CONSTRUÇÃO DE UM ELETROSCÓPIO PARA DETECÇÃO DE RADIAÇÃO IONIZANTE E USO NO ENSINO DE FÍSICA NUCLEAR

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CONSTRUÇÃO DE UM ELETROSCÓPIO PARA DETECÇÃO DE RADIAÇÃO IONIZANTE E USO NO ENSINO DE FÍSICA NUCLEAR

Layara Baltokoski Boch – l.baltokoski@gmail.com

Universidade Estadual do Centro-Oeste, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências Naturais e Matemática, PPGEN.

Rua José Vicentim, 384 – Primavera. CEP 85050-240.

Guarapuava – Paraná

Rodrigo Oliveira Bastos – bastosrodrigoo@yahoo.com.br Universidade Estadual do Centro-Oeste, Departamento de Física.

Guarapuava – Paraná

Resumo: Atualmente, no Brasil, a física nuclear é dificilmente trabalhada com alunos de ensino médio, sendo um dos motivos a pouca difusão de materiais didáticos que tratam o tema. Atividades experimentais dessa área são de difícil acesso pois normalmente utilizam uma fonte de radiação ionizante, cuja liberação para uso é altamente burocrática, e um detector, normalmente de custo elevado, que deve ser sensível à fonte. O objetivo deste trabalho foi a construção de um eletroscópio acoplado a uma câmara de ionização que seja eficiente para medir a radioatividade de camisinhas de lampião que contenham Tório. O aparato experimental utiliza materiais de baixo custo e de fácil acesso, e é baseado nos experimentos sobre a radioatividade do início do século XX realizados por grandes cientistas da época, como Marie Curie e Henri Becquerel. Uma série de medidas foi realizada com o eletroscópio construído que apresentou eficiência suficiente para detectar a radioatividade das camisinhas de lampião. Eletroscópios similares podem ser usados no desenvolvimento de práticas experimentais para o ensino de física nuclear em todos os níveis de ensino.

Palavras-chave: física nuclear, eletroscópio, instrumentação nuclear, ensino de física.

1 INTRODUÇÃO

O mais antigo eletroscópio conhecido foi o "versorium", proposto por Gilbert por volta de 1600, composto de uma agulha num pivô, que parece com uma bússola. Segundo Medeiros (2004), depois de um longo tempo foi inventado por Francis Hauksbee, em 1705, um eletroscópio que consistia de vários pedaços de linha suspensos, lado a lado, na extremidade de uma barra cilíndrica de vidro ou na superfície interior de uma esfera oca, igualmente de vidro, tal que as linhas ficavam penduradas para baixo com suas extremidades afastadas, aproximadamente, uma polegada do vidro. Quando o vidro era eletrizado por atrito, as linhas reordenavam-se passando todas a apontarem radialmente em direção ao mesmo. Já Stephen Gray, segundo Medeiros (2004), utilizou, já por volta de 1740, um par de linhas de seda ou um par de penas, para avaliar, através da variação angular entre elas, as intensidades das eletrizações produzidas. Em 1746, Jean Nollet, desenvolveu um eletroscópio parecido com o

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de Gray, que consistia em dois fios suspensos a partir de um mesmo ponto e que formavam entre si um determinado ângulo ao serem carregados (MEDEIROS 2004). Nollet, logo depois, acrescentou em seu modelo uma espécie de transferidor e um sistema ótico de projeção, produzindo, assim, o primeiro eletrômetro, como é conhecido atualmente (MEDEIROS 2004). No final do século XVIII, Abraham Bennet inventou então o “eletroscópio de folhas de ouro”, que foi aperfeiçoado por William Hasledine Pepys, se tornando o mais preciso detector de eletricidade disponível na época, dando um enorme impulso nas pesquisas sobre a eletricidade (MEDEIROS 2004).

Um século depois da invenção do eletroscópio de folha de ouro, o mesmo desempenhou um grande papel na descoberta da radioatividade e nos estudos posteriores envolvendo a medição de radiações ionizantes. Segundo Flakus (1981), Antoine H. Becquerel em suas pesquisas sobre radioatividade descobriu que a radiação emitida por alguns materiais era capaz de descarregar um eletroscópio. Marie Curie percebeu então que o eletroscópio poderia ser usado para a medição da intensidade de radiação ionizante. Utilizando a descoberta de Becquerel, adaptou um eletroscópio do laboratório de seu marido a uma câmara de ionização obtendo resultados satisfatórios na medida da corrente de ionização. A cientista descobriu que a intensidade dos raios era proporcional a quantidade de urânio na amostra. Logo após descobriu os elementos polônio e rádio. Em 1903, o casal Curie e Becquerel receberam o Prêmio Nobel por seus trabalhos relacionados à radioatividade (FLAKUS, 1981).

O eletroscópio possui uma aparência e um funcionamento relativamente simples, sendo também de fácil manuseio. Uma prática desenvolvida em sala de aula utilizando tal instrumento abre inúmeras possibilidades conceituais a serem discutidas. Como relatado, na história da física nuclear, o eletroscópio desempenhou um papel importante, sendo um dos instrumentos mais utilizados na detecção e medição da radioatividade. O aparato experimental utilizado pelos grandes cientistas da época pode ser reconstruído com materiais simples e de baixo custo, e pode ser utilizado como instrumento de ensino de física nuclear.

Atualmente, a Física Nuclear, mesmo sendo um dos conteúdos estruturantes de Física Moderna, dificilmente é trabalhada em sala com alunos de ensino médio. Um dos motivos para isso é justamente a falta de material didático. Atividades experimentais dessa área são de difícil acesso, pois normalmente utilizam uma fonte de radiação ionizante, cuja liberação para uso é altamente burocrática, e um detector, normalmente de custo elevado, que deve ser sensível à fonte.

O objetivo deste trabalho foi a construção de um eletroscópio acoplado a uma câmara de ionização que seja eficiente para medir a radioatividade de camisinhas de lampião que contenham Tório. O aparato experimental utiliza materiais de baixo custo e de fácil acesso e é baseado nos experimentos sobre a radioatividade do início do século XX realizados por grandes cientistas da época, como Marie Curie e Henri Becquerel.

2 MÉTODOS

A proposta consiste na construção e caracterização de um eletroscópio conectado a uma câmara de ionização sensível a uma fonte de radiação ionizante de baixa atividade, camisinhas de lampião que contém uma pequena quantidade de Tório.

O funcionamento da câmara de ionização é baseado na ionização do gás contido na câmara efetuada pela fonte de radiação. Os íons gerados no gás são atraídos pelos eletrodos do eletroscópio quando está carregado, produzindo uma corrente responsável por descarregar o eletroscópio. Quando esse fenômeno ocorre, é possível observar a folha do eletroscópio descendo com uma velocidade proporcional à corrente de ionização. Como a ionização do gás no interior da câmara é proporcional à radioatividade da fonte, a velocidade da folha do eletroscópio fornece uma medida da radioatividade da fonte.

O eletroscópio é composto por um recipiente condutor, com uma folha de algum material metálico flexível de dimensões de aproximadamente 0,5 x 4,5 cm, ligada em uma placa

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suporte e liga o eletroscópio à câmara de ionização. O contato deste fio com o recipiente condutor deve ser devidamente isolado. As figuras 1 e 2 mostram o esquema do aparato experimental proposto.

Figura 1. a) Placa rígida de metal; b) Folha condutora flexível; c) Suporte isolante; d) Fio me- tálico; e) Frente do eletroscópio, por onde é visualizada a inclinação da folha flexível.; f) Re-

cipiente condutor cilíndrico; g) Janela da câmara de ionização (malha metálica).

Fonte: Elaborada pela autora (2016).

Figura 2. Esquema da vista superior do eletroscópio. a) Folha condutora flexível.

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2.1. Materiais Utilizados

O eletroscópio por sua simplicidade pode ser construído com diversos materiais, mas alguns cuidados devem ser tomados para que funcione corretamente. Os materiais utilizados na construção aqui proposta são: duas latas vazias de 200 g; 20 cm de fio de cobre rígido de 1 ou 2 mm de diâmetro; tela metálica; sacola plástica metalizada, utilizada na embalagem de presentes; miçanga de 0,5 cm de diâmetro; cola instantânea; lupa para facilitar a visualização;

10 cm de fio maleável de diâmetro 1,5 mm ou menor; fita adesiva; papel alumínio de tampa de embalagem de marmita; fita isolante; alicate; folha sulfite branca; uma escala milimétrica impressa; plástico filme; e algumas camisinhas de lampião, utilizadas como fonte de radiação.

2.2. Procedimento de Montagem

Em uma das latas, furou-se o fundo, o suficiente para que a miçanga encaixe. Colou-se com cola instantânea a miçanga no furo da lata para isolar o fio de cobre, que posteriormente foi passado por dentro da miçanga e também colado. Um círculo de papel sulfite branco foi recortado do tamanho do fundo da lata, onde foi colocado para facilitar a visualização da folha flexível do eletroscópio. Nesse papel, foram feitos, à caneta, algumas marcações em formato de cruz para servirem de referência durante as medidas, com o intuito de diminuir o erro de paralaxe.

A outra lata foi encaixada no fundo da primeira, e presa com fita isolante como mostra a figura 3. A segunda lata é a câmara de ionização. Foi retirado o fundo da segunda lata e e foi colocada a tela metálica, para que seja possível a penetração das partículas alfa das camisinhas de lampião na câmara de ionização. A figura 5 mostra a câmara de ionização.

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Figura 3. Foto da parte externa do aparato experimental. a) A lata superior é o eletroscópio, isolado por plástico filme, com o fio condutor flexível amarelo utilizado para carregar o eletroscópio. b) A lata inferior presa ao eletroscópio com fita isolante é a câmara de ionização.

Uma das extremidades do fio de cobre rígido, utilizando um alicate, foi modelada em formato de gancho. O fio foi cortado do tamanho que não tocasse a tela no fundo da câmara de ionização, e a parte do gancho ficasse dentro da primeira lata. A figura 4 mostra o interior da lata utilizada para o eletroscópio. Com a tampa da embalagem de marmita foi feito uma placa de alumínio rígida dobrando-a algumas vezes, e prendendo as dobras com fita adesiva transparente. A placa foi presa no gancho também com fita, como mostra a figura 4. A folha flexível do eletroscópio foi cortada da embalagem de presente metalizada, e presa, também com um pequeno pedaço de fita adesiva (0,5 por 0,5 cm), na placa rígida, conforme mostrado na figura 4.

Figura 4. Fotos da parte interior do eletroscópio. a) Fio condutor em formato de gancho, que conecta o eletroscópio à câmara. b) Placa de alumínio rígida, feita com a tampa da embalagem

de marmita. c) Fio maleável, utilizado para carregar o eletroscópio. d) Folha do eletroscópio, feita com sacola plástica metalizada. e) Miçanga, colada entre a lata e fio de cobre, com a fun-

ção de isolar o fio da lata. f) Folha sulfite branca, colada no fundo do eletroscópio, com as marcações feitas a caneta, utilizadas como referência durante as medidas de velocidade da fo-

lha do eletroscópio.

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Figura 5. Foto da câmara de ionização. a) Fio de cobre b) Miçanga, colada entre a lata e fio de cobre, com a função de isolar o fio da lata. c) Janela da câmara de ionização (malha metálica).

Passou-se o plástico filme fechando o eletroscópio. Em seguida, com a fita adesiva transparente colocou-se a escala milimétrica no plástico, para analisar a queda da folha. O fio maleável foi passado pelo plástico, e moldado para que fosse possível ser encostado na placa, para carregar o eletroscópio, e em seguida afastado. A figura 6 mostra o equipamento finalizado.

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Figura 6. Vista frontal do eletroscópio, colocado sobre uma terceira lata utilizada como suporte do conjunto.

3 RESULTADOS

A escala milimétrica contém o zero no centro e 25 mm para os dois lados do zero, podendo ser observada na figura 6. A folha do eletroscópio pode ser observada com o auxílio de uma lupa.

A posição inicial da folha deste eletroscópio, quando o mesmo está descarregado, é 9 mm. Quando carregado a folha marca a posição 1 mm. Em seguida mediu-se a velocidade de fundo, ou seja, a velocidade de queda da folha sem a exposição da câmara às camisinhas de lampião. A queda da folha neste caso é devido tanto à corrente de fuga do eletroscópio quanto à radiação de fundo do laboratório captada pela câmara de ionização. No intervalo de 2 mm a 3 mm a velocidade do fundo medida foi relativamente alta (0,20 + 0,08 mm/min), mostrando que o eletroscópio apresenta uma corrente de fuga muito alta nesta faixa da escala. No resto da escala a velocidade de fundo considerada foi a medida no intervalo de 3 a 4 mm, cujo valor foi de 0,01 + 0,003 mm/min.

A parte da escala utilizada para as medidas das camisinhas de lampião foi a faixa intermediária, do 3 mm ao 7 mm. Carregando o eletroscópio novamente e expondo três camisinhas à janela da câmara de ionização, foi cronometrado o tempo de queda da folha quando a mesma percorria cada intervalo de 1 milímetro da escala. A tabela 1 mostra as velocidades medidas subtraídas da velocidade de fundo. Esta velocidade seria correspondente apenas à radiação ionizante proveniente das camisinhas.

Tabela 1. Dados coletados com o experimento proposto. Na tabela consta a velocidade de queda da folha do eletroscópio dos respectivos intervalos, já subtraído o fundo.

Intervalo (mm) Velocidade (mm/min)

3 a 4 0,22+0,04

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4 a 5 0,17+0,03

5 a 6 0,18+0,03

6 a 7 0,18+0,03

Os dados da tabela 1 mostram que as velocidades de queda da folha, na presença da fonte radioativa, para cada intervalo da escala utilizada, são significativamente diferentes da velocidade de fundo. É evidente que o equipamento construído é sensível à fonte radioativa utilizada, sendo possível utilizar o mesmo para a detecção de corrente de ionização gerada pelas três camisinhas de lampião. Como os materiais utilizados no experimento são simples, de fácil acesso e de baixo custo, é viável a sua utilização em sala de aula para o ensino de física nuclear.

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O ensino de física nuclear enfrenta várias barreiras para ser inserido na sala de aula , sendo uma delas a experimentação. Normalmente experimentos de física nuclear para o ensino exigem o uso de um detector que deve ser sensível o suficiente para medir fontes de radiação com baixa atividade, que possam ser utilizadas em sala de aula sem maiores complicações.

Na história da física nuclear o eletroscópio desempenhou um papel extremamente importante. Sendo um dos principais equipamentos utilizados por Marie Curie e Becquerel, quando foram laureados com o Prêmio Nobel. O eletroscópio tem funcionamento simples e é de fácil manuseio, sendo vantajosa a implementação de práticas que envolvem seu uso em sala.

Neste trabalho foi apresentada uma proposta experimental inspirada nos experimentos realizados por grandes cientistas da área de física nuclear. O aparato experimental construído é composto por uma câmara de ionização conectada a um eletroscópio de folha de plástico metalizado. Foram medidas as velocidades de queda da folha do eletroscópio com e sem a presença da fonte de radiação. Os dados mostraram que o eletroscópio conectado à câmara de ionização é sensível à fonte de radiação utilizada. Pode-se concluir que o experimento pode ser usado eficazmente em práticas de ensino de física nuclear.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

MEDEIROS, A. As Origens Históricas do Eletroscópio. Revista Brasileira de Ensino de Física. São Paulo. v.24, n. 3, 2004.

FLAKUS, F. N. Detection and measuring ionizing radiation – a short history. IAEA Bulletin.

V. 23, n.4, 1981.

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CONSTRUCTION OF AN ELECTROSCOPE COUPLED WITH AN IONIZATION CHAMBER AND ITS USE IN NUCLEAR PHYSICS

EDUCATION

Abstract: Nowadays, in Brazil, nuclear physics is rarely taught to high school students, partially because the limited widespread of educational materials on the subject. The implementation of an experimental activity on this theme may face huge difficulties because, generally, they use a source of ionizing radiation, for which use permission licenses are highly bureaucratic in Brazil, and a sensitive detector, that is very expensive in the Brazilian market. The goal of the present work was the construction of an electroscope coupled with an ionization chamber effective for measuring the radioactivity of lantern mantles containing a small amount of Thorium. The experimental apparatus uses low cost materials of easy access, and is based on the early XX century experimental activities on radioactivity performed by great scientists, such as Marie Curie and Henri Becquerel. A series of measurements was accomplished with the built electroscope that showed enough efficiency to detect the radioactivity of the lantern mantles. Similar electroscopes can be used in the development of experimental practices for all the levels of physics education.

Keywords: nuclear physics, electroscope, nuclear instrumentation, physics education.