Modelos Atômicos e Partículas Elementares

Dentre os inúmeros tópicos de Física que poderiam ser abordados, os modelos atômicos e partículas elementares foram escolhidos, pois a idéia é inovar os conteúdos trabalhados em cursos da modalidade Normal, indo na direção da chamada atualização curricular.

Acreditamos que, se tal assunto for trabalhado de uma forma honesta, considerando conhecimentos prévios dos alunos, podemos perfeitamente inseri-los em cursos de qualquer nível.

Dentre os motivos que nos levaram a inserir este assunto em nosso programa, temos o fato de que este amplia o conhecimento dos alunos, incorporando em suas estruturas cognitivas, conceitos da Física Contemporânea, mostrando que esta não é algo inatingível de ser compreendido por um aluno do nível médio de escolaridade.

56 Pensamos que os conceitos sobre os modelos atômicos e Física de Partículas poderiam servir de subsunçores para assuntos relacionados com a Física Clássica, como o caso da eletricidade e o eletromagnetismo. Notadamente, resolvemos fazer o processo inverso do comumente utilizado pela maioria dos docentes que trabalham com tópicos de Física Moderna.

Não acreditamos que alunos do segundo ano do Curso Normal não consigam abstrair conceitos a ponto de não compreendê-los corretamente. Temos convicção de que qualquer assunto em Física pode ser abstrato para qualquer aluno, independentemente de seu nível de escolaridade, quando o professor não trabalha o assunto utilizando elementos potencialmente significativos. Ao mesmo tempo, acreditamos que qualquer assunto possa ser incorporado aos programas de Física das escolas de nível médio, desde que o docente trabalhe enfocando uma aprendizagem significativa.

Após termos trabalhado, em forma de unidade didática, o tópico sobre método científico, iniciamos a implementação do assunto sobre os modelos atômicos e as partículas elementares. Quando iniciamos este assunto, os alunos já haviam, em sua maioria, tido contato com o texto pré-elaborado sobre este tema (Apêndice D). Começamos nossa abordagem através de uma aula expositiva, em que estudamos a evolução dos modelos atômicos. Nossa proposta visou relacionar a evolução dos modelos atômicos com a idéia de que a Ciência, e conseqüentemente, suas teorias, evoluem e que nenhum conhecimento científico pode ser encarado como verdade absoluta.

Também apresentamos as partículas, até então, conhecidas pelos alunos (elétron, próton e nêutron) como sendo as constituintes do átomo. Salientamos elementos referentes à propriedade destas partículas.

Nesta mesma aula, utilizamos, como recurso, um projetor de imagens acoplado a um micro computador. Usamos uma apresentação de slides construída no programa Power Point. Para ilustrar o modelo atômico de Bohr e, também, o modelo da mecânica quântica, utilizamos como estratégia o software livre Atom10. Este software oferece interessantes recursos gráficos que podem contribuir para uma melhor visualização destes modelos atômicos. O programa, por nós utilizado, oferece outros recursos; no entanto, estes, para serem devidamente utilizados demandam de conhecimentos sobre o formalismo matemático da Mecânica Quântica. A Figura 1 mostra o layout do software para o a representação do átomo de Bohr. Na Figura 2, temos a representação do mesmo software para o modelo da Mecânica Quântica.

Figura 1: Layout do software Atom10 para o modelo atômico de Bohr.

58 Também utilizamos o mesmo software para demonstrar a experiência utilizada por Rutherford para a comprovação da existência do núcleo do átomo. O layout da representação deste software para a experiência de Rutherford aparece na Figura 3.

Figura 3: Layout do software Atom10 para a representação da experiência de Rutherford.

Após a apresentação expositiva, propomos aos alunos uma discussão sobre o tema. Esta discussão foi, sem dúvida, muito interessante, pois demonstrou todo o interesse e curiosidade gerada pelo desenvolvimento deste tópico. Ao final do encontro, sugerimos uma releitura do texto já mencionado.

No encontro seguinte, utilizando o mesmo recurso da aula anterior, apresentamos as partículas que, até então, não eram conhecidas pelos alunos. Iniciamos nossa apresentação falando dos quarks, obviamente, enfatizando a formação do próton e do nêutron. Apresentamos, também, os léptons.

Através de um mapa conceitual sobre quarks e léptons, com o objetivo de organizar os conceitos até então estudados, apresentamos a primeira família de partículas, formada pelos quarks e léptons e denominada férmions. Tivemos o cuidado de explicar o princípio de exclusão de Pauli aplicado às partículas desta família. Até este momento, nossa intenção foi apresentar as partículas elementares como os léptons, e também, as que formam as partículas

subatômicas como os núcleons (quarks).

Em seguida, utilizamos experimentos simples, como a atração gravitacional entre a Terra e uma caneta; a mesma atraindo pequenos pedaços de papel após o atrito com os cabelos de um aluno, e também, a atração entre dois ímãs. Nosso objetivo, com estas demonstrações foi mostrar aos alunos que forças presentes em seu cotidiano ocorriam sem que, necessariamente, existisse o contato entre corpos. Esta colocação causou algumas reações em alguns alunos no sentido de que estes nunca haviam refletido e observado com calma tais interações.

Esta foi a estratégia para introduzirmos o conceito de campo e, posteriormente, apresentarmos as quatro interações fundamentais existentes na natureza. Primeiramente, explicamos a interação gravitacional; em seguida, a eletromagnética. As duas interações restantes foram apresentadas com extremo cuidado, principalmente, no que se refere à interação nuclear fraca. Esta exigiu a explanação sobre alguns conceitos totalmente novos para os alunos, como o caso de decaimentos. Para o caso da interação nuclear forte, propomos o questionamento sobre o fato do núcleo ser formado somente por partículas positivas e, ainda, conseguir se manter estável.

Finalmente, apresentamos os bósons responsáveis elas interações fundamentais: fóton, glúon, gráviton e partículas Z e W. Comparamos os bósons com os férmions e mostramos que os bósons não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli.

Ao final da aula, apresentamos o mesmo mapa conceitual anterior, mas sendo que este agora mostrava os férmions (quarks e léptons) e bósons (fóton, glúon, gráviton e partículas Z e W). A proposta de trabalho para a aula seguinte foi que cada aluno elaborasse, em casa, um mapa conceitual sobre os conceitos estudados nos dois últimos encontros.

Na terceira aula sobre partículas elementares, propomos a divisão do grande grupo em grupos menores de, no máximo, cinco componentes. A avaliação desta unidade, além da elaboração do mapa conceitual, constituiu-se na construção de uma história em quadrinhos sobre os tópicos abordados. Solicitamos aos alunos que, ao mesmo tempo em que tivessem o devido cuidado com os conceitos físicos, estes deveriam ser apresentados de forma simples, passíveis de serem compreendidos por um aluno alfabetizado da quarta série do ensino fundamental.

Tivemos o objetivo de avaliar dessa forma, pois acreditamos que, diante de uma situação nova, os conceitos novos existentes nas estruturas cognitivas dos alunos poderiam, se aprendidos de forma significativa, serem detectados nesta avaliação. O trabalho nos foi entregue na aula seguinte, após seu início, em sala de aula. Nossa unidade didática sobre os modelos atômicos e as partículas elementares se encerrou em um total de três encontros.

60 É importante salientarmos que não tivemos, como objetivo, que nossos alunos apenas conhecessem e conseguissem classificar as partículas elementares. Antes disso, tivemos a intenção de que pudessem conhecer melhor a estrutura menor da matéria. Vemos esta ênfase como uma ampliação do conhecimento dos alunos. Além disto, aproveitamos este assunto para enfatizar o processo de construção do conhecimento científico, ao apresentarmos partículas previstas pela teoria, mas que ainda não foram detectadas, ou seja, o conhecimento teórico está integrado às observações para a detecção destas partículas.