Onda e Partícula (Fóton)

Os conceitos de onda, partícula (fóton), também, parecem estar descontextualizados nos fragmentos, já que são citados de forma a apresentarem uma nova situação, como podemos perceber no Frag. 107 no qual os autores especificam, através de três fenômenos: interferência, difração e efeito fotoelétrico, o comportamento da luz como onda e partícula (fóton).

A teoria de Einstein para o efeito fotoelétrico nos dá uma forte evidência em favor da idéia dos fótons ou partículas de luz. Esses fenômenos nos mostram que luz de freqüência f, quando interage com a matéria, o faz como se fosse constituída por partículas com energia E=h.f.

Entretanto, os fenômenos de difração e interferência só podem ser explicados considerando a luz como uma onda [...]

Se, por um lado, somente o modelo de fótons explica adequadamente o efeito fotoelétrico, por outro, somente o modelo ondulatório explica a difração e a interferência (LD-3c, 2005, p. 218, 219, 220).

Cabe destacar que, no modelo ondulatório, no Frag. 107, “[...] os fenômenos de difração e interferência só podem ser explicados considerando a luz como uma onda [...]” e, no mesmo fragmento revelam uma possibilidade, de obtenção desse comportamento: “[...] Se o interceptarmos com uma grade de difração, o feixe difratará, apresentando comportamento de onda” (LD-3c, 2005, p.218, 219, 220).

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Por outro lado, no modelo corpuscular, no Frag. 107 trazem: “Se, por um lado, somente o modelo de fótons explica adequadamente o efeito fotoelétrico [...]”. E também no decorrer da explicação eles revelam em qual situação a luz terá comportamento de partículas: “Se o interceptarmos com uma placa de material fotoemissor (silício, por exemplo), fotoelétrons serão emitidos, apresentando comportamento corpuscular” (LD-3c, 2005, p. 218, 219, 220).

Já, no Frag. 68. Do LD-2c, “Alguns comportamentos da luz (e das radiações em geral) podem ser explicados supondo-se que ela seja uma onda.”, porém os autores durante a explicação da dualidade onda-partícula não relatam em qual comportamento a luz é explicada como sendo uma onda. E, ainda, eles continuam a explicação complementando que “No entanto, outros comportamentos só podem ser explicados supondo-se que ela seja formada por um feixe de partículas (fótons).”. Percebemos pelo fragmento que os autores continuam não explicando o comportamento da luz.

Sobre a apresentação da luz como onda-partícula relacionada ao contexto histórico, encontramos no LD-2c no Frag. 57 e no LD-3c no Frag. 90 a abordagens dos autores referente à luz ser uma onda eletromagnética relacionada a Maxwell, no qual ele discute sobre o campo elétrico e magnético, chegando à conclusão de que a luz é uma onda eletromagnética.

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Frag. 90. LD-3c, 2005, p. 116, 117.

E, apenas no livro LD-3c no Frag. 94, localizamos sobre Huygens e sobre a teoria ondulatória e Thomas Young sobre a comprovação da teoria, no momento em que são apresentadas no livro didático as diferentes frequências e comprimentos de ondas.

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Frag. 94. LD-3c, 2005, p.127.

E, novamente no LD-3c, no Frag. 99 encontramos sobre Young discutindo o fenômeno de interferência, e, no Frag. 107, encontramos a explicação da teoria da dualidade onda-partícula.

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Frag. 99. LD-3c, 2005, p.140.

Para Ribeiro Filho (2002), a luz se comporta como onda na experiência da dupla fenda de Young, produzindo o fenômeno de interferência, ou se comporta como corpúsculo, considerando o efeito fotoelétrico, revelando um caráter dual.

Essas situações que o LD-3c cita podem ser relacionadas com a discussão de Salvetti (2008), quando se referia aos fenômenos do mundo microscópico e macroscópico, afirmando que a radiação pode revelar um duplo caráter, pois ela não é descrita puramente pelos fenômenos ondulatórios e nem corpusculares. Assim, é possível concluir que nem a teoria ondulatória e nem a corpuscular explicam, sozinhas, os aspectos e comportamentos da

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radiação observados na natureza, nas quais, em determinadas circunstâncias, a luz se comporta ora como onda e ora como partícula.

Para a análise, voltada ao estudo da Física Moderna referente ao fóton, podem-se explicar os fenômenos da luz, considerando o comportamento corpuscular de partículas (fótons) para a luz. Constatamos que os autores iniciam essa discussão no livro didático, através do Frag. 37, LD-2a, fazendo referência sobre a Física Hoje, no qual citam sobre o fóton “Como exemplo de energia podemos citar a luz, que, de acordo com a Mecânica Quântica, é formada por pequenos ‘pacotes’ de energia, denominada fótons”

Frag. 37. LD-2a, 2005, p.17.

E complementam no Frag. 39 que: “De acordo com a Mecânica Quântica, a luz é formada por pequenos “pacotes” de energia denominados fótons, [...]”

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Frag. 39. LD-2a, 2005, p.432.

Os autores da coleção LD-2, antes de trabalharem com os conceitos da Física Moderna no terceiro ano, já abordaram a introdução da discussão sobre a luz, referente ao fóton. Salvetti (2008) afirma que o fóton se revela quando ele interage microscopicamente com o elétron. Também é possível perceber a relação com a teoria ondulatória, conforme Frag. 44

[...] a teoria ondulatória da luz teve grande sucesso e conseguiu explicar uma série de fatos sobre a luz (que veremos no volume 3). Entretanto, no final do século XIX e início do XX, começaram a surgir fatos que a teoria ondulatória não conseguia explicar. Foi criada então uma nova teoria, a Mecânica Quântica, segundo a qual a luz (e todas as ondas eletromagnéticas) é formada por pequenos “pacotes” de energia, denominados fótons. Assim, os físicos dizem hoje que a luz tem uma natureza dual: em certos casos ela se comporta como onda e em outros como partícula (fóton) (LD-2b,2005, p.331).

As duas coleções têm a mesma lógica, pois fazem referência às concepções de Planck e Einstein em relação ao fóton, conforme Frag. 61 e 65 da coleção LD-2, e Frag. 103 da coleção LD-3

De acordo com a Física Clássica, as ondas eletromagnéticas se propagam de uma maneira contínua. No entanto, de acordo com a Mecânica Quântica, as ondas eletromagnéticas se propagam na forma de “pacotinhos” denominados fótons. Cada fóton tem uma quantidade de energia que depende da freqüência da onda eletromagnética, [...] (LD-2c, 2005, p.465).

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Frag. 103. LD-3c, 2005, p.208, 209.

A coleção do LD-3, no Frag. 103, refere-se ao fóton, mais detalhadamente sobre a sua descrição, em relação a Planck com a ideia do quantum “As partículas emitem radiação em unidades discretas denominadas quanta (plural de quantum), às quais mais tarde Einstein atribuiu o sugestivo nome de fótons, que significa “partículas de luz” (Frag. 103, LD-3c, 2005, p.208, 209.)

A partir disso, podemos recorrer a ideia de Planck referente à quantização de energia e às discussões que emergiram sobre o “quanta” de luz, discutido por Einstein no efeito fotoelétrico, no qual passou a ser conhecido como fóton ou partículas de luz. No Frag. 105, Einstein “Admitiu que a luz e as demais radiações eletromagnéticas deveriam ser

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consideradas como um feixe de pacotes de energia, aos quais chamou fótons, cada um transportando uma quantidade de energia E igual a h.f.”

Frag. 105. LD-3c, 2005, p.211, 212.

Os autores também relatam sobre a evidência que o efeito fotoelétrico nos propicia à ideia de fótons e partículas. Porém, não está expresso o que ocorre com essa interação na matéria. É preciso associar que um material metálico é exposto a uma radiação eletromagnética, com frequências altas, e essa radiação arrancará elétrons desse material, no qual ao colidirem com o material irá transferir energia para ele.

Os autores contextualizam o experimento fazendo referência ao efeito fotoelétrico, que pode ser explicado considerando a luz sendo partícula. Resnick, Halliday e Krane (1992, p.134) explicam esse fenômeno onde “uma luz de freqüência v incide sobre uma superfície metálica (emissor E) e, se a freqüência for suficientemente alta, a luz arrancará elétrons da superfície. Estabelecendo-se uma diferença de potencial apropriada, V, entre o emissor E e o

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coletor C, podemos detectar os fotoelétrons, assim denominados os elétrons liberados nesse efeito, sob a forma de uma corrente fotoelétrica i”.

Em ambas as coleções, para o entendimento da dualidade onda-partícula, é preciso compreender o comportamento ondulatório e o comportamento corpuscular, sabendo identificar suas características. Essas obras têm a preocupação em explicar detalhadamente sobre o que é o fóton e onda eletromagnética não apenas em um momento do livro didático, mas sim no decorrer dos estudos, com grande ênfase aos conteúdos de ondas. Porém, quando apresentam a teoria da dualidade nos Frag. 68 e Frag. 107 não fazem recorrência com as discussões ocorridas nos livros.

Referente ao contexto histórico dos fatos que estiveram envolvidos até se chegar a uma conclusão de que a luz possui um caráter dual, os livros didáticos das duas coleções timidamente introduzem em seus estudos alguns apontamentos referentes aos cientistas, mas de forma sucinta sem muitas explicações e sequência nos textos.

A partir das análises sobre a recorrência dos conceitos do fóton, luz, onda, partícula e radiação com a teoria da dualidade onda-partícula, os resultados apontaram que os livros didáticos analisados são fragmentados e seus conceitos não possuem recorrência, pois em cada seção se inicia um novo conteúdo, sem muita ligação com o anterior. Não existe a discussão com conhecimentos anteriores, principalmente os conceitos da Física Clássica relacionados com os da FMC.

Compete ainda destacar que as análises das três coleções dos livros didáticos indicaram que o material precisa ser repensado na sua utilização em relação à abordagem do conceito da dualidade onda-partícula. Não estamos nos referindo sobre a veracidade do conteúdo, mas sim em relação às suas conexões com os demais conhecimentos. Porém, como ainda não existe essa articulação nessas três coleções didáticas, esta tarefa acaba sendo realizada pelo professor, oferecendo ao aluno condições que favoreçam a aprendizagem através de outros métodos e estratégias de ensino.

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CONSIDERAÇÕES FINAIS

Para compreendermos a discussão do comportamento da luz através da evolução das concepções no processo de criação científica, a reflexão sobre a Física Moderna e Contemporânea no ensino de física se faz necessária devido à complexificação dos conceitos envolvidos, os aspectos da discussão da luz em possuir um caráter dual no ensino de física da educação básica é a chave para o entendimento da FMC no ensino.

Uma vez que a teoria da dualidade onda-partícula está entre o elo dos conceitos discutidos sobre a luz na Física Clássica e a FMC. Nesta perspectiva, acreditamos ser imprescindível o seu estudo explícito nos livros didático, devido toda a sua discussão epistemológica ao longo dos séculos e a grande importância do aluno ter o conhecimento que a luz também está ligada com o início da discussão do mundo microscópico.

E, a partir do objetivo geral, que era identificar se a teoria da dualidade onda-partícula era abordada em coleções de livros didáticos de Física, indicados no Catálogo do Programa Nacional do Livro para o Ensino Médio – Física, PNLEM/2009, atingimos o primeiro objetivo específico no qual realizamos um capítulo sobre a revisão na busca das análises conceituais sobre a natureza da luz. Estes nos ajudaram a compreender como o conhecimento da dualidade onda-partícula está sendo apresentado nos livros didáticos de Física.

Neste sentido, levantamos a discussão sobre a FMC no contexto escolar, já que esse estudo propicia ao sujeito o contato com as potencialidades em relação ao desenvolvimento da humanidade, estabelecendo vínculos com o cotidiano tecnológico atual. Discutimos sobre a FMC na educação frente à posição de documentos oficiais e a importância do livro didático no contexto do professor e do aluno, no qual Romanatto (2004) declara que o livro didático precisa interagir com o aluno com competência. E a decisão da sua utilização ou não em sala de aula está nas mãos do professor, já que o livro didático é um instrumento que pode ser utilizado pelo professor como um suporte para o planejamento de sua aula e pelos alunos como um suporte de conhecimento voltado à aprendizagem.

Também apresentamos uma discussão sobre a FMC, referente às novas concepções sobre o mundo, com um olhar filosófico, e a evolução do pensamento científico, bem como, as mudanças nas concepções da Física em relação à Física Clássica e a FMC.

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Nosso segundo objetivo referia-se às análises, na apresentação da teoria da dualidade onda-partícula nos livros didáticos de Física. Para o desenvolvimento dessa pesquisa, percorremos algumas etapas, que nos ajudaram a responder a problemática em questão: O

livro didático de Física no Ensino Médio, sendo um dos principais instrumentos didáticos dos professores no planejamento de suas aulas, aborda a teoria da dualidade onda-partícula? E, se aparece, quais são os conceitos mais utilizados nas coleções? Esses conceitos estão relacionados com a teoria da dualidade onda-partícula?

A partir da Análise Textual Discursiva de Moraes e Galiazzi (2007), traçamos a construção e organização das análises, referente às três coleções didáticas indicadas pelo PNLEM, nas quais apenas duas coleções apresentavam a teoria da dualidade onda-partícula, sendo a coleção LD-2 e LD-3.

Nos livros LD-2c e LD-3c, através das palavras-chave dualidade, onda, partícula, onda-partícula e dualidade onda-partícula, destacamos os conceitos que mais se repetiram dentro dos fragmentos, sendo: Comprimento de Onda, Elétron, Fóton, Frequência, Luz, Onda, Onda Eletromagnética, Partícula, Perturbação, Propagação, Movimento, Radiação e Velocidade. Logo, com esses conceitos fizemos a verificação referente à recorrência com a teoria da dualidade onda-partícula, explícita no material.

Enfim, percebemos com as análises que a teoria da dualidade onda-partícula é apresentada nos livros didático de física como sendo um novo conceito uma vez que os autores discutem nos livros as concepções da luz, em relação ao caráter corpuscular e ondulatório através de Newton e Huygens, mais tarde Maxwell com a comprovação da natureza ondulatória e, a discussão de pacotes de energia através do fóton na FMC. Porém, na apresentação da natureza dual, ela aparece como sendo algo totalmente novo, fragmentada com os demais conceitos, não representando um complemento do entendimento sobre o mundo no qual estamos inseridos, e discussões ao longo dos séculos.

No momento que estes livros não apresentam com clareza o conceito da teoria dual da luz, temos outra situação na qual será preciso a intervenção do professor, no sentido de relacionar os demais conhecimentos envolvidos na teoria, propiciando ao aluno uma compreensão através da diferença de fenômenos que caracterizam a luz como onda e partícula.

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Devido a nossa preocupação quanto à utilização pelo professor, em seu planejamento e também nas aulas, um material que seja completo, e que aborde a teoria da dualidade onda- partícula, reportando à história do conceito, apontamos aqui como sugestões a indicação de alguns sites que abordam textos sobre o ensino de física e a FMC:

 A Física na Escola, (SBF)18 disponibiliza textos com o objetivo de apoiar as atividades dos professores de física.

 Caderno Brasileiro de Ensino de Física, (UFSC)19 disponibiliza textos com o intuito de contribuir com a qualidade do ensino de física.

 Revista Brasileira de Ensino de Física, (SBF)20 periódico que tem por objetivo contribuir para o desenvolvimento de metodologias e materiais para o ensino de física. Para finalizar, registro algumas inquietações que permanecem no sentido de percebemos que a educação precisa constantemente ser discutida. Será que os demais livros didáticos utilizados no Ensino de Física abordam a teoria da dualidade onda-partícula? E a discussão epistemológica ocorre nesses materiais? Estes livros didáticos também priorizam as concepções da natureza da luz, referente à discussão da Física Clássica? E referente ao conceito, ele está expresso corretamente?

18

http://www.sbfisica.org.br/fne

19 _{www.periodicos.ufsc.br/index.php/fisica} 20 _{www.sbfisica.org.br/rbef}

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