensino que contemple e desenvolva tópicos relacionados à FMC, não com o intuito de apenas inserir no currículo do ensino médio e sim como uma física que surgiu para explicar fenômenos em que a física clássica com seus modelos não conseguiu explicar e que estão presentes no cotidiano dos alunos.

Este trabalho tem a proposta de inserir uma atividade experimental nas aulas de ensino de física, com o intuito de contribuir e ser um caminho para a inserção de tópicos referentes ao ensino de FMC. A observação e interpretação dos espectros de emissão discretos de elementos, o estudo da espectroscopia é um dos conteúdos que vai ser o ponto de partida para abordar os modelos atômicos propostos por Thomson, Rutherford e Bohr, além disso, aplicar esses conceitos no estudo de tópicos relacionados a Astronomia.

## Atividade experimental

A atividade experimental é baseada na investigação da luz emitida por fontes que operam por descargas elétricas em gases a pressões baixas. Estes dispositivos produzem luz contendo as linhas espectrais dos elementos presentes no gás, portanto produzem um espectro discreto de comprimentos de ondas que estão correlacionados com níveis de energia discretos.

Essa atividade tem como proposta uma aula utilizando as três fontes de luz que produzem espectros diferentes, mas tem linhas e são discretos. As fontes a

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

serem trabalhadas na aula são: a luz fluorescente compacta (CFL) que contém mercúrio em baixas pressões e tem espectro com linhas características do mercúrio, outra fonte é a luz Neônio, que conseguimos com facilidade em qualquer indicador de painel ou chave de teste de tensão, de modo que pode ser alimentada diretamente pela rede elétrica, sem a necessidade de uma fonte de alta tensão.

Na figura 1 podemos ver um tubo de vidro com dois eletrodos feitos com clipes de metal ligados a uma fonte de alta tensão, semelhante à um reator de tubo neônio e a duas mangueiras de silicone, uma dessas mangueiras é ligada a um tubo de ensaio contendo água e, a outra foi conectada à uma bomba de vácuo. Esse dispositivo é outra fonte de luz que produz luz contendo as linhas características de Balmer do espectro do Hidrogênio.

A luz emitida pelas descargas nos gases é então analisada por um espectroscópio que é construído com um DVD. Segundo instruções de Wakabayashi (2008) o dispositivo (espectrógrafo), figura 2, é portátil e pode ser feito por qualquer aluno com cartão preto, 1 pedaço de DVD cortado em 8 partes, cada DVD faz oito espectrógrafos e um espelho pequeno, o plano de corte está disponível no artigo supracitado.

O espectro é registrado com uma câmara de smartphone, um dispositivo que quase todos os alunos possuem. Os estudantes frequentemente usam esse dispositivo para distração em sala de aula, porém nesta prática, o celular é utilizado para auxiliar a compreensão dos conteúdos da física, e uma ferramenta para o ensino/aprendizagem.

Figura 01 -Tubo de descarga de gás contendo vapor de água.

<!-- image -->

Figura 02 - Espectrógrafo acoplado no smartphone.

<!-- image -->

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

A observação e explicação das linhas discretas do espectro de emissão dos gases é um dos marcos da física quântica, o que permitiu formular hipóteses acerca da estrutura atômica e que também permitiu a compreensão do fenômeno de emissão e absorção de quanta de luz /energia pelos átomos, figura 3. O conceito de quanta foi proposto por Einstein em 1905, baseado na ideia de que a luz existe em pacotes de energia discretos, fótons, o reconhecimento de que os quanta de luz de Einstein poderiam trazer implicações para a estrutura do átomo, fez com que Bohr, no ano de 1913, propusesse um modelo radical de átomo, no qual adicionava a ideia de quantização ao modelo proposto por Rutherford.

Figura 03 -Emissão e absorção de fótons.

<!-- image -->

## Discussões da atividade experimental

A espectroscopia é uma técnica usada por químicos, físicos e astrônomos para observação dos espectros de emissão e absorção da luz, para identificação de elementos químicos para a obtenção dos espectros das estrelas. A maior parte das informações que temos das estrelas e galáxias distantes vêm dos seus espectros. Em suma, um espectro é a luz de uma fonte decomposta em comprimentos de onda.

Neste experimento são usadas três fontes luminosas que são produzidas por descargas nos gases Mercúrio, Neônio e vapor de água. A obtenção dos espectros de raias das respectivas fontes luminosas foi através do espectrógrafo feito com um DVD como elemento dispersivo tipo rede de difração. Além disso, com os dados obtidos pela análise dos espectros das fontes luminosas pelo software livre Tracker, foi possível calibrar a escala das fotos obtidas com o espectrógrafo para poder determinar os comprimentos de onda e obter uma representação gráfica dos espectros.

A figura 4 mostra o espectro de uma luz fluorescente compacta (CFL). É possível distinguir várias raias, algumas delas pertencem ao espectro de emissão do Mercúrio: em 404,7 nm (violeta), 435,8 nm (azul) e 546,1nm (verde) (KRAMIDA et al., 2018). Essas linhas servem como referência para calibrar a escala do

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

espectrógrafo, permitindo também construir o gráfico de luminosidade em função do comprimento de onda para qualquer fonte de luz analisada.

Figura 04 Espectro de emissão de uma lâmpada de mercúrio .

<!-- image -->

O espectro de emissão de uma lâmpada de Neônio está mostrado na figura 5. A maioria das linhas espectrais discretas estão concentradas no intervalo entre 580-680 nm (amarelo-vermelho), com exceção da linha em 540 nm (verde). Por comparação com o banco de dados NIST (Kramida, 2018).

Figura 05 Espectro de emissão Neônio.

<!-- image -->

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

A figura 6 mostra o espectro de emissão do vapor de água em pressões baixas, depois de calibrado pelo Tracker H (410 nm), H (434 nm), H (486 nm), e H     (656 nm). Essas linhas correspondem à serie de Balmer do espectro visível do hidrogênio. Em Braga e Filgueiras (2007), a equação de Balmer pode ser formulada da seguinte forma: 1/λ=R(1/2 2 -1/n), em que λ é o comprimento de onda, R é uma constante, chamada de constante de Rydberg, que provou ser igual a 109677 cm -1 . A linha em 589 nm é provavelmente produzida por algum resíduo de sódio na água ou no vidro do tubo usado para construção da ampola.

Figura 06 Espectro de emissão vapor de água.

<!-- image -->

## Considerações finais

A proposta do trabalho visa a inclusão de um experimento de espectroscopia em uma aula de física do ensino médio. Entretanto, essa aula permite que o aluno trabalhe e construa conceitos de Física Moderna e Contemporânea que podem ser abordados no Ensino de Astronomia, como o estudo das estrelas, que podem ser classificadas pelo tipo de espectro e por sua temperatura.

O tema abordado é uma forma de levar esse conhecimento para uma aula de ensino médio, através da observação de fontes de luz com um espectrógrafo que pode ser construído pelos alunos. Além disso, pode-se utilizar recursos que estão presentes no dia a dia do aluno, como por exemplo, o smarthphone. Com o estudo das fontes luminosas, os alunos podem compreender o conceito de quantização da luz e a emissão/absorção de energia pelos átomos.

O autor espera que este trabalho desperte o interesse dos alunos para as disciplinas de Física e Astronomia, já que trata-se de um tema atual e contextualizado com a vida em uma sociedade que usa essas tecnologias.

## Referências

BRAGA, P. J.; FILGUEIRAS, L. A. C. O centenário de Bohr. Química nova , v.36, n.7, 2013.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

COMINS, N. F.; KAUFMANN III, W. J. Descobrindo o Universo . 8 ed. Porto Alegre: Bookman, 2011.

KRAMIDA, A., R , Yu., Reader, J. and NIST ASD Team (2018). NIST Atomic Spectra Database (versão 5.5.6), [Online]. Disponível online em :https://physics.nist.gov/asd [aceso em 16 de julho de 2018. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD (2018).

OLIVEIRA, F. F. E; VIANNA, D. M.; GERBASSI, R. S. Física moderna no ensino médio: o que dizem os professores. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 29, n. 3, p. 447-454, 2007.

ROCHA, D. M.; RICARDO, E. C. As crenças de autoeficácia e o ensino de Física Moderna e Contemporânea. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 33, n. 1, p. 223, 25 abr. 2016.

TRACKER VIDEO ANALYSIS AND MODELING TOOL. Disponível em: &lt;https://physlets.org/tracker/&gt; Acesso em: 22 de julho de 2018

WAKABAYASHI, F . Resolving Spectral Lines with a Periscope-Type DVD Spectroscope. Journal of Chemical Education, v.85, n.6, June 2008.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_