PROPOSTAS PARA O ENSINO DE FÍSICA NUCLEAR
5.1 O método
Neste capítulo, irei abordar três temas como propostas de ensino de física nuclear no nível médio. Usando apenas um único encontro de aproximadamente uma hora e quarenta minutos, é possível ministrar um destes temas. Todos eles estarão interligados, contudo também será possível trabalhá-los de forma individual.
Assim como foi discutido no capítulo anterior, para cada um dos temas será apresentada uma problematização, teorização e uma contextualização. Além disso, também será apresentada uma forma de proposta avaliativa. O objetivo deste capítulo é fazer uma transposição didática autoral do Saber Sábio para o Saber a Ensinar, onde haverá uma seleção de três temas.
5.2 O ensino do processo de fissão e de fusão nuclear
5.2.1 – Problematização
Dentre os assuntos que geram maior curiosidade e encantamento no universo da física, certamente estão a astrofísica e a grande quântidade de energia liberada pelas chamadas “bombas nucleares”. Contudo, qual seria a relação entre estes assuntos?
Em algum momento da vida, provavelmente já nos perguntamos: “Por que o Sol não para de brilhar, por que ele não apaga?” ou ainda “Como, ainda que com dimensões relativamente pequenas, uma bomba nuclear pode ser tão devastadora e destrutiva?”. Estas perguntas podem servir como uma introdução para a aula, alimentando a curiosidade e a criatividade do estudante.
É importante ressaltar que é preciso fazer com que os estudantes se tornem agentes ativos durante a aula, participando, pensando e tentando responder a essas perguntas que, certamente alguns deles já fizeram para si mesmos. Neste momento, o conhecimento prévio do estudante bem como sua criatividade podem auxiliar em um processo de diálogo entre a turma, coordenado pelo professor.
fatos. Agora, com uma curiosidade despertada, a turma terá uma maior motivação para entender a teoria física, pois perceberá que através dela ele compreenderá melhor as leis da natureza. Dessa forma, faz-se uma ligação entre a teoria explicada e a realidade.
Além disso, o uso da situação-problema envolvendo a energia liberada durante a ativação das bombas atômicas pode ser vista como uma boa proposta de interdisciplinaridade, juntamente ao professor de história. Afinal, o desenvolvimento da ciência necessária para a criação desta arma ocorreu paralelamente a Segunda Guerra Mundial.
5.2.2 – Teorização
Em 1905, Einstein publicou um artigo o qual recebeu o título “Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?”, que pode ser traduzido para o português como: “A inércia de um corpo depende de seu conteúdo de energético?”. Neste artigo, foi apresentada a ideia de que massa e energia eram, na verdade, duas formas diferentes de se representar uma mesma grandeza. Nele, também foi explicada a famosa equação E=mc2, porém ainda não havia meios para comprovar
experimentalmente sua teoria.
Após a descoberta do nêutron em 1932 – partícula elementar de carga nula, um dos constituintes do núcleo atômico – Enrico Fermi (1901-1954) e sua equipe verificou a fissão de núcleos de um elemento químico através do bombardeamento de nêutrons. Por tal realização, Fermi recebeu, no ano de 1938 um prêmio Nobel.
Uma das mais conhecidas reações de fissão nuclear foi mostrada pela primeira vez por Otto Hahn e Fritz Strassman, onde o elemento já naturalmente instável 235U, ao ser bombardeado por um
nêutron, se partia em dois núcleos mais leves, uma das possibilidades mais prováveis é a fissão produzindo 141Ba, 92Kr e mais 3 nêutrons, além de uma grande quantidade de energia liberada. Esta
energia pode ser calculada pela diferença de massas entre os canais de entrada e saída da reação de fissão. Esta energia é fruto da diferença de massa entre os canais de entrada e de saída da reação de fissão, provando assim a equação de Einstein. Tal reação pode ser representada da seguinte forma:
10n + 23592U ---> 14156Ba + 9236Kr + 3(10n) (RAMOS, Suami. p. 44, 2015)
Para calcular o valor da massa convertida em energia para esta reação, temos que:
Massa antes da reação:
Onde mn representa a massa do nêutron; mu a massa do 235U e u é a unidade de massa
atômica.
Massa depois da reação:
mba +mkr + 3mn = 140,9139 + 91,8793 + 3x1,0087u
Onde mba é a massa do 141Ba; mkr a massa do92Kr.
A massa que se transforma em energia pode ser calculada pela diferença entre a massa depois e antes da reação:
m = 236,0526 – 235,8193 = 0,2333u
Sabendo que u= 1,66x10-27Kg, pode-se calcular a energia produzida nesta reação de fissão.
Convertendo a massa para Kg, temos:
m = 0,2333 u = 0,2333 x 1,66x10-27 = 3,87x10-28Kg
Pode-se calcular a diferença de massa para 1 mol de 235U. Para isto, basta multiplicar a diferença de
massa pelo Número de Avogadro, obtendo assim o valor de 0,233g.
Calculando a energia associada a esta massa:
E = mc2 = 2,33x10-4 x 9x1016 = 2,10x1013J
Transformando este valor de energia para toneladas de TNT, obtemos um valor aproximado de 5019 toneladas. Esta mesma energia poderia fazer um chuveiro de 4800W funcionar ineterruptamente durante aproximadamente 139 anos.
Outros núcleos também podem ser gerados no processo de fissão, a grande maioria com massas e energias próximas as do exemplo acima.
Além do processo de fissão nuclear, também existe um processo chamado de “fusão nuclear”. Este, diferentemente da fissão, ocorre quando juntamos dois núcleos menores para formar
um núcleo maior. Neste caso, a energia liberada pode ser ainda maior do que no processo de fissão, contudo a desvantagem é a maior dificuldade de realizá-lo, visto que é necessário vencer a barreira coulombiana para juntar os dois núcleos. Já que os núcleos são constituídos por prótons e nêutrons – assumindo cargas positivas, é necessária uma energia muito alta para que se possa vencer esta repulsão.
Um núcleo é mais estável quanto maior for sua energia de ligação. Isto pode ser calculado pelas diferenças de massas do núcleo e de seus componentes quando livres. O máximo de estabilidade (maior energia de ligação) ocorre em A~60. Por isso, reações que produzem núcleos mais próximos desta região tendem a liberar mais energia durante a reação. A fusão de núcleos mais leves e a fissão de núcleos mais pesados liberam energia e podem ser usadas para este proveito. A fissão de núcleos mais leves e a fusão de núcleos mais pesados absorvem energia e não podem ser utilizadas para este fim.
5.2.3 – Contextualização
Neste momento, o professor deverá retomar as situações-problema, pois dessa forma a física não parecerá estar desconectada do mundo real. Juntamente com o professor, a turma deverá chegar a conclusão de que o fator que torna uma bomba nuclear tão destrutiva são as reações em cadeia provocadas a partir de fissões nucleares.(SOUZA, Marcos. 2016)
Devido a alta temperatura e pressão no interior das estrelas, ocorrem processos de fusão nuclear, por meio deste processo as estrelas continuam brilhando. Além disso, foram desenvolvidas bombas de fusão nuclear utilizando-se deste mesmo processo; como para alcançar a energia cinética suficiente para romper a barreira coulombiana precisa ser muito alta, este tipo de bomba utiliza-se de uma bomba de fissão como detonador.
5.2.4 – Proposta avaliativa
As propostas avaliativas podem ocorrer de diversas formas, como por exemplo através da participação dos alunos durante a aula, questões em prova envolvendo o assunto trabalhado, resolução de questionário, elaboração de redação e outras.
Em geral, as questões podem se basear nas próprias situações problemas. No caso da elaboração da redação, temas como o bombardeamento de Hiroshima e Nagasaki no final da
Segunda Guerra Mundial podem ser bons temas a serem trabalhados, pois através destes temas os estudantes poderão se conscientizar sobre o grande potencial de destruição de uma bomba nuclear. Sendo assim, o professor deverá focar em comentar a importância da prevenção de acidentes e do sistema de segurança de uma usina, bem como o impensável uso de bombas de fissão ou fusão nuclear.
5.3 A Carta de Nuclídeos
5.3.1 Problematização
Esta aula pode ser desencadeada por dúvidas referentes a aula sobre fissão e fusão nuclear. Afinal, o que seriam estes elementos instáveis? Eles são representados na tabela períodica? O que faz um elemento ser instável ou não? Caso os estudantes tenham chegado sozinhos a estas perguntas, eles seriam esclarecidos em uma nova aula sobre a Carta de Nuclídeos. Caso contrário, o professor poderá chamar a atenção para estas situações-problemas, criando um novo ambiente de reflexão.
Ademais, o professor pode instigar ainda mais a curiosidade dos estudantes fazendo perguntas como: “Será que é possível para o homem criar novos elementos químicos artificialmente?”. Apesar de fazer parte da realidade da sociedade humana, estas perguntas não se aproximam do cotidiano do aluno, porém, através delas eles poderão ampliar um olhar investigativo para a natureza.
5.3.2 Teorização
A palavra Nuclídeo foi criada em 1947 pelo químico americano Truman Paul kohman (1916-2010) com o intuito de caracterizar cada espécie de núcleo atômico de acordo com seus prótons, nêutrons e estado energético. No ano de 1956, na Universidade Técnica de Karlsruhe, começou a ser desenvolvida uma carta contendo os nuclídeos conhecidos. Esta Classificação recebeu o nome de Carta de Nuclídeos de Karlsruhe.
Em sua essência, a carta é uma espécie de gráfico onde o número de nêutrons dos núcleos está representado num dos eixos, enquanto o número de prótons está representado no eixo perpendicular. De maneira parecida ao que é encontrado na tabela períodica, em cada ponto de
intersecção dos eixos haverá uma espécie de “caixa” que contém os dados característico do nuclídeo em questão, incluindo o tipo de decaimento e meia-vida.
Publicada em 1958, a primeira edição da Carta de Nuclídeos constavam 102 elementos, 267 nuclídeos estáveis e 1030 nuclídeos instáveis. Em edição publicada em 2012, a carta já relacionava 116 elementos, sendo 267 estáveis e 3847 instáveis. Dessa forma, percebe-se que com o decorrer dos anos, mais elementos são descobertos e mais tipos de nuclídeos são produzidos artificialmente pela humanidade. O grande problema é que grande parte destes nuclídeos são instáveis e de meia vida curta, ou seja, não sobrevivem por muito tempo na natureza.
Nesta carta, pode-se perceber uma linha onde o número de nêutrons é sempre igual ao número de prótons. Inicialmente, os núcleos estáveis (representados pelas caixas de cor preta), estão próximos ou exatamente sobre esta linha. Contudo, a medida que o núcleo se torna mais pesado – tendo um maior número de prótons e de nêutrons, os núcleos estáveis se afastam desta linha, colocando-se na parte superior dela, onde o número de nêutrons é superior ao número de prótons. Uma representação desta carta pode ser vista na figura abaixo.
Figura 03: Carta de Nuclídeos. Número de nêutrons x número de prótons. (TORTOSA, Germán. 2014)
A instabilidade dos núcleos é fruto da interação das forças existentes no interior do núcleo. No interior do núcleo atômico, existe uma força chamada de Força Nuclear Forte, que é atrativa na
grande maioria dos casos, ao passo que a força coulombiana repele os prótons uns dos outros. A Força Nuclear Forte é muito mais intensa do que a repulsão coulombiana, desta forma, o núcleo permanece coeso, porém esta força nuclear é de extremo curto alcance.
A intensidade da Força Coulombiana decai muito mais lentamente com a distância em relação a Força Forte. Além disso, sabe-se que em núcleos mais pesados e por sua vez maiores, a distância entre prótons diametralmente opostos aumentará. Como consequência, a força Forte ficará menos intensa do que a repulsão coulombiana, fazendo com que o núcleo se torne instável.
O núcleo também é formado por nêutrons e estes também são atraídos por conta da ação da Força Forte. Como estes não possuem carga, não sofrem repulsão coulombiana, portanto, os núcleos maiores precisarão necessariamente de um número maior de nêutrons do que de prótons para permanecerem estáveis, comprovando assim o fato de que os núcleos estáveis mais pesados estão situados na parte superior da linha Z=N.
5.3.3 Contextualização
Nesta etapa, o professor deverá voltar as situações-problema, pois estas estão mais próximas da realidade. Já com o entendimento do que são elementos instáveis e o motivo pelos quais eles são instáveis ou não, o professor poderá concluir falando a respeito da possibilidade de criar novos núcleos, contudo ressaltando que, na grande maioria das vezes, o núcleo será instável e a meia-vida será curta.
Além disso, o professor poderá mostrar a Carta de Nuclídeos em sites de física nuclear, possibilitando o estudante a observar com maiores detalhes todas as informações contidas nela a respeito de cada núcleo, estando sempre disposto a retirar dúvidas sobre esta forma de representação.
É importante ressaltar para os estudantes que os núcleos instáveis, ou seja, aqueles que podem emitir radiação através de algum decaimento, sempre existiram na natureza. Contudo, o ser humano também pode produzí-los artificialmente. Dessa forma, o mito de que a radiação é uma criação do homem durante o período da Segunda Guerra Mundial será corrigido.
5.3.4 Propostas avaliativas
Neste caso, assim como no caso da fissão e fusão nuclear, o professor também poderá avaliar a participação do estudante em aula, questionários e/ou questões em prova também serão
bem vindos. Entretanto, a elaboração de redação sobre este tema é um pouco mais complexa. Desta forma, a melhor forma de avaliação é a verificação de aprendizagem do estudante, visando perceber se o mesmo entendeu as situações-problemas, como por exemplo a resposta da pergunta “O que são os núcleos instáveis?”
Um pequeno questionário distribuído ao início da etapa de teorização e contendo as situações-problema poderá ser uma ótima forma de verificar o aprendizado dos estudantes. É importante ressaltar que nem no questionário nem em questões cobradas em uma prova ou teste deverão ser colocadas questões de caráter matemático, pois dessa forma evitará maiores complexidades indesejadas.
5.4 O espectro eletromagnético
5.4.1 Problematização
Assim como o que foi visto na seção 1.5 do presente trabalho, há relatado o mito de que a comida esquentada no forno de microondas pode causar câncer. Visto isso, pode-se explorar esta crença popular para iniciar a aula sobre o espectro eletromagnético através de uma situação- problema comum no cotidiano de todos os estudantes. A princípio, a turma deverá entrar em um diálogo entre si com o objetivo de determinar se de fato esta afirmativa é verdadeira.
O professor ainda poderá acrescentar no diálogo da turma outras perguntas a respeito de outras ondas eletromagnéticas, como a luz visível, as ondas de rádio, raio X ou raios gama. Afinal, qual destas radiações poderiam causar danos ao organismo humano e quais seriam estes danos?
5.4.2 Teorização
O espectro eletromagnético é composto por sete divisões, sendo elas: Ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, Raios X e Raios gama; cada uma destas divisões possui um intervalo distinto de comprimentos de onda e de frequência. Observando a figura 04, nota-se que para o olho humano é possível enxergar muito pouco de toda a radiação existente, visto que o espectro visível corresponde a um intervalo muito curto do espectro eletromagnético.
estas “partículas de luz” seriam denominadas fótons. Segundo interpretações de Einstein, a energia de um único fóton poderia ser calculada pela expressão E=hf, onde h é uma constante chamada “Constante de Planck” e f representa a frequência de oscilação do fóton.
Por meio desta equação, quanto maior a frequência de oscilação, mais energia o fóton terá. Além disso, combinando a equação da energia com a equação c=λf, onde λ é o comprimento de onda e c representa a velocidade da luz, temos que a energia do fóton será inversamente proporcional ao comprimento de onda.
Ademais, o conjunto das radiações eletromagnéticas também pode ser classificado em ionizante e não ionizante, de acordo com a possibilidade de provocar alterações estruturais nos átomos ou moléculas da matéria sob as quais incidem.
São chamadas de radiações ionizantes aquelas que podem provocar alterações na organização elétrica da matéria de forma a retirar um ou mais elétrons durante sua passagem. A radiação ionizante é encontrada no espectro de mais alta frequência, como os raios-X e os raios gama.
A radiação não ionizante não provoca estes efeitos. As alterações que podem ser provocadas são temporárias, pois a organização eletrônica da matéria se mantém intacta. Estas são encontradas no espectro de mais baixa frequência, compreendido desde as ondas de rádio até as radiações ultravioleta. Logo, nota-se que o que irá definir o caráter ionizante ou não ionizante do fóton é justamente a sua frequência, por sua vez, a energia do mesmo.
Figura 04: Espectro Eletromagnético (VIEIRA, Arthur. 2016)
Nesta etapa, o professor deverá fazer um retorno a realidade, retornando as situações- problema e comentando sobre como o conhecimento do espectro eletromagnético pode ser útil para a sociedade. Esta utilidade e conexão com a realidade poderá ser dada de acordo com cada uma das sete divisões do espectro eletromagnético:
As Ondas de Rádio são as de maior comprimento de onda, é este tipo de onda que nos trás os sinais de TV, aparelhos de rádio e celulares (SALICIO, Claudio; CASTRO, Pedro. 2016). Este tipo de onda não provoca nenhuma alteração na matéria. Já as microondas produzem o ganho de calor em sua interação com a matéria, por isso é utilizada para aquecer ou cozinhar alimentos no forno de microondas.
As ondas que fazem parte do espectro infravermelho são em grande parte emitidas pelo sol e até mesmo pelo nosso corpo. Durante a interação, elas provocam um aumento na vibração molecular, por esta razão também são conhecidas como “Ondas de Calor”. O espectro visível é aquele que o olho humano consegue detectar.
A radiação Ultravioleta é situada na divisão entre radiação ionizante e não ionizante, por isso, entre as radiações não ionizantes, esta é a que possui maior energia. Este tipo de radiação é fortemente absorvido pela maioria das substâncias sólidas, é por conta dela que é possível o tom bronzeado que adquire-se ao ficar exposto ao sol. Contudo, a exposição em excesso as ondas ultravioletas podem gerar problemas como o câncer de pele, além de provocar danos aos nossos olhos.
Os Raios-X e os Raios Gama fazem parte do espectro ionizante, ou seja, podem causar modificações na estrutura eletrônica dos átomos e moléculas. Os Raios-X são utilizados para exames diagnósticos bem conhecidos pela sociedade, apesar de poder gerar danos ao corpo humano, durante os exames estes danos são devidamente minimizados. A radiação gama é ainda mais energética, portanto é altamente penetrante e pode causar graves danos ao ser humano, contudo, se corretamente utilizada, pode ter várias aplicações úteis para a sociedade, como por exemplo a esterilização de alimentos e tratamento/ diagnóstico de pessoas com câncer mencionadas na seção 1.4 da presente monografia.
5.4.4 Propostas avaliativas
Assim como nos outros temas, o professor poderá avaliar o estudante durante todo o processo, analisando sua participação durante a aula. Deste tema, também podem ser elaboradas
perguntas conceituais em formato de questionário ou até mesmo sendo cobrado como conteúdo de prova bimestral.
Além disso, também pode ser pedido ao estudante a elaboração de um trabalho escrito envolvendo cada divisão do espectro eletromagnético e sua interação com o corpo humano. Desta forma, os conhecimentos adquiridos durante a aula serão relembrados e aprofundandos. Além disso, o estudante poderá se aprofundar ainda mais em cada faixa do espectro, entendendo assim quais são os riscos da exposição humana aos tipos de radiação eletromagnéticas.
CAPÍTULO 6
CONCLUSÕES
Por meio de análise da presente monografia, percebe-se que o Ensino de Física Nuclear ainda não é uma realidade em todas as escolas de nível médio do Estado do Rio de Janeiro. A falta de formação profissional, bem como o devido reconhecimento da profissão docente são fatores que comprometem os resultados previstos pelo Currículo Mínimo.
Como possível solução para esse problema, a mudança curricular do ensino superior do curso de licenciatura em física e a construção de um canal para a formação continuada dos profissionais da educação devem ser consideradas. Afinal, os professores devem dominar os conhecimentos pedagógicos e curriculares; e estes estão em constante progresso em função de pesquisas realizadas pela comunidade acadêmica. Buscando estas melhorias, a construção de um site interativo para a formação de professores e propagação de conhecimentos sobre Física Nuclear para alunos e público em geral seria uma boa opção.