Novas Metodologias para o ensino da radiação Ionizante e não Ionizante
Glauco Michelle de Sousa Moraes
Universidade Presbiteriana Mackenzie – São Paulo, SP.
Bolsista PIBIC-CNPq gmsm05@msn.com
José Silvério Edmundo Germano
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos, Sp. silverio@ita.br
Inácio Malmonge Martin
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos, SP.
martin@ita.br
Resumo. Compreender a vida como um todo, passa por refletir sobre o que está ao nosso redor. Entender a radioatividade e a sua
interação com o ser humano é uma tarefa complexa, pois as informações que estão disponíveis nos livros e suas teorias, nem sempre explicam as indagações sobre o tema. A radioatividade é um processo natural, onde átomos instáveis adquirem uma configuração mais estável, e essa instabilidade é consequência do acúmulo de energia, que tende a ser liberada na forma de radiação. A radiação ionizante natural é aquela que está presente em qualquer lugar do espaço. Quando essa radiação incidir em uma célula viva ela pode ionizar os átomos que a compõem, e um átomo ionizado é quimicamente diferente de um átomo neutro. As radiações ionizantes mais conhecidas são: elétrons, prótons, nêutrons, raios x e raios gama, presentes na crosta e na atmosfera terrestre. Sua intensidade é variável, dependendo de condições climáticas, tectônicas e físicas como: latitude, longitude e altitude referentes ao local. Uma forma didática de apresentar esse assunto complexo a alunos de ensino médio pode ser através de experimentos simples, feitos com uma variedade de sensores portáteis e não portáteis existentes hoje. Essas experiências, assim preparadas, servem como alicerce para a compreensão do que vem a ser a energia ionizante natural, que também é o início do estudo sobre a radioatividade. Além da prática experimental, estaremos desenvolvendo material ilustrativo em ferramentas de apresentação, tais como PowerPoint. Todo o conteúdo e desenvolvimento sobre esse tema será disponibilizado na internet de forma dinâmica a atraente para alunos e professores de ensino médio.
Palavras chave: website, didática, ensino, interatividade, radiação ionizante natural. 1. Introdução
O processo de aprendizagem é pessoal, sendo resultado de construção e experiências passadas que influenciam as aprendizagens futuras. Dessa forma a aprendizagem numa perspectiva cognitivo-construtivista é como uma construção pessoal resultante de um processo experimental, interior à pessoa e que se manifesta por uma modificação de comportamento.
Ao aprender, o sujeito acrescenta aos conhecimentos que possui novos conhecimentos, fazendo ligações àqueles já existentes. E durante o seu trajeto educativo tem a possibilidade de adquirir uma estrutura cognitiva clara, estável e organizada de forma adequada, tendo a vantagem de poder consolidar conhecimentos novos, complementares e relacionados de alguma forma.
O principal objetivo da educação é o de levar o aluno com um certo nível inicial a atingir um determinado nível final. Se conseguir fazer com que o aluno passe de um nível para outro, então terá registrado um processo de aprendizagem.
Cabe aos educadores proporcionar situações de interação tais, que despertem no educando motivação para interação com o objeto do conhecimento, com seus colegas e com os próprios professores.
A nova onda educacional passa pela reformulação total da sua base pedagógica, metodológica, tecnológica, científica e institucional. A adequada pedagogia é a motivacional. A metodologia mais apropriada é a do learning doing (aprender fazendo). A mais recente aliada dessa revolução educacional ostenta natureza tecnológica: consiste na difusão do ensino telepresencial (via satélite) ou virtual (via internet) ou mesmo na combinação entre eles.
Algumas vantagens do processo de aprendizagem pela internet são desde logo incontestáveis: atende o ritmo do aluno, facilita a disseminação de conhecimentos, também proporciona aprimoramento de habilidades e capacidades, permite que mais pessoas obtenham reciclagem profissional, conta com horários flexibilizados etc. E tudo isso, em regra, por um custo bem mais baixo que o ensino tradicional.
Mas o ensino pela internet ou mesmo o telepresencial, de qualquer maneira, não é só tecnologia. É também pedagogia, psicologia, comunicação social e motivação. A soma de todos esses ingredientes tende a produzir um bom produto final, sobretudo quando se consegue por meio de uma desburocratizada interatividade complementar tudo aquilo que já foi ministrado em salas de aula.
A facilidade de conectar ao conteúdo de um curso ou de uma aula uma infinita quantidade de informações extras torna o ensino complementar pela web um meio muito atrativo de aprendizagem. A internet pode isoladamente produzir bons frutos, mas quando a ela se alia o método telepresencial, a otimização do ensino e da aprendizagem chega a índices notáveis. Por uma série de razões, o ensino exclusivamente virtual (só pela internet) vem (ainda) encontrando muita resistência. Por ora, o melhor rendimento na educação a distância parece ser resultado da conjugação da tecnologia satelitária (aulas telepresenciais) com a internet.
Conforme se pode observar na Figura 01, temos o exemplo de um laboratório virtual em funcionamento na Internet, que conjuga conteúdo, animações e exercícios de forma clara e didática.
Figura 01. Site Didático com diversas vertentes para o mesmo assunto.
2. Radiação Ionizante Natural
A radiação ionizante é definida como aquela que tem energia suficiente para interagir com os átomos neutros do meio por onde ela se propaga. Em outras palavras: essa radiação tem energia para arrancar pelo menos um elétron de um dos níveis de energia de um átomo do meio, por onde ela está se deslocando. Assim esse átomo deixa de ser neutro e passa a ter uma carga positiva, devido ao fato de que o número de prótons se torna maior que o de elétrons. O átomo neutro se torna um íon positivo.
A radiação ionizante pode ser classificada em dois grupos: aquela que tem carga elétrica associada e a neutra. Alguns tipos de radiação corpuscular como partículas alfa e beta, elétrons e prótons possuem carga, assim se referem ao primeiro grupo, já o nêutron é uma partícula sem carga e por este motivo se enquadra no segundo. Alguns tipos de radiação eletromagnética também são ionizantes, como os raios UV, X e gama, mas como não possuem carga também fazem parte da segunda categoria.
As diferenças entre cada tipo estão no método de produção, no poder de penetração e na interação com a matéria. Com relação a este último item podemos afirmar que as partículas eletricamente carregadas interagem diretamente com a matéria, produzindo ionização direta, já as partículas neutras e os fótons (não possuem carga e têm massa de repouso nula) das ondas eletromagnéticas provocam ionização indireta. Por exemplo, um nêutron, com uma determinada quantidade de energia, interage com o núcleo de um átomo do meio por onde passa, transferindo toda ou parte de sua energia.
O núcleo em recuo, por ser carregado, vai provocar os efeitos. Assim, o nêutron indiretamente provoca a ionização do material. Dessa forma ele pode ser considerado uma partícula ionizante. Pode acontecer de partículas não carregadas e ondas eletromagnéticas não interagirem com nenhum átomo do meio por onde se propagam. As partículas carregadas sempre vão interagir e perder energia gradativamente.
O poder de penetração da radiação ionizante está diretamente relacionado com a energia inicial que ela tem e com a interação que ela sofre durante seu movimento. Por exemplo, a partícula alfa possui duas cargas positivas, dessa forma ela perde energia para os átomos do meio muito rapidamente e isto implica em um alcance bem pequeno (no ar não ultrapassa alguns centímetros e no corpo humano chega somente à superfície da pele). Essa partícula também pode ser considerada pesada em comparação às demais, assim se movimenta em linha reta, e tem alto poder de ionização, ou seja, ela deposita grande quantidade de energia por centímetro que percorre (grande densidade de ionização).
A partícula beta tem apenas uma carga positiva e massa pequena, assim não se movimenta em linha reta e sua interação com a matéria é menor que a da alfa, resultando num alcance de aproximadamente 1 metro no ar. O poder de ionização da partícula beta é mais baixo do que o da alfa e sua densidade de ionização é baixa.
Como mencionado anteriormente os nêutrons são partículas eletricamente neutras, com isso seu poder de ionização é pequeno e mesmo ionizando o meio por onde estão se propagando seu poder de penetração é muito grande. Materiais ricos em hidrogênio como a água e a parafina servem como blindagem para os nêutrons.
Neste ponto você pode estar se perguntando: Se os nêutrons são freados por um elemento tão leve como o hidrogênio, por que eles têm alto poder de penetração? Isto ocorre porque o poder de penetração de uma partícula (ou radiação) está diretamente relacionado com a energia que ela perde quando se propaga por um material.
Através da força elétrica isso pode ocorrer mais facilmente, mas no caso dos nêutrons esta força não age, pois eles são neutros. Nesse caso a única forma de transmitirem sua energia é através de colisões. Se a colisão for elástica um nêutron consegue transferir parte de (ou toda) sua energia para um átomo e assim diminuir seu alcance.
Como a colisão elástica é favorecida quando os dois integrantes possuem massas muito parecidas, o átomo com melhor possibilidade de “parar” o nêutron será o hidrogênio (possui apenas um próton em seu núcleo). Dados da literatura mostram que são necessárias 18 colisões elásticas em um material composto de hidrogênio para diminuir significativamente a energia de um nêutron, já se o material for composto de oxigênio este número aumenta para 152, enquanto que podem ocorrer até 2.172 colisões se o material for composto de urânio.
A ionização que os fótons dos raios X e gama provocam na matéria é indireta, pois primeiro eles promovem a criação ou a aniquilação de elétrons ou de pósitrons, que por sua vez ionizam a matéria. Essa interação ocorre através de diferentes mecanismos, entre eles os efeitos fotoelétrico e Compton e a produção de pares.
Na Figura 02, vemos a representação dos tipos de radiação provenientes do decaimento radioativo de partículas.
Figura 02. Tipos de Radiação resultantes do decaimento radioativo.
2.1. Usos da Radiação Ionizante Natural
Como a radiação ionizante tem o poder de interagir com a matéria por onde passa, pode ser utilizada em diversas áreas, entre elas:
Na conservação de alimentos – hoje muitos alimentos são conservados através da incidência de radiação ionizante sobre eles. A conservação dos alimentos, através deste método, depende da intensidade da radiação. Quanto maior a intensidade, maior o tempo de duração do produto e menores os cuidados adicionais de conservação que devem ser tomados. Como exemplo podemos citar experiências em que produtos cárneos irradiados e devidamente acondicionados passam a ter prazo de validade indeterminado, mesmo sendo conservados em temperatura ambiente. Incidindo-se um valor menor de radiação sobre um alimento é possível reduzir sensivelmente o número de bactérias patogênicas. No caso de alimentos frescos a dose usada pode ser ainda menor, mesmo assim aumenta o tempo de maturação de frutas e verduras, auxiliando na distribuição dos mesmos; Este uso da radiação está exemplificado na Figura 03;
Na medicina nuclear – através de tratamentos terapêuticos, como a radioterapia, e na esterilização de materiais cirúrgicos (como luvas, seringas, etc.), eliminando bactérias por meio de radiação. Este método pode ser prejudicial para alguns materiais como o plástico, pois quando irradiado pode ter sua estrutura molecular modificada de modo que se torna quebradiço. A Figura 04 é um exemplo de como a radiação é usada na medicina.
Figura 04. Radioterapia é um tipo de tratamento que utiliza radiações ionizantes para atingir determinadas células, impedindo seu aumento ou causando sua destruição. Assim, é utilizada em tratamentos de cânceres, hemorragias, dentre outros.
Na medição da espessura e densidade de materiais, na medição de nível de líquidos e na detecção de fumaça – a primeira baseia-se no fato de que a radiação que atravessa o material pode perder energia ou sofrer espalhamento antes de ser detectada. Assim a quantidade de radiação que chega ao detector pode fornecer informações sobre a espessura e a densidade do material. A medição do nível de um líquido também utiliza radiação ionizante e um detector. Nos detectores de fumaça o princípio utilizado é parecido com o da determinação da espessura (veja Figura 05).
Figura 05. Detector de monóxido de carbono.
Figura 06. Forma esquemática de como funciona um reator nuclear.
3. Laboratório de Ionização Virtual (Laboratório de Física na Web)
Motivados pelo intuito de estabelecer um novo elo entre aluno e professor, fomos absorvidos pela idéia de que a Internet é um meio muito poderoso para alcançar as pessoas na sociedade atual. Percebe-se uma grande carência nas escolas no que se refere a laboratórios e equipamentos em geral. Quando vamos para área da radioatividade, esse assunto é muito pouco discutido no ensino médio. Disponibilizar um material via Web de qualidade e que faça o aluno compreender melhor tópicos relacionados a assuntos complexos como a radioatividade, pode trazer benefícios em curto prazo a todos. Esse material também pode se tornar útil para o Professor, como uma ferramenta auxiliar no ensino de determinado conteúdo.
Os alunos que se beneficiam com a aquisição de um novo meio de estudo, que estabelece com ele um vínculo de proximidade, já que o computador é manuseado com relativa facilidade pela maioria dos alunos de ensino médio. Além disso, a inclusão de desafios e a constante renovação dos tópicos ali discutidos fazem com que o aluno se interesse pelo assunto e traz uma nova dinâmica para a sala de aula. O professor por sua vez, terá que se utilizar deste artifício para conseguir complementar aquilo que falta de material ou de estrutura. De uma forma simples, se inclui um estudante em tópicos de extrema complexidade e que podem vir a ser um diferencial para esta pessoa em um futuro próximo.
Para demonstrar o que se é proposto vamos exemplificar como o site foi estruturado. Foram usados detectores de Radiação Ionizante Natural para ilustrar o conteúdo.
Dentro destes equipamentos é possível explicar diversos fenômenos físicos decorrentes do decaimento radioativo da matéria.
Ao ilustrar do que acontece no interior destes detectores, outros materias podem ser manipulados com a intenção de complemantar as informações.
3.1. Laboratório de Ionização Virtual – Detector Geiger-Müller
É um aparelho que mede a radiação emitida por uma fonte radioativa. Quando uma partícula carregada, como um raio alfa ou beta, raio gama, raios-X, entra no tubo do contador Geiger, estas podem atingir um ou mais dos átomos do gás argônio e neônio que se encontra dentro do tubo. Após esse processo de colisão alguns átomos são ionizados e os elétrons entram em movimento devido a um campo elétrico, e são atraídos por um filamento positivo que está dentro do aparelho. Ao atingir o filamento é criado um pulso de tensão. Esta variação provoca um deslocamento na escala do ponteiro que é referente à quantidade de radiação captada naquele momento. A Figura 07 ilustra o aparelho manual do Detector Geiger-Muller.
Figura 07. Imagem do Detector Geiger.
O modelo que foi construído para explicar esse e outros fenômenos mostra através de recursos de animação o que ocorre dentro do aparelho. Com essas animações acreditamos que os alunos conseguirão compreender o assunto de uma forma mais interativa e didática. Na Figura 08, será exemplificado o fenômeno da ionização, que acontece nos átomos de Argônio ou Neônio que preenchem o tubo que existe dentro do aparelho.
Figura 08. Animação que simula a ionizaçao dentro do tubo Geiger-Müller.
Além da simulação, o site oferece uma série de informações e links complementares que ajudam a compreender o fenômeno com mais clareza. Entre outras coisas, o aluno poderá: fazer um relatório com os dados obtidos no detector, explorar o assunto em outros sites, ter acesso a imagens e vídeos entre outros assuntos. Na Figura 09, mostramos a estrutura de tópicos relacionados ao detector Geiger.
3.2. Laboratório de Ionização Virtual – Detector de Decaimento Radioativo Gama.
O iodeto de sódio é um material que se pode apresentar na forma cristalina e que ao absorver radiações ionizantes emite fótons de cintilação. Contadores de cintilação são comumente usados para raios-X e raios gama. O nome sugere que o princípio de funcionamento para os contadores de cintilação não é baseado em ionização, mas com base na emissão de luz. Os pulsos de saída de um contador de cintilação são proporcionais à energia da radiação. Os aparelhos eletrônicos foram construídos, não só para detectar os pulsos, mas também para medir a altura do pulso. As medidas permitem-nos traçar a intensidade (número de pulsos) versus energia (altura do pulso), produzindo um espectro da fonte.
A explicação do que ocorre no interior do detector de decaimento radiotavio Gama é o seguinte: os Fótons encontram um iodeto de sódio (NaI) de cristal, que contém 0,5 mol por cento de iodeto de tálio (IST) como ativador, porque a emissão de um flash de luz curto comprimento de onda na faixa de 3300-5000 A (na região do ultravioleta). Os flashes de luz são detectados por um tubo fotomultiplicador, o que dá um pulso correspondente à intensidade de luz. Estes pulsos são medidos por um balcão multi-canal. Na Figura 10, fica demonstrado como é o aparelho de detecção de decaimento radioativo Gama.
Figura 10. Aparelho que detecta o decaimento radioativo do tipo Gama.
O aparelho é constituído basicamente por duas partes: um cristal de iodeto de Sódio e uma fotomultiplicadora. A explicação destes componentes foi feita através de animações que simulam esses componentes dentro do sistema para uma maior compreensão por parte de quem manipula o site. Essa representação está demonstrada na Figura 11.
Figura 11. Simulação da constituição do aparelho.
O nome do aparelho sugere que o princípio de funcionamento para os contadores de cintilação não é baseado em ionização, mas com base na emissão de fótons. Na Figura 12, podemos ver uma animação que demonstra o fenômeno físico que acontece dentro deste aparelho. O efeito fotoelétrico causado pelo fóton que incide no metal consiste basicamente, na emissão de elétrons induzida pela ação da luz.
Figura 12. Simulação que demonstra o efeito fotoelétrico. Quando uma radiação eletromagnética incide sobre a superfície de um metal, elétrons podem ser arrancados dessa superfície.
A fotomultiplicadora faz com que o sistema propague a radiação ionizante natural absorvida pelo cristal de Iodeto de Sódio. Diferente do Detector Geiger, este aparelho não tem um leitor integrado ao sistema, assim os dados coletados são enviados para um computador que produz um gráfico instantâneo da radiação presente no ambiente em determinado espaço de tempo. Na Figura 13, vemos a simulação desta detecção.
Figura 13. Gráfico feito pelo computador da radiação ionizante natural em determinado período de tempo.
4. Conclusão
A importância de criar e disponibilizar qualquer material didático de fácil compreensão e acesso é uma forma eficaz de estimular o aluno a estudar determinado assunto. Facilitar a compreensão de assuntos complexos através de animações e simulações de experimentos estimula mais os alunos e faz com que eles se perguntem o sentido das coisas. Para concetrizar esse modelo, precisamos aprender a usar a Internet como um meio eficaz de comunicação entre os professores e os alunos. Ela interage com as pessoas e em particular com os alunos, de uma forma que o professor em sala de aula ainda não conseguiu. Fazer dela um meio de explicação para alguns assuntos é de fundamental importância no desenvolvimento do estudante na sua vida acadêmica. O aluno que compreende se torna um ser humano mais completo e dotado de cultura. A preocupação com o ensino é que faz a sociedade melhorar.
5. Agradecimentos
Quero agradecer ao ITA pela oportunidade que me deu de ingressar neste programa de Iniciação Científica. Ao Professor Inácio Malmonge Martin, que me estimulou a estudar e sempre acreditou na minha capacidade, além de fornecer todo o material utilizado para esta pesquisa. Ao Professor Silvério, que me ensinou o valor do ensino e do estudo e me mostrou o quão importante e gratificante isso pode ser para as nossas vidas. Ao Professor Massi, que coordena todo este projeto e nos ajuda a entender melhor as dificuldades e percalços pelas quais passamos. Ao meu pai José Walki, que com sua paciência e generosidade me encaminhou para o caminho do estudo e me guiou até aqui À minha namorada Ana Paula, que me ensinou o valor do estudo e esteve me apoiando por todo esse tempo. A todos os meus amigos que compreenderam a minha ausência em diversos momentos e me estimularam a continuar. A todos os meus professores que de alguma forma me ajudaram a chegar aqui, em especial o Professor Sam, que foi um segundo pai e uma pessoa que me estimulou a melhorar sempre. Ao CNPq, que ajuda os alunos a desenvolver os seus potenciais e estimula a pesquisa neste país.
[1] ABDALLA, M.C.B. O discreto charme das partículas elementares. São Paulo: Editora Unesp, 2006.
[2] Blog do professor Carlos <http://www.professorcarlos.com/2008/09/para-apreciar-festa-do-lhc.html>. Acesso em 25/09/2010.
[3] DAHL, P. F. Flash of the Cathode Rays: A History of JJ Thomson's Electron. Bristol: Institute of Physics Publishing. 1997.
[4] FEYNMAN, R. P. Física em seis lições. Rio de Janeiro: Ediouro. 1999.
[5] LOPES, J. L. Uma história da física no Brasil. São Paulo: Editora Lavraria da Física. 2004.
[6] LOVATI, F. Para onde vai a física de partículas. Disponível em <http://cienciahoje.uol.com.br/45255>. Acesso em 27/05/2011.
