O FENÔMENO DA LUMINESCÊNCIA: UMA ABORDAGEM DIDÁTICA E PRÁTICA

## A LUMINESCÊNCIA EXPLICADA: UMA ABORDAGEM PRÁTICA E DIDÁTICA

João Alberto M. Longo 1 , Henrique G. Arantes , Marcus S. Carrião 2 3

Pátio da Ciência, Instituto de Física, Universidade Federal de Goiás

1 ongo2@discente.ufg.b r l

2 henrique.gomes@discente.ufg.br

3 mscarriao@ufg.br

## Resumo

O novo ensino médio ( Lei nº 13.415/2017 ), orientou a criação de uma Base Nacional Comum Curricular. Porém, de forma interdisciplinar, a física moderna é reduzida em 3 ompetências e algumas habilidades, causando assim defasagem da mesma na educação c básica. Ademais, o ensino de física como um todo sofre com a escassez de recursos aboratoriais (tanto o ensino superior quanto o ensino básico), consequentemente a didática l aplicada em sala de aula se torna bastante abstrata, com a ausência da experimentação dos onteúdos didaticamente lecionados. Paralelamente a este cenário, espaços de educação c não formal como museus/centros de ciências empenham-se a suprir esta lacuna no ensino . Assim, na Universidade Federal de Goiás (UFG), o Pátio da Ciência é um Centro de Ciências, com foco na propagação de conhecimento científico em caráter não-formal para estudantes de todos os níveis de ensino, por meio de experimentações e demonstrações. Neste trabalho, vamos nos aprofundar no teste de chama, que consiste na queima de ubstâncias para demonstração da transição eletrônica do elétron e a liberação do fóton de s uz, fenômeno conhecido genericamente como luminescência. Portanto, tomaremos como l oco de estudo o ensino da física moderna, essencialmente o fenômeno da Luminescência, f onstruindo assim uma proposta didática baseada na metodologia sequencial que possa ser c ealizada em sala de aula. r

Palavras-chave Luminescência, Teste de chama, Experimentação. :

## ntrodução I

O novo ensino médio (Lei nº 13.415/2017), orientou a criação de uma Base Nacional Comum Curricular (BNCC), sendo a normativa que rege de maneira uniforme o sistema educacional brasileiro, buscando garantir o ensino de qualidade a todos os discentes. Logo, a amplificação da discussão sobre o ensino como um objeto de estudo é evidente, uma vez que a BNCC 'equipara' o conteúdo previsto em todas as nstituições. Porém, de forma interdisciplinar, a física moderna é i eduzida a 3 r ompetências e algumas habilidades. Entretanto, considerando a c omplexidade dos fenômenos associados à Física Moderna e seu impacto nas c ecnologias e cotidiano atuais, essa redução acaba causando uma defasagem na t ormação básica dos estudantes Um exemplo disso é o estudo acerca do fenômeno f . da transição eletrônica, que de forma sistêmica, quando lecionado, somente é abordado no ensino de química. Ademais, o ensino de física como um todo sofre om a escassez de recursos laboratoriais (tanto o ensino superior quanto o ensino c básico), consequentemente, a didática aplicada em sala de aula se torna bastante abstrata, om c a ausência da experimentação dos onteúdos c didaticamente ecionados. Paralelamente a este cenário, espaços de educação não formal como l museus/centros de ciências empenham-se a suprir esta lacuna no ensino, tendo esultado positivos, ( r PORTO, ZIMMERMANN, HARTMANN, 2010 ; ( ) OVIGLI, 2011 . ) Assim,O Pátio da Ciência ( www.patiodaciencia.ufg.br ) é um centro de ciências,

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

inculado ao Instituto de Física da Universidade Federal de Goiás (IF - UFG), com v oco na popularização e divulgação científica para estudantes de todos os níveis de f ensino. Dividido em 5 estandes, o Pátio é voltado a experimentações, a fim de difundir a divulgação científica através de visitas programadas com monitores de orma descontraída em diversas áreas do ensino. Como por exemplo: mecânica, f eletromagnetismo, óptica, termodinâmica, química, astronomia, entre outros. Neste rabalho, no contexto da Física Moderna, vamos nos aprofundar no teste de chama. t O experimento de teste de chama é um experimento simples, que consiste na queima de substâncias em chama para demonstração da transição eletrônica e a iberação do fóton de luz, este fenômeno recebe o nome de luminescência. Portanto, l neste trabalho, tomaremos como foco de estudo o ensino da física Moderna, essencialmente o fenômeno da transição eletrônica (Luminescência), construindo assim uma proposta didática que possa ser realizada em sala de aula.

## Referencial teórico

## As vantagens da experimentação no processo de ensino-aprendizagem

O método ientífico, c êm v endo s desenvolvido desde a antiguidade. Aristóteles, por meio da riação c do método ndutivo i riou c os preceitos que uturamente dariam a estrutura para o metodologia científica ( f MASSONI, SILVA, 2018 . ) Posteriormente, Francis Bacon e Galileu Galilei durante a revolução científica séc.XVI - séc XVIII) defenderam a experimentação como processo natural durante a ( edificação de suas respectivas pesquisas, ( GALVÃO, 2007 , ( ) TOLMASQUIM, 2014 . )

Assim sendo, a metodologia de experimentação prática, como evidenciado, é intrínseco à formação do conhecimento, visto que essa irá possibilitar o aluno a analisar experimentos físicos e retirar informações sobre os fenômenos observados, de forma clara e sucinta ( LAMBRECHT, E. 2018 . ) Portanto, o professor dessa forma pode utilizar de diversas técnicas de experimentação, a fim de contribuir para a aprendizagem ativa.

## Museus e escolas

Os ambientes nformais i de ensino, omo os c museus, são excelentes erramentas didáticas para a f educação científica, incluindo o campo da física. Diferentemente dos ambientes formais de ensino, normalmente os museus oferecem um espaço interativo e prático que pode proporcionar uma transformação no jeito em que os alunos se relacionam e compreendem conceitos científicos. Os museus ao nserir o experimento prático, em sua exibição, facilitam a aprendizagem, ilustrando i onceitos abstratos, tornando-os mais tangíveis aos alunos. As escolas por sua vez c onstroem uma base teórica sólida para os alunos compreenderem os experimentos c Desta orma, f engajando os estudantes e ealizando r a ontextualização c dos onceitos c eóricos t aprendidos em ambientes ormais f de ensino ( PORTO, ZIMMERMANN, HARTMANN. 2010 . ) Assim, desenvolvendo a capacidade de omada de decisões com base em evidências, ou seja, o método científico. t

## Transições eletrônicas e suas manifestações

As transições eletrônicas são processos fundamentais que ocorrem em átomos e moléculas, nos quais elétrons mudam de nível de energia. Essas ransições são responsáveis por diversos fenômenos ópticos e são amplamente t estudadas no contexto da espectroscopia. O entendimento desses processos é essencial para a compreensão de uma variedade de fenômenos físicos, desde a cor dos materiais até a análise da composição química de substâncias. Este trabalho

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explora em profundidade os fenômenos associados às transições eletrônicas e suas aplicações educacionais, com foco especial no contexto do ensino médio no Brasil.

Os espectros de emissão e absorção ão s enômenos f diretamente elacionados às transições eletrônicas. Eles são ferramentas poderosas para a r análise qualitativa e quantitativa de substâncias, permitindo identificar elementos e moléculas com base nas características únicas de seus espectros. O espectro de absorção é gerado quando um eixe f de uz l passa por uma substância e determinados comprimentos de onda são absorvidos. Essa absorção ocorre quando a energia do fóton incidente corresponde à diferença de energia entre dois níveis eletrônicos. Como resultado, os elétrons são promovidos a níveis de energia mais altos. As faixas ou linhas escuras que aparecem no espectro correspondem aos omprimentos de onda absorvidos ( c ATVARS, MARTELLI, 2002 . ) Esse tipo de espectro é amplamente utilizado para identificar elementos e moléculas, já que cada ubstância possui um espectro de absorção característico. Quando um elétron s excitado retorna ao seu estado fundamental, a energia absorvida anteriormente é iberada na forma de um fóton. Essa emissão de luz gera um espectro de emissão, l que onsiste c em inhas l brilhantes em omprimentos c de onda específicos, orrespondentes às diferenças de energia entre os níveis eletrônicos. Assim como c os espectros de absorção, os espectros de emissão são únicos para cada elemento ou molécula e são utilizados para sua identificação.

A luminescência é a emissão de luz por uma substância após a absorção de energia, endo s dividida em diferentes ipos, t dependendo do processo de elaxamento eletrônico ( r BIGHETTI, 2016 . ) Na fluorescência, um elétron é excitado para um estado de energia mais alto e retorna ao estado fundamental quase mediatamente, i emitindo uz. l O processo ocorre em uma escala de empo t extremamente curta, geralmente em nanossegundos. A uz l emitida em um t omprimento de onda maior do que a luz absorvida, devido à dissipação de parte da c energia na forma de calor durante o processo. A fosforescência é semelhante à luorescência, mas o elétron excitado é promovido a um estado triplete, que é f energeticamente proibido de acordo com as regras de seleção de spin ( ATKINS, 2007 . Como resultado, o retorno ao estado fundamental é um processo muito mais ) ento, que pode levar desde microssegundos até várias horas. Esse fenômeno é l observado, por exemplo, em materiais que brilham no escuro após a exposição à uz. l O teste de chamas é uma técnica simples, mas poderosa, utilizada para dentificar a presença de certos metais em uma amostra. i

## Metodologia

Para elaboração da proposta didática, eguimos s a perspectiva de metodologia de sequência didática apresentada por FRANCO (2018 , que descreve ) o processo como:

- 'O que é uma Sequência Didática? Conjunto de atividades, estratégias e ntervenções i planejadas etapa por etapa pelo docente para que o entendimento do conteúdo ou tema proposto seja alcançado pelos discentes (KOBASHIGAWA et al., 2008). Lembra um plano de aula, entretanto é mais amplo que este por abordar várias estratégias de ensino e aprendizagem e por ser uma sequência de vários dias ' .

Assim, como primeira etapa da sequência didática o docente irá ministrar os onteúdos sobre luminescência e física moderna em uma aula expositiva. Mais c arde, ele pode debater os conceitos com os alunos tornando a aula expositiva mais t eficiente na jornada de aprendizagem dos estudantes, capacitando nos discentes a

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ompreensão do experimento e dos fenômenos físicos abordados,assim podendo c azer a realização do teste de chamas ( f PACCA, SCARINCI, 2010 , afirma que: )

- .. '. Procuraram sistematizar os conteúdos anteriormente desenvolvidos na sala de aula, atribuindo novo sentido à estratégia, sem abandonar a importância de ouvir o aluno e de articular adequadamente os conceitos. '

No segundo momento, a experimentação segue como erramenta de f equência didática e método científico. Desta forma, os alunos devem ser envolvidos s no planejamento do experimento, o que inclui a escolha dos sais metálicos a serem estados e a formulação de hipóteses sobre as cores esperadas das chamas. Isso t estimula o pensamento crítico e a aplicação dos conceitos teóricos discutidos. Durante o experimento, os alunos realizaram o teste de chamas sob supervisão, observando as cores produzidas pelo salto quântico. Eles devem registrar suas observações em um caderno de laboratório, anotando as cores observadas e omparando com suas hipóteses iniciais. No momento final,após o experimento, os c alunos devem analisar os resultados, correlacionando as cores das chamas com os elementos químicos presentes nos sais. Essa análise inclui a discussão guiada pelo docente sobre as transições eletrônicas ocorridas em cada elemento e na emissão de fóton em comprimentos de onda distintos.

## O experimento

Para a realização do experimento de teste de chama é necessário um onjunto de recipientes não inflamáveis (no Pátio o recipiente utilizado são tampas c metálicas recicladas), onde será nserido aproximadamente 20g de compostos i químicos. Para o experimento realizado foi utilizado:

abela 01: T Compostos químicos.

Em seguida é inserido, aproximadamente, 20 ml de combustível (Etanol). Assim, por meio de uma fonte de calor ocorre o início da ignição da mistura (composto + ombustível). Dessa forma tornando possível a visualização do fenômeno. c

Figura 01: Montagem do Experimento.

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## Resultados &amp; Discussão

## O experimento

Com a combustão da mistura (composto + combustível) o fenômeno é niciado. Em nível molecular, os elétrons são excitados e pulam de camada de i alência, esse fenômeno tem como nome o salto quântico do elétron ( v ATKINS, ONES, 2007 J . ) Assim, ao retornarem liberam a energia como o fóton de luz, modificando assim a coloração da chama. Deste modo, a coloração corresponde a determinado composto excitado, ou seja, o composto absorve a energia térmica da gnição do combustível e emite a mesma como fóton luminoso (luminescência). Na i igura 02, é mostrado que a contaminação da mistura resulta em uma coloração f mista. Na amostra à esquerda o Cloreto de cobre está contaminado com Cloreto de Sódio, resultando na chama laranja/esverdeada.

Figura 02: Comparativo entre início da queima da mistura CuCl+NaCl+Etanol esquerda) e final de queima mistura CuCl + Etanol (direita). (

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A visualização do fenômeno depende de alguns fatores para além da ombustão da mistura. Por exemplo a incidência solar, assim como o composto c utilizado. Na figura 03, ocorre a comparação entre a queima do Cloreto de Potássio e Cloreto de Estrôncio. É possível observar que o comprimento de onda dos fótons do Cloreto de Estrôncio é visualmente superior quando comparado à queima de Cloreto de Potássio.

Figura 03: Cloreto de potássio (esquerda) e Cloreto de Estrôncio (direita).

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## Sequência didática: Luminescência e Teste de Chama

- 1. Identificação do Público-Alvo
- ● Grau de instrução: Alunos de Ensino Médio

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- ● Contexto: Estudantes com conhecimentos prévios em química e física, a nível básico frequentando uma escola com laboratório de ciências.

## 2. Objetivos de Aprendizagem

- ● Objetivo Geral: Compreender os enômenos da f uminescência l omo c a absorção e emissão de elétrons, identificando compostos através dos fótons emitidos, onstruindo c o entendimento do modelo atômico moderno e abrangendo a física moderna.
- ● Objetivos Específicos:
- · Explicar o conceito de luminescência e as diferenças entre fluorescência e osforescência. f
- · Realizar o experimento do Gerador de Van der Graaff.
- · Relacionar o gerador com os fenômenos apresentados.

## 3. Conteúdo

- ● ema Central: Luminescência e Teste de Chama. T
- ● Subtemas:
- · ntrodução à física moderna e aos modelos atômicos modernos. Definição I de luminescência
- · Tipos de luminescência: fluorescência, fosforescência, quimiluminescência.
- · este de chama e espectro de emissão e absorção. T

## 4. Metodologia

- ● Estratégias de Ensino:
- · Aula Expositiva: ntrodução I ao enômeno físico f de luminescência e exemplos de diferentes tipos no cotidiano: (ex.: lâmpadas fluorescentes, brinquedos que brilham no escuro).
- · Experimento Prático: Realização do teste de chama no laboratório, utilizando diferentes sais metálicos para observar as cores emitidas.
- · Discussão Guiada: Análise dos resultados do experimento e discussão obre o espectro de emissão dos elementos. s
- ● Recursos Didáticos:
- · Slides de apresentação sobre os fenômenos físicos de luminescência, espectro de absorção e emissão e contexto dos modelos atômicos para melhor compreensão dos alunos ao ealizar r o experimento, contendo ambém imagens e vídeos ilustrativos do experimento do teste de chamas. t
- · Materiais para o teste de chama: bico de Bunsen(podendo ser utilizado ombustível + recipiente metálico), sais de metais (ex.: sódio, potássio, c obre, cálcio, estrôncio), hastes de platina ou fios de nicromo. c
- · Folhas de registro para anotar as observações durante o experimento.

## 5. Cronograma

- ● Primeira Aula (50 min):
- · Aula Expositiva (20 min): Introdução à luminescência e tipos.
- · Demonstração de Exemplos (15 min): Vídeos e experimentos simples de luorescência e fosforescência. f
- · Discussão (15 min): Perguntas e respostas sobre o conteúdo.
- ● Segunda Aula (50 min):
- · Experimento Prático (40 min): Realização do teste de chama no laboratório.

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- · Registro de Observações (10 min): Anotação das cores observadas para ada elemento. c

## ● erceira Aula (50 min): T

- · Análise dos Resultados (20 min): Comparação das cores observadas com os espectros de emissão conhecidos.
- · Discussão Final (20 min): Reflexão sobre a importância do teste de chama na química analítica.
- · Avaliação (10 min): Aplicação de um questionário sobre o conteúdo.

## 6. Avaliação

- ● Formativa: Acompanhamento das anotações dos alunos durante o experimento e participação nas discussões.
- ● Somativa: Questionário ao final das aulas para avaliar a compreensão dos onceitos de luminescência e espectro de emissão. c

## 7. Adequações e Inclusão

- ● Adaptações: Vídeos com legendas e material didático impresso para alunos om deficiência auditiva. c
- ● nclusão: Atividades em dupla para promover a colaboração entre os alunos e I assegurar a participação de todos.

## Conclusão

O projeto de pesquisa apresentado alcançou seu principal objetivo com êxito: a criação de um modelo didático para o uso do teste de chama no ensino de física moderna/luminescência no ciclo básico de ensino. Todavia, se ez evidente a f necessidade da ampliação do projeto, dado que foi constatado a atual situação do ensino de física no país. Assim, a expansão deste projeto é uma ferramenta mportante para o ensino ativo de luminescência no Ensino Básico. Permitindo desta i orma uma futura análise f da compreensão dos alunos sobre o enômeno de f uminescência. Ressalta-se que este projeto para o Pátio da Ciência contribui para a l ampliação do experimento atual do teste de chama, sobretudo na aplicação de onceitos de física na didática de ensino. Além disso, possibilita futuramente o c reinamento para novos monitores, dado a natureza da formulação do texto didático. t

Embora tenha sido alcançada a formulação de um texto didático, enquanto persistir a defasagem no repasse de verbas à educação básica, a praticidade do planejamento didático é questionada. Uma vez que a obtenção de equipamentos omo o bico de bunsen e compostos químicos é impossibilitado, assim a importância c de espaços informais de ensino se faz evidente. Outro aspecto importante é quanto a segurança dos discentes, pois o composto químico etanol é extremamente volátil, endo s necessário a upervisão s do docente durante sua queima e uso dos espectivos equipamentos de proteção individual (EPIs). Ademais, este trabalho é de r extrema importância para o docente implementar de forma eficiente a BNCC e apresentar de orma clara conceitos de f uminescência, assim como da física l moderna em ala s de aula por meio da experimentação e educação ativa. Possibilitando assim ao discente, a acilitação de f ompreensão de conceitos c abstratos de física, em evidência o fenômeno da luminescência.

## Referências

- ● PORTO, . F S.; ZIMMERMANN, E.; HARTMANN,A. M. Exposições museológicas para aprendizagem de Física em espaços ormais f de

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educação: um estudo de caso. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 27, n. 1, p. 26-62, abr. 2010 .

- ● OVIGLI, D. F. B. "Prática de ensino de ciências: o museu como espaço ormativo." f Ensaio Pesquisa em Educação em Ciências (Belo Horizonte) 13.3 (2011): 133-149.
- ● MASSONI, N. T.; MOREIRA, M. A.; SILVA, M. T. X.. Revisitando a noção de Método ' Científico'. Thema: revista científica do Centro Federal de Educação Tecnológica de Pelotas. Pelotas. Vol. 15, n. 3 2018), p. ( 905-926 2018. ,
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- ● ATVARS, T. DZ; MARTELLI, C. Espectroscopia de luminescência. Revista Chemkeys n. 2, p. 1-9, 2002. ,
- ● BIGHETTI, R. C.;SOUZA . P S. M.;MENDONÇA L. D.;ARENA R. M.; BOMBONATO M. T. S.;ZULIANI S. R. Q. A. ;LEGENDRE A. O. Do modelo atômico de Bohr à isão: v a experimentação omo c base para a nterdisciplinaridade a partir do tema gerador 'luz'. I Programa Educativo e Social JC na Escola: Luz, Ciência e Vida. São Paulo: Centro Paula Souza , . 2, 2016. v
- ● ATKINS, .; P ONES, J L.; Chemical principles: The quest or f nsight i . Macmillan, 2007.
- ● GALVÃO, R. C. S. Francis Bacon: teoria, método e contribuições para a educação. NTERthesis: Revista Internacional Interdisciplinar I v . , 4, n. 2, p. 32-41, 2007.
- ● TOLMASQUIM, A. T.; Indução ou dedução: O método científico de Galileu e de Einstein. ComCiência n. 156, p. 0-0, 2014. ,
- ● FRANCO, D. L.. A importância da sequência didática como metodologia no ensino da disciplina de física moderna no ensino médio. Revista triângulo . , v 1, n. 1, p. 151-162, 2018. 1
- ● PACCA, J. L. A.; SCARINCI, A. L.; O que pensam os professores sobre a unção da aula f expositiva para a aprendizagem significativa. Ciência &amp; Educação v. 16, n. 03, p. 709-721, 2010. ,

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