PARTÍCULAS ELEMENTARES

A TRANSPOSIÇÃO DAS TEORIAS

MODERNAS E CONTEMPORÂNEAS

PARA O ENSINO MÉDIO

2

A Transposição das Teorias Modernas e

Contemporâneas para a Sala de Aula:

Partículas Elementares

Laboratório de Pesquisa em Ensino de Física da

Faculdade de Educação da USP

Sumário

BLOCOS Pág.

Bloco I – Raios-x e outras radiações... 4

Bloco II – Ordem de grandeza e modelos atômicos... 36

Bloco III – Interação forte e os quarks... 61

Bloco IV – A interação fraca... 91

Bloco V – Partículas e antipartículas... 100

Bloco VI – Campos quantizados... 115

Bloco VII – A família das partículas... 122

4

BLOCO I - RAIOS-X E OUTRAS RADIAÇÕES

Iniciamos o nosso estudo da Física de Partículas Elementares pelo estudo e compreensão das radiações e da radioatividade.

1. Objetivos gerais:

 Estimular a curiosidade para o estudo de física de partículas.

 Compreender através dos desenvolvimentos históricos os raios X e as radiações ,  e .  Entender a natureza das radiações (ou ondas) eletromagnéticas e suas principais características.

2. Conteúdo Físico

 A descoberta dos raios X, sua produção e aplicações.  A descoberta da radioatividade.

 Radiações eletromagnéticas: produção e propagação.  Radiações ,  e .

3. Leitura complementar

As leituras indicadas servem para um conhecimento mais profundo e detalhado dos conceitos tratados neste bloco. Assim, caso seja possível, leia algumas dessas referências antes de iniciar as aulas.

 HEWITT, Paul. Física Conceitual. 9ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.

 MENEZES, Luis Carlos de. A matéria uma aventura do espírito: fundamentos e fronteiras do conhecimento físico. São Paulo: Livraria da Física, 2005.

 SEGRÉ, E. Dos raios X aos Quarks. Físicos Modernos e suas Descobertas. Universidade de Brasília, Brasília, 1982.

 VARELA, João. O século dos quantas. Lisboa: Gradiva, nov 96.

 TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física Moderna. 3ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.

4. Quadro Sintético

ATIVIDADES MOMENTOS COMENTÁRIOS TEMPO

ESTIMADO

1. Analisando Radiografias.

Propor e explicar o conteúdo do curso.

A atividade motivacional e introdutória aos assuntos que serão abordados.

2 aulas Alunos respondem questionário inicial.

Atividade 1 – Analisando Radiografias. Questionário sobre a experiência.

Discussão sobre a descoberta dos raios X, sua natureza na época desconhecida e suas aplicações. Sistematização e respostas às perguntas do texto.

Texto “Vendo através da pele: a descoberta dos raios X”

Correção e discussão das questões do texto.

2. Papel fotográfico.

Atividade 2 – “Raios–X” com papel

fotográfico. Analogia para explicar o

princípio da radiografia

2 aulas Discussão sobre as respostas do roteiro

Discussão e sistematização geral sobre os aspectos do raios-X

Dar orientação para realização da pesquisa Sistematização dos raios-X com a

radioatividade

Texto “A descoberta da radioatividade”. Leitura e resposta das questões do texto

Correção e discussão sobre as questões do texto

3.

Demonstração investigativa sobre campos.

Demonstração investigativa sobre campos. Atividade 3 (parte 1) com pêndulos.

Um estudo sobre a natureza dos campos e a transferência de informação.

2 aulas Demonstração investigativa sobre campos.

Atividade 3 (parte 2) com celulares e papel alumínio.

Sistematização da atividade e do conceito discutido

Leitura e resposta das questões proposta no texto.

Texto: “Aspectos do campo elétrico e magnético”. Correção e discussão das questões do texto.

Considerações finais.

4. Estudo sobre raios ,  e 

Retomada das discussões sobre os raios-X e a radioatividade para discutir as radiações.

Texto: "Entra em cena uma nova figura: Ernest Rutherford".

1 aula Leitura e resposta das questões do texto.

Correção e sistematização das questões do texto.

5. Vídeo: "A descoberta da radioatividade”.

Vídeo: "A descoberta da radioatividade”. É recomendável que se _{tenha em vista a ordem} cronológica da construção da ciência.

1 aula Sistematização dos conceitos estudados até

aqui

6 5. Descrição aula-a-aula

AULA 1

Tema: descoberta dos raios X.

Objetivo: sensibilizar e motivar os alunos para o estudo da física de partículas e dos raios X, através da análise de um efeito dos raios X: a radiografia.

Conteúdo Físico: concepções prévias sobre física de partículas e raios X. Recursos Instrucionais:

 Questionário inicial  Roteiro da atividade 1;  Radiografias diversas;

Motivação: curiosidade sobre as radiografias e as chapas radiográficas. Momentos: 1 º M o mento

Apresentação geral da proposta de curso para sala. Entrega do questionário individual: Questionário Inicial.

Tempo para os alunos responderem. O professor deve enfatizar que a proposta dessa atividade é verificar o que os alunos sabem sobre essa área de conhecimento, instigar sua curiosidade sem nenhuma finalidade avaliativa, pois os alunos costumam apresentar uma preocupação enorme com a nota.

Tempo:  15 min 2 º M o mento

Propor a atividade 1: enquanto entrega as radiografias e o roteiro da atividade, separe os alunos em grupos de aproximadamente 5 alunos, de modo que eles discutam as questões propostas no roteiro.

Tempo:  20 min 3 º M o mento

Discussão sobre as questões: Instigue os alunos a falarem sobre as questões, desta forma a discussão será mais interativa. Mas procure encaminhá-la para o processo de produção, detecção, a natureza dos raios-X e sobre as radiografias.

Tempo:  15 min

Sugestão: Caso as aulas não sejam no mesmo dia e o professor perceba a dificuldade, por parte dos alunos em formarem os grupos, pode optar por realizar a atividade com o papel fotográfico. Aproveitando que os grupos já estão formados evita-se um gasto de tempo extra para organização dos grupos novamente na 2ª aula. Nesse caso as questões devem ser trabalhadas pelos grupos na aula seguinte.

Você pode pedir aos alunos uma pesquisa de campo com médicos, centros de radiologia e profissionais da área.

urânio e césio, peça para que aguardem “as cenas dos próximos capítulos”. Lembre-se de comentar com os alunos sobre a utilização do chumbo na proteção contra a ação dos raios X.

Faça uma breve sistematização dos conceitos discutidos, focando a parte histórica e a parte física dos raios-X.

Fotos:

8

Atividade 1 – Analisando as radiografias

Objetivo: Estimular a discussão sobre os raios X, sua produção e a produção das radiografias.

Esta atividade servirá para introdução ao estudo das radiações, a começar pelos raios X, sendo uma atividade que provavelmente já tenha desafiado a curiosidade de alguns.

Roteiro

Formem grupos com 4 alunos e formule sínteses das discussões, baseando-se nas orientações abaixo.

1ª Orientação

Discuta com seus colegas, como se realiza um exame de raios X: Quanto tempo demora a realização do exame? Como é a sala em que fica o equipamento? É necessário tirar a roupa, ao se fazer um exame de raios X? Há algum barulho característico, ao se realizar o exame? Alguém acompanha o paciente, durante o exame, na mesma sala? Como são as paredes da sala? etc.

2ª Orientação

Observe as radiografias apresentadas por seu professor e identifique as partes do corpo correspondentes às regiões claras e escuras nas radiografias, as doenças, as fraturas, os cistos, o membro radiografado, se há algum corpo estranho, a faixa cronológica da pessoa radiografada, o sexo, etc.

Agora tente responder as seguintes questões:

1) Qual foi a radiografia que chamou mais sua atenção? Por que?

2) Por que se têm regiões mais claras e mais escuras?

3) Por que algumas radiografias apresentam melhor nitidez?

4) Como são produzidos os Raios X?

AULA 2

Tema: descoberta dos raios X.

Objetivo: discutir sobre a descoberta, a produção e a utilização atual dos raios X e da radioatividade. Conteúdo Físico: raios X.

Recursos Instrucionais:

 Discussão entre professor e alunos baseada no texto "vendo através da pele: a descoberta dos raios X" ;  Aula expositiva;

 Algumas radiografias.

Motivação: curiosidade em compreender as respostas das questões levantadas na aula anterior. Momentos: 1 º M o mento

Retomada das discussões da aula anterior para sistematização do conceito.

Os alunos retomam os grupos da aula anterior para que possa ser feita a leitura do texto; “Vendo através da

pele: a descoberta dos raios-X”. Respondendo as questões propostas no texto.

Tempo:  30 min 2 º M o mento

Discussão e correção das questões proposta no texto.

Tempo:  20 min

Sugestões: O professor pode explorar os efeitos biológicos dos raios X. Aproveitando a atenção dos alunos, explique como eram complicados os exames antigamente.

10 AULA 3

Tema: descoberta dos raios X.

Objetivo: discutir sobre a descoberta, a produção e a utilização atual dos raios X e da radioatividade. Conteúdo Físico: raios X.

Recursos Instrucionais:  Roteiro da atividade 2;  Papel fotográfico;

 Alguns objetos opacos, transparentes e translúcidos como, caneta, régua, borracha, celular e outros objetos de fácil acesso.

Motivação: compreender o processo dos raios-X e das radiografias.. Momentos: 1 º M o mento

Propor a atividade 2: peça aos alunos que sentem em grupos e peguem objetos diversos. Entregue a eles o papel fotográfico e peça para que coloquem os objetos sobre o papel.

Tempo:  10 min 2º M o mento

Sistematização da atividade. Fazendo uma analogia com os raios-X.

Tempo:  20 min 3 º M o mento

Sistematização geral, sobre o que foi discutido sobre os raios-X.

Tempo:  20 min

Sugestões: O professor pode explorar os efeitos biológicos dos raios X. Aproveitando a atenção dos alunos, explique como eram complicados os exames antigamente. O tempo necessário para a exposição do papel fotográfico que sugerimos ser de 5 min.

12

Atividade 2 – “Raio-X” com papel fotográfico

Objetivo: compreender a formação das imagens em chapas radiográficas, por analogia, a imagens registradas em papel fotográfico.

Roteiro

Formem pequenos grupos (máximo 5 alunos).

Escolha alguns materiais transparentes, translúcidos e opacos. O professor lhe fornecerá papel fotográfico, que é sensível à luz.

Coloque os materiais que você selecionou sobre o papel e deixe exposto à iluminação por cerca de cinco minutos.

Decorridos os cinco minutos, retire os materiais que estão sobre o papel fotográfico e responda:

1) Todos os contornos das imagens formadas no papel fotográfico têm a mesma nitidez? Quais apresentam melhor nitidez? Por quê?

2) Há diferença nas imagens formadas pelos materiais transparentes, translúcidos e opacos? Justifique sua resposta.

3) Como se formaram as regiões claras e escuras no papel fotográfico?

4) Como se formam as regiões claras e escuras em uma radiografia?

AULA 4

Tema: descoberta dos raios X e radioatividade.

Objetivo: formalizar, aplicar e ampliar os conhecimentos adquiridos. Conteúdo Físico: raios X e radioatividade.

Recursos Instrucionais:

 Texto "A descoberta da radioatividade".  Aula expositiva;

Motivação: verificação da aprendizagem. Momentos: 1 º M o mento

Retomada da discussão da aula anterior; fazendo uma conexão entre a descoberta dos raios-X com as descobertas de Becquerel e do casal Curie sobre a radioatividade.

Tempo:  10 min 2 º M o mento

Sistematização sobre as descobertas.

Leitura e respondas as questões do texto “A descoberta da radioatividade” em grupo de no máximo cinco (5). Tempo:  20 min 3 º M o mento

Discussão, em forma de correção, sobre as questões.

Tempo:  15 min 4 º M o mento

Pedir pesquisa para casa sobre material fosforescente e fluorescente. Comentários finais.

Tempo:  5 min

Sugestões: Pode aproveitar esse momento para falar um pouco sobre a energia nuclear e os acidentes com usinas nucleares como Chenorbyl e o acidente de Goiânia.

14 AULA 5

Tema: campo elétrico e campo magnético

Objetivo: compreender a natureza dos campos elétricos e magnéticos, mostrando que eles estão associados a cargas e imãs e que apesar de não vê-los, eles estão ao nosso redor.

Conteúdo Físico: existência do campo elétrico e magnético; campo elétrico nulo em metais (atividade do celular). Recursos Instrucionais:

 Roteiro da atividade 3;

 Texto: "Aspectos do campo elétrico e magnético”;

Motivação: compreender a natureza dos campos elétricos e magnéticos e suas aplicações em comunicações em contraposição à absorção pelo chumbo, discutida nas atividades 1 e 2.

Momentos: 1 º M o mento

Breve comentário a respeito da pesquisa sobre material fosforescente e fluorescente.

Realização da atividade 3 (1ª parte): “A percepção de campos e de sua natureza”. Realização da atividade de demonstração investigativa com pêndulos para discussão sobre campos: gravitacional, elétrico e magnético. Explicação geral destacando a idéia de campo e transferência de energia, e a idéia de que os campos estão associados a massa, carga elétrica e ao imã.

Tempo:  20 min 2 º M o mento

Realização da atividade 3 (2ª parte): “A percepção de campos e de sua natureza”. Realização da atividade de demonstração com celular ou rádio, mostrando a blindagem à ondas eletromagnéticas.

Tempo:  20 min 3 º M o mento

Sistematização das atividades e dos conceitos discutidos

Tempo:  10 min

Dinâmica da Aula: depois de ter discutido a descoberta da radioatividade e dos raios X, aparece o termo radiação

eletromagnética, sendo necessário explicar do que se trata. Inicia-se então, a aula mostrando e discutindo como que

alguns aparelhos como celular e rádio, recebem as “chamadas” e a transmissão da emissora. A partir dessa atividade, discutir o que são os campos elétricos e magnéticos, mostrando o que esta associado a cada um deles. Tomar as devidas precauções com a palavra “gera” na introdução do conceito de campo. Campo elétrico e carga estão ligados intrinsecamente.

Obs.: Caso a escola não permita a entrada de celular nas salas, o professor pode pedir aos alunos que realizem a atividade em casa, deixando para realizar a atividade com o rádio.

Atividade 3 – A percepção de campos e de sua natureza

Objetivo: compreender a distinção entre a natureza dos campos e algumas propriedades.

Roteiro

Sobre a mesa há três pêndulos semelhantes. Em um deles a esfera é de isopor, em outro, no interior da esfera de isopor há um pedaço de clipes e no último, no interior, há um ímã.

Você deve completar a tabela abaixo anotando suas observações, se ocorre atração, repulsão, ou se não ocorre

nada, ao aproximar de cada uma das esferas dos pêndulos, os seguintes corpos:

a) um canudinho;

b) um canudinho eletrizado. Eletriza-se um canudinho atritando-o com uma toalha de papel; c) um ímã.

A fim de identificar a repulsão, realize uma atividade preliminar: Abandone um ímã sobre uma mesa e tente aproximar um segundo ímã pelos pólos de mesmo nome. Note que o primeiro ímã irá girar e ser atraído pelo segundo ímã. Assim um giro seguido de uma atração, deve ser interpretado como a ocorrência de uma repulsão.

Pêndulo 1 Pêndulo 2 Pêndulo 3

Canudinho

Canudinho eletrizado Imã

Responda:

1) Qual pêndulo tem um pedaço de clipes no interior? 2) E qual pêndulo tem um ímã no interior?

3) Qual pêndulo é somente de isopor?

Questões:

1) Haveria diferença se fosse utilizado um ímã “mais intenso”? O que leva a informação ao pêndulo sobre a intensidade do ímã?

2) Como o pêndulo “sabe” o lado pelo qual ocorre à aproximação dos corpos?

16 2ª parte.

Objetivo: compreender a possibilidade de impedimento da ação das ondas eletromagnéticas.

Utilize dois telefones celulares e uma folha de papel alumínio.

Um aluno deve utilizar um aparelho e discar para um aparelho receptor. Não é necessário atender. Observe o tempo que a informação leva para chegar ao aparelho receptor.

Embrulhe o aparelho receptor com papel alumínio e refaça a ligação. Caso o aparelho receptor não toque, refaça a ligação.

Se possível, utilize um aparelho com viva voz para fazer as ligações, a fim de que se evidencie claramente se o sinal está ou não chegando ao aparelho receptor.

Questões

1) Houve alguma diferença nas chamadas e recepções, realizadas com os aparelhos celulares?

2) Qual a natureza das informações propagadas?

3) Se o celular fosse embrulhado em um papelão, o efeito seria o mesmo?

AULA 6 Tema: campo elétrico e campo magnético

Objetivo: compreender a natureza dos campos elétricos e magnéticos, entendendo a radiação eletromagnética. Conteúdo Físico: campo elétrico e magnético; ondas eletromagnéticas; transporte de energia e informação nas ondas eletromagnéticas.

Recursos Instrucionais:

 Texto: "Aspectos do campo elétrico e magnético”;  Aula expositiva;

Motivação: Compreender a natureza das ondas eletromagnéticas, sejam ondas de radio ou raios X. Momentos: 1 º M o mento

Leitura e resposta das questões do texto: “Aspectos do campo elétrico e magnético”

Tempo:  25 min 2 º M o mento

Correção e discussão sobre as questões do texto. Tempo:  15 min 3 º M o mento

Considerações finais retomando as idéias apresentadas desde a atividade com celular até questões trabalhadas pelos alunos.

Tempo:  10 min

Sugestão: Caso o professor queira mais material sobre campo e ondas eletromagnéticas, pode encontrar mais informações e aulas no site: www.lapef.fe.usp.br

18 AULA 7

Tema: partículas  e  e radiação 

Objetivo: reconhecer outros tipos de radiações, compreendendo as diferenças essenciais entre elas. Conteúdo Físico: natureza das emissões espontâneas de alguns materiais radioativos.

Recursos Instrucionais:  Aula expositiva;

 Discussão entre professor e alunos baseada no texto " Entra em cena uma nova figura: Ernest Rutherford”

Motivação: Conhecer o desenvolvimento histórico da radioatividade e todo trabalho sistemático de pesquisa. Momentos: 1 º M o mento

Retomar as aulas anteriores, fazendo uma recapitulação das descobertas até então. Assim é possível começar a discutir a descoberta das radiações  e , fazendo uma sistematização sobre os principais aspectos dessas radiações. Tempo:  10 min 2 º M o mento

Em grupo, peça para os alunos lerem e responderem as questões do texto: “Entre em cena uma nova figura:

Ernest Rutherford”. Tempo:  20 min 3 º M o mento

Correção e discussão sobre as questões do texto

Tempo:  20 min

Sugestões: Pode utilizar uma apresentação em slides para sistematizar a descoberta dos raios X e da radioatividade. Aqui pode ser retomada a discussão sobre as usinas e a energia nuclear.

AULA 8

Tema: raios-X, radioatividade, radiações (partículas) ,  e  Objetivo: Destacar os assuntos estudados até o momento.

Conteúdo Físico: natureza das emissões espontâneas de alguns materiais radioativos. Recursos Instrucionais:

 Vídeo: A descoberta da radioatividade  Aula expositiva;

Motivação: Sistematização e organização dos assuntos tratados até o momento. Momentos: 1 º M o mento

Vídeo sobre a descoberta da radioatividade Tempo:  10 min 2 º M o mento

Sistematização das idéias apresentadas no vídeo.

Tempo:  20 min 3 º M o mento

Revisão geral do que foi estudado até aqui.

Tempo:  20 min

Dinâmica da Aula: Inicia-se a aula com o vídeo sobre a descoberta da radioatividade. Em seguida faça uma sistematização das idéias apresentadas no vídeo. Assim é possível fazer uma discussão final, revisando todos os conceitos estudados até o momento.

20 AULA 9

Tema: raios X e outras radiações Objetivo: verificação de aprendizagem. Recursos Instrucionais:  Avaliação escrita Momentos: 1 º M o mento

Avaliação sobre os assuntos do Bloco I

Tempo:  45 min

Observação: Caso o professor tenha a disponibilidade de duas aulas em seqüência pode iniciar a avaliação um pouco antes de terminar 9ª aula disponibilizando mais tempo de resolução para os alunos.

Como são produzidas as radiografias

Quando o filme é exposto ao feixe de raios X, as interações com material químico sobre a tela (haleto de prata – brometo de prata com 1% a 10% de iodo de prata), libera elétrons de alguns íons do brometo (Br -), causando a liberação do gás bromo (Br2). O elétron liberado vai combinar com alguns íons de prata carregados

positivamente na rede cristalina, transformando-os em átomo neutros (prata metálica). A agregação de um pequeno núcleo de átomo de prata tornará o cristal de brometo de prata sensível à revelação. Desta forma a radiação que interagiu com esses cristais produz uma imagem latente.

Na revelação, ocorre uma transformação química de todos os íons de prata do cristal exposto, transformando-os em prata metálica. Essa é uma transformação que ocorre em todtransformando-os transformando-os átomtransformando-os, porém transformando-os que foram exptransformando-osttransformando-os atransformando-os raios X se transformam mais rapidamente. Assim na revelação deve-se fazer uma combinação do tempo de revelação, da concentração do preparado químico e da temperatura da reação, de forma a ocorrer à transformação do máximo número de cristais expostos e do mínimo de não expostos, visualizando a imagem latente. Ao final os cristais não transformados devem ser retirados para não serem transformados com o tempo e escurecerem a placa.

A retirada é feita no momento da fixação e da lavagem. Na fixação, os cristais não transformados são retirados mais rapidamente que os transformados. O restante dos produtos químicos é retirado na lavagem final, restando, em sua grande maioria, àqueles cristais que foram expostos aos raios X.

Desta forma, podemos notar que a parte clara da radiografia representa a região de pouco ou quase nenhuma incidência de raios X, devido à absorção dessa radiação pelos materiais presentes ali. Já a região escura, representa a parte de grande incidência de raios X, pois não há quase nenhum material para absorver a radiação.

22

Q

I

Objetivo: Estimular a discussão sobre as partículas e a curiosidade por aprender mais

Esta atividade introduz o estudo no campo das partículas elementares e interações fundamentais. Ela tem o intuito de desafiar seus conhecimento e concepções acerca dos fundamentos da física dessa área. O questionário traz afirmações que você pode concordar (sim), pode descordar (não) ou pode não saber nada sobre a afirmação (não sei) e está desenhado para despertar o seu interesse em aprender mais sobre este campo.

Não temos preocupação em testar os seus conhecimentos sobre o assunto. Queremos fazer somente um levantamento do que é conhecido por você no início e no final do curso.

Nome: _________________________________________________________ Série: __________ Turma: ________ Data: _____/_____/_____

SIM NÃO NÃO SEI 1. O átomo é a menor estrutura conhecida e não pode ser dividida.

2. As forças fundamentais da natureza são: eletromagnética e gravitacional.

3. Existem partículas subatômicas que não têm massa nem carga elétrica.

4. Algumas partículas podem viajar através de bilhões de quilômetros de matéria sem ser detectadas (sem interagir).

5. A antimatéria é ficção científica e não um fato científico.

6. Os aceleradores de partículas são usados para o tratamento do câncer. 7. Os menores componentes do núcleo de um átomo são os prótons e os elétrons.

8. As partículas e as antipartículas podem se materializar a partir de energia.

9. Os Físicos de partículas necessitam de aceleradores maiores para poderem investigar objetos cada vez maiores.

10. Nos aceleradores circulares os imãs são usados para que as partículas se movam mais rápido.

11. O trabalho feito pelos Físicos de partículas nos aceleradores está nos ajudando a compreender a evolução inicial do universo.

12. Das forças fundamentais da natureza, a força da gravidade é a mais intensa.

13. Existem pelo menos cem partículas subatômicas diferentes.

14. Toda a matéria conhecida é composta de léptons e quarks.

15. O atrito é uma das forças fundamentais da natureza.

16. Existem aceleradores de partículas no Brasil.

24 QUESTÕES SOBRE O BLOCO I

Observação: estas questões podem ser trabalhadas em provas, atividades avaliadas, ou de acordo com o objetivo e perspectiva do professor.

1) Certamente, você já teve oportunidade de ver que, em uma radiografia, a silhueta dos ossos aparece bastante clara, sobre um fundo escuro. Analisando o processo de absorção de raios X pela chapa fotográfica, responda: na radiografia, a quantidade de raios X que incidiu nas chapas resultando em regiões claras é maior ou menor do que nas regiões escuras?

2) Os raios X, descobertos em 1895 pelo físico alemão Wilhelm Rontgen, são produzidos quando elétrons são desacelerados ao atingirem um alvo metálico de alto ponto de fusão como, por exemplo, o tungstênio. Essa desaceleração produz ondas eletromagnéticas de alta freqüência denominadas de raios X, que atravessam a maioria dos materiais conhecidos e impressionam chapas fotográficas. A imagem do corpo de uma pessoa em uma chapa de raios X representa um processo em que parte da radiação é:

a) refletida, e a imagem mostra apenas a radiação que atravessou o corpo, e os claros e escuros da imagem devem-se aos tecidos que refletem, respectivamente, menos ou mais os raios X.

b) absorvida pelo corpo, e os tecidos menos e mais absorvedores de radiação representam, respectivamente, os claros e os escuros da imagem.

c) absorvida pelo corpo, e os claros e os escuros da imagem representam, respectivamente, os tecidos mais e menos absorvedores de radiação.

d) absorvido pelo corpo, e os claros e os escuros da imagem são devidos à interferência dos raios X oriundo de diversos pontos do paciente sob exame.

e) refletida pelo corpo e parte absorvida, sendo que os escuros da imagem correspondem à absorção e os claros, aos tecidos que refletem os raios X.

3) Os raios-X são produzidos em tubos de vácuo, nos quais elétrons são submetidos a uma rápida desaceleração ao colidir contra um alvo metálico. Os raios X consistem em um feixe de:

a) elétrons d) nêutrons

b) ondas eletromagnéticas e) partículas alfa c) prótons

4) Uma unidade industrial de raios X consiste em uma fonte X e um detector R, posicionado de forma a examinar cilindros com regiões cilíndricas ocas (representadas pelos círculos brancos), disposto em uma esteira, como vistos de cima na figura. A informação é obtida pela intensidade I da radiação X que atinge o detector, à medida que a esteira se move com velocidade constante. O gráfico 1 representa a intensidade detectada em R para um cilindro teste homogêneo. Quando no detector R for obtido o gráfico 2, é possível concluir que o objeto em exame tem uma forma semelhante a:

a) A b) B c) C d) D e) E

5) Neste primeiro bloco de física de partículas, procuramos trabalhar os textos seguindo um contexto histórico das descobertas realizadas no final do século XIX e início do século XX. Desta forma, muitos cientistas foram citados devido as suas descobertas. Relacione os cientistas da 1ª coluna com a sua descoberta na 2ª coluna:

1ª coluna 2ª coluna

1- Becquerel ( ) raios X 2- Röntgen ( ) radioatividade

3- Marie e Pierre Curie ( ) emissão espontânea de raios pelo sal de Urânio.

6) a) Como uma carga elétrica pode gerar campo magnético ou ondas eletromagnéticas? b) Associe a 2ª coluna de acordo com a 1ª.

( 1 ) carga elétrica, em repouso ( ) campo magnético ( 2 ) carga elétrica, em movimento ( ) campo gravitacional

7) A partir de um arranjo experimental, pode-se diferenciar os raios alfa, beta e gama emitidos por uma amostra de material radioativo do elemento Urânio. Para isso, esses raios atravessam um campo elétrico estabelecido entre duas placas carregadas de sinais contrários. A partir da realização do experimento, consegue-se obconsegue-servar as trajetórias dos raios conforme a figura abaixo.

a) Justifique a razão pela qual, os raios sofrem desvios diferentes.

b) Qual desses raios é o mais penetrante e qual é o menos penetrante na matéria? c) Quais os números que indicam os raios  e ?

8) Considere as seguintes situações:

I. Um corpo condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica. II. Um transformador em funcionamento.

III. Um feixe de elétrons movimentando-se com velocidade constante. Em que situações se forma um campo magnético?

a. Apenas I. b. Apenas II. c. Apenas I e II. d. Apenas II e III e. I, II e III.

9) Sabe-se que, ao contrário do que ocorre na Terra, não existe um campo magnético na superfície da Lua. Pode-se, então, concluir que, se uma agulha imantada, usada como bússola na Terra, for levada para a Lua, ela:

a. fornecerá leituras mais precisas do que ao ser usada na Terra. b. indicará a direção norte-sul lunar

c. perderá sua imantação.

d. não será desviada quando colocada próxima de uma corrente elétrica contínua. e. não poderá ser usada como bússola magnética.

10) Um imã é partido em quatro partes iguais. Obtêm-se:

a. quatro pedaços de imã, sendo dois pólos norte e dois pólos sul.

b. dois imãs inteiros e dois pedaços de imã, sendo um pólo norte e um pólo sul. c. imãs inteiros e pedaços de imã, dependendo de como o imã foi dividido. d. quatro imãs completos.

11) Analise cada uma das seguintes afirmações, sobre gravitação, eletricidade e magnetismo, e indique se é verdadeira (V) ou falsa (F).

1. Sabe-se que existem dois tipos de carga elétrica e dois tipos de pólos magnéticos, mas não se conhece a existência de dois tipos de massa gravitacional.

2. Um corpo pode ser magnetizado pelo atrito com um pano, como se faz para eletrizar um corpo.

3. Um ímã permanente pode ser "descarregado" de seu magnetismo por um leve toque com a mão, assim como se descarrega um corpo eletrizado de sua carga elétrica.

Assinale a alternativa que apresenta a seqüência correta de indicações, de cima para baixo. a. V – V – V

26 Vendo através da pele: a descoberta dos Raios-X

Há pouco mais de 100 anos atrás, não era possível o médico visualizar o interior do corpo humano sem ter que abrí-lo e isso dificultava muito o diagnóstico de doenças e fraturas nos pacientes. Mas em 1895 uma grande descoberta revolucionou a humanidade, principalmente a física e a medicina, nesse ano eram descobertos os raios X. Mas como isso ocorreu?

Na noite de 8 de novembro de 1895 o físico holandês Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), seguindo as tendências de sua época, estava fazendo mais uma experiência com descargas elétricas nos tubos de raios catódicos (figura 1), estudando o fenômeno da luminescência produzida pelos raios no tubo, quando notou que algo de diferente acontecia. Em sua sala de experiências totalmente às escuras, ele viu a folha de papel, usada como tela e tratada com uma substância química

fluorescente (platinocianeto de bário), colocada a uma certa distância do tubo brilhar emitindo luz. Röntgen espantado, pode imaginar que alguma coisa devia ter atingido a tela para que ela reagisse dessa forma. Mas o tubo de raios catódicos estava coberto por uma cartolina negra e nenhuma luz ou nenhum raio catódico poderia ter escapado dali.

Surpreso e perplexo com o fenômeno, ele decidiu pesquisá-lo mais a fundo. Virou a tela, de modo a que o lado sem a substância fluorescente ficasse voltado para o tubo; mesmo assim, a tela continuava a brilhar. Ele então afastou a tela para mais longe e o brilho persistiu. Depois, colocou diversos objetos (uma camada de papelão, pedaços de madeira, um livro de 1000 páginas e até finas placas metálicas) entre o tubo e a tela e todos pareceram transparentes. Quando sua mão escorregou em frente à válvula ele viu os ossos na tela (figura 2). Descobrira “um novo tipo de raio”, conforme ele mesmo explicou em sua primeira publicação.

Röntgen havia ficado tão perplexo com sua descoberta, que teve que se convencer primeiro antes de falar com qualquer pessoa sobre sua descoberta do novo tipo de raio. Trabalhou sozinho durante sete semanas nessa tentativa, quando finalmente estava convencido, registrou sua descoberta (imagem da mão) em chapas fotográficas, e só então passou a ter certeza.

Em 1º de janeiro de 1896, ele distribui o relatório preliminar de sua descoberta, o que causou grande agitação, mas sua descoberta não podia ser refutada facilmente, pois havia fotografias dos raios X de suas mãos anexadas nele. No decorrer do mês, a notícia havia se espalhado por todo o mundo. Pode-se imaginar o deslumbramento em relação a esses raios aos quais tudo se tornava transparente e por meio dos quais todos podiam ver seus próprios ossos. Pode-se ver praticamente os dedos sem os músculos,

mas com anéis, como se podia ver também uma bala alojada no corpo. As conseqüências para a medicina foram imediatamente percebidas. Imagine você nessa época, podendo ver os seus ossos, sem qualquer corte ou perfuração. Somente assim terá idéia da revolução causada com essa descoberta.

O trabalho de Röntgen sobre os raios X foi perfeito à luz do conhecimento existente em sua época. Mas ele, não conseguiu entender a natureza dos raios X, ou seja, ele não conseguiu comprovar que se tratava de uma radiação eletromagnética. No entanto, ele conseguiu mostrar que os raios podiam atravessar materiais sólidos, podiam ionizar o ar, não sofriam reflexão no vidro e não eram desviados por campos magnéticos, mas não conseguiu observar os fenômenos da refração e da interferência normalmente associados a ondas (ondas eletromagnéticas, neste caso) por isso ficou o nome enigmático de raios X (X é o símbolo pra nomear o desconhecido)

Mais tarde sua natureza foi desvendada, mostrando que eles eram conseqüência da colisão dos raios catódicos com a parede do tubo e, por terem comprimento de onda muito pequeno, Röntgen não podia observar os fenômenos necessários para comprovar que os raios-X são ondas eletromagnéticas (radiação eletromagnética) de alta freqüência.

Figura 1

Uma ilustração do equipamento de Röntgen é mostrado ao lado. Entre os catodos do tubo de vidro, os raios catódicos são inicialmente acelerados, com voltagem de até 100 kV (100.000 V) e, em seguida, são bruscamente freados (há uma colisão dos raios e o alvo). Por causa disso, ocorre uma emissão de radiação eletromagnética com um comprimento de onda muito pequeno (da ordem de 10-12 m), que corresponde a radiações de alta freqüência. É

assim que são produzidos os raios X.

As aplicações dos raios X são as mais diversas possíveis. Elas vão desde “simples” obtenção de chapas fotográficas (radiografias) para detectar uma fratura, uma inflamação e uma cárie até a determinação de uma certa porcentagem de uma substância em um composto, através da difração dos raios X, como é o caso da quantidade de carbono existente no aço. Essa determinação é

importante, pois permite que o aço fique mais maleável e conseqüentemente consegue-se produzir chapas mais finas.

Atualmente, os raios X também são utilizados na área de segurança, como é o caso dos aeroportos. Com eles, é possível “ver” dentro das malas e constatar se existem objetos metálicos e até mesmo se as pessoas carregam algum tipo de arma (figura 3). Sua utilização também pode ser vista na fronteira dos E.U.A com o México, onde a polícia o utiliza para vasculhar o interior dos veículos (figura 4).

28 Questões:

1) Sabemos que os raios X são invisíveis a olho nu. Com base nisto, discuta com seus colegas,

outras formas de se detectar os raios X, que não usem chapas radiográficas (lembre que os raios X podem ionizar o ar, ou seja, retirar elétrons dos átomos).

2) Nas radiografias, os contornos dos ossos aparecem bastante claros, sobre o fundo escuro, bem

como o contorno de objetos e pessoas (Fig. 3 e 4). Analisando o processo de absorção dos raios X, estas regiões mais claras, recebem mais ou menos raios X do que as outras? Explique sua resposta.

3) Que semelhanças e diferenças têm os raios X e a luz visível?

4) Como você imagina os diagnósticos médicos se os raios X não tivessem sido descobertos? O que

A descoberta da radioatividade

No dia 20 de janeiro de 1896, Antoine Henri Becquerel (1852-1908) tomou conhecimento da descoberta dos raios-X por Röntgen. Físico francês da terceira geração da família Becquerel, tinha muito interesse na fosforescência e na fluorescência dos materiais. Estes termos, fosforescência e fluorescência, não são sinônimos. Na fluorescência a emissão luminosa ocorre enquanto houver estímulo, a absorção e a emissão ocorrem rapidamente. Na fosforescência, mesmo cessado o estímulo, haverá a emissão, pois o processo de emissão é mais lento que na fluorescência.

Becquerel imaginou se havia uma relação entre raios X e a fluorescência, ou seja, se algumas substâncias fluorescentes poderiam emitir raios X espontaneamente. Depois de descobrir que muitos elementos não produziam qualquer efeito, passou a utilizar materiais fosforescentes.

Ele utilizou sulfato de potássio e urânio, sal de urânio que era conhecido por suas propriedades fosforescentes. Cobriu uma chapa fotográfica com duas folhas de papel escuro grosso, tão grosso que a chapa não ficou manchada ao ser exposta ao Sol durante um dia inteiro. Colocou sobre o papel uma camada da substância fosforescente e para ativar a fosforescência do sal de urânio, expôs

tudo ao Sol por várias horas. Quando revelou a chapa fotográfica, percebeu a silhueta da substância fosforescente em escuro sobre o negativo. Concluiu que a substância emitia radiações capazes de atravessar a folha de papel opaca à luz. Tudo se passava como se o sal de urânio emitisse raios-X.

Em 24 de fevereiro de 1896, Henri Becquerel fez um relatório de sua experiência e apresentou à Academia de Ciências em Paris. No entanto, em 2 de março, Becquerel anunciava aos seus pares da academia algo mais extraordinário. Durante a semana havia tentado repetir a experiência, preparando uma nova placa fotográfica enrolada no papel e no sal de urânio. Aconteceu que o tempo havia piorado e ele ficou impossibilitado de realizar a exposição ao Sol. Então guardou o conjunto numa gaveta à espera de melhores dias. Na véspera da seção da academia, como o tempo permaneceu encoberto, decidiu, mesmo assim, revelar as placas, esperando encontrar o negativo em branco. Para sua surpresa os negativos mostravam uma mancha de grande intensidade. Conclui que o sal de urânio emitia raios capazes de atravessar o papel preto, quer tivesse sido exposto ou não ao Sol. Sem dúvida, alguma emissão desconhecida estava saindo do sal, atravessando o papel e chegando até a chapa fotográfica. Essas emissões foram chamadas de raios de Becquerel.

Pouco tempo depois, em 9 de março de 1896 já descobrira que a radiação emitida pelo sal de urânio não apenas escurecia as chapas fotográficas protegidas, como também ionizava gases, isto é, provocava a libertação de elétrons dos átomos do gás, que por esse motivo ficavam carregados positivamente (falta de elétrons), transformando estes gases em condutores de eletricidade. A partir daí, era possível medir a “atividade” de uma amostra simplesmente medindo a ionização que ela produzia.

30

A essa altura, um casal de cientistas iniciava suas investigações sobre a radioatividade em Paris, estudando vários minérios, uma vez que Henri Becquerel focalizou suas pesquisas somente no urânio. Marie Sklodowska Curie (1867-1934), polonesa, e seu marido francês Pierre Curie (1859-1906), após analisar vários compostos de urânio, verificaram a constatação de Becquerel, confirmando que a emissão de raios é uma propriedade do elemento urânio e assim, decidiram examinar todos os elementos conhecidos. Descobriram que também o

tório emitia raios semelhantes aos do urânio.

Nesse ponto, depois de descobrirem que o urânio não era o único elemento a emitir radiação espontaneamente, Marie decidiu então, analisar todos os minérios naturais e para sua surpresa um mineral de urânio (uranita) era três ou quatro vezes mais radioativo do que se esperava. Desta forma concluiu que um elemento extremamente radioativo deveria existir enquanto impureza nesse minério. Depois de um longo e exaustivo trabalho, em julho de 1898, Marie com a ajuda de seu marido Pierre, conseguiu isolar a impureza e perceberam que se tratava de um novo elemento, que designaram de polônio, em homenagem ao país de origem de Marie, a Polônia.

Ao aprimorar mais os seus métodos de purificação da uranita, o casal Curie, acabou por encontrar, em setembro desse mesmo ano, um elemento altamente radioativo que recebeu o nome de rádio. Marie propôs a palavra radioatividade para esse fenômeno.

Mas apesar de conseguir descobrir mais elementos radioativos, permaneciam dois grandes problemas a serem resolvidos, segundo os Curie: Qual era a origem da energia emitida por esses elementos

radioativos? Qual é a natureza das radiações emitidas?

Questões:

1) Qual foi a principal contribuição que os Curie deram para a radioatividade?

2) Você sabe a diferença entre material fluorescente e fosforescente?

3) Explique a frase “para ativar a fosforescência do sal de urânio, ele expôs tudo ao sol por várias horas”.

4) Se na experiência de Becquerel, ele tivesse colocado entre o filme revelador e o sal de urânio uma

placa grossa (~3 mm) de chumbo, conseguiria ver alguma mancha? Por quê?

q

q

Figura 1: representação do campo elétrico de uma carga elétrica q

Aspectos do Campo Eletromagnético

Ao aproximarmos um ímã de um pedaço de certo metal pendurado por um fio, vemos que este é “puxado” pelo ímã. Se pegarmos agora um canudinho e atritarmos com uma lã ou papel higiênico, ele ficará carregado eletricamente. Aproximando o canudinho de uma bola de isopor pequena, pendurada por um fio isolante ela será “puxada” pelo canudinho. Vemos assim que a bolinha sente a presença do canudinho, bem como aquele metal sente a presença do ímã, mesmo sem ter contato. Mas como pode um objeto sentir a presença do outro sem haver contato? Como eles não têm olhos, de que forma eles sabem que há um outro corpo por perto que os atrai?

Para responder essa questão, utilizamos o conceito de campo. Ele surgiu na primeira metade do século XIX para explicar fenômenos parecidos a estes. Nesses fenômenos, temos um campo elétrico (associado às cargas do canudinho) e um campo magnético (associado ao ímã). Esses campos são semelhantes ao campo gravitacional que estamos mais familiarizados. Mas afinal o que são esses campos?

Ele é algo que está ao redor dos corpos (estendendo-se até o infinito, porém sua intensidade diminui com a distância). Podemos entendê-lo como sendo uma “aura” (algo sutil e tênue envolvendo o corpo) que preenche o espaço em volta deles. Para cada um dos campos existe um ente responsável associado a sua presença. No caso do campo eletromagnético é a carga elétrica e,

no caso do gravitacional é a massa. Dessa forma, não temos carga elétrica e massa sem campo e vice-versa. Devemos destacar ainda, que o campo existe independente da presença de outras cargas elétricas ou massa nas vizinhanças, podendo ser representado como algo contínuo que se estende até o infinito em todas as direções.

No entanto, o interesse aqui é estudar o campo elétrico e magnético, deixando a discussão do campo gravitacional para outra ocasião. A intensidade do campo elétrico decresce com o aumento da distância em relação à carga, como podemos observar na figura 1. No entanto, essa não é a única maneira que temos para representá-lo. A figura 2 mostra as linhas de campo de uma carga elétrica positiva, representado o campo elétrico dessa carga.

No caso do canudinho, devido ao desequilíbrio das cargas elétricas causado pelo atrito com a lã ou papel higiênico, a ação desse campo “puxa” a bolinha. Essa ação é conhecida como força elétrica ou

interação elétrica. Assim, é graças ao campo elétrico e magnético que

a bolinha sente a presença do canudinho e o metal a presença do ímã. A maneira como uma carga elétrica comunica ou interage com outras cargas pode ocorrer de duas formas: atração ou repulsão. Isso ocorre devido ao sinal que as cargas elétricas podem ter, isto é, positiva (+) ou negativa (-). Quando as cargas têm o mesmo sinal ocorre à

repulsão e quando forem de sinais contrários, ocorre a atração.

Assim, as cargas elétricas no espaço, sentem a presença do campo uma da outra e se interagem, como aconteceu com as cargas do canudinho e da bolinha.

Desta forma, podemos dizer que o campo elétrico é algo sutil, tênue, real, que não pode ser visto, nem tocado e envolve a carga elétrica, comunicando a sua presença a outras cargas a sua volta. Dependendo do sinal das cargas elétricas envolvidas, essa comunicação ocasiona uma atração ou a uma repulsão.

Isso tudo pode parecer muito novo ou estranho, mas a interação eletromagnética está presente ostensivamente em nosso cotidiano: nas reações químicas, na luz que recebemos do Sol, na televisão e mais ainda, ela é a responsável pela formação dos aglomerados que constitui a matéria. A matéria da cadeira que você está sentado agora se mantém coesa devido à interação eletromagnética, o mesmo acontecendo com os átomos que formam a água que você bebeu hoje.

Contudo essas são descrições de campos elétricos e magnéticos associados à carga e ímã em repouso. O que aconteceria com esse campo se a carga ou o ímã fossem movimentados? Ele vai junto

Figura 2: representação das linhas do campo elétrico de uma carga elétrica q positiva.

32 As ondas eletromagnéticas

Já comentamos que os campos elétrico e magnético estão intimamente relacionados através da carga elétrica. Já sabemos que uma carga elétrica interage com a outra devido aos seus campos elétricos e um ímã interage com um metal ou um outro ímã através de seu campo magnético. Mas como esses dois campos se relacionam?

É mais ou menos assim: quando a carga se movimenta, o seu campo elétrico se movimenta junto, pois ele é indissociável da carga. Ao entrar em movimento, o seu campo elétrico, em qualquer ponto do espaço varia. Porém, quando o campo elétrico sofre essa variação, ele acaba gerando um campo magnético. Com isso, quando uma carga elétrica varia o seu estado de repouso, ela arrasta junto o seu campo elétrico, que por ser variável, gera (induz) um campo magnético também variado, que por sua vez, gera um campo elétrico variado e assim por diante.

Essa alternância de campos elétricos e magnéticos variados se propaga por todo o espaço, levando a informação de que a carga elétrica se movimentou ou está em movimento. A propagação dessa informação é o que chamamos de ondas eletromagnéticas ou radiação eletromagnética.

As ondas eletromagnéticas têm origem no movimento de uma carga elétrica, que quando acelerada ou desacelerada, faz seu campo elétrico variar que, conseqüentemente gera um campo magnético variado e assim sucessivamente, levando a informação desse movimento aos pontos do espaço. Essa propagação é feita na velocidade da luz c2, característica mostrada por J. C. Maxwell (1831-1879), unindo a luz aos fenômenos eletromagnéticos.

Como toda onda, a onda eletromagnética tem a freqüência como uma característica bem destacada, por que é através dela, que as ondas eletromagnéticas são classificadas. A unidade de medida da freqüência é o Hertz – Hz, em homenagem a Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894), devido à descoberta das ondas de rádio. Para cada faixa de freqüência, usamos um termo diferente para descrevê-la. Por exemplo, a freqüência que vai de 4 x 1014 Hz até 7 x 1014 Hz é o que chamamos de luz visível. Já as ondas de rádio estão na faixa de 104 Hz até 106 Hz.

A freqüência é a medida das oscilações que a carga elétrica executa por unidade de tempo, isto é, se a freqüência de uma onda eletromagnética é de 105 Hz, ela oscila 100000 vezes a cada segundo. Esse conceito é bem parecido com a freqüência escolar, que indica quantas vezes os alunos vêm à aula durante um bimestre.

Abaixo a tabela mostra algumas freqüências para cada tipo diferente de onda eletromagnética:

f (Hz) Tipo de onda Detecção Exemplos de Fontes

1021 raios cintiladores materiais radioativos 1019 raios X chapa fotográfica tubos de raios X 1016 ultravioleta chapa fotográfica laser 7 x 1014 violeta olhos arcos elétricos 4 x 1014 vermelho olhos arcos elétricos

1013 infravermelho termômetros lâmpadas 105 rádio circuitos eletrônicos circuitos eletrônicos

Questões:

1) Como um ímã percebe a proximidade de outro ímã, mesmo sem haver contato?

2) Quais os tipos de campos estudados e quais os entes responsáveis por eles?

3) Como as ondas eletromagnéticas são produzidas?

4) Quais são as semelhanças e diferenças entre os raios X e a luz visível?

5) Depois de ter lido e discutido a respeito do campo eletromagnético ou interação eletromagnética e visto

a sua importância, faça uma análise de como seria o mundo e o Universo sem essa interação.

Questões complementares

1) Duas cargas q1 e q2 sofrem atração a distância através do campo elétrico gerado por elas. O que

podemos dizer sobre o sinal dessas cargas? Até onde se estende o campo elétrico de q1? Se de repente q2

sumisse como ficaria o campo elétrico de q1? Ele sumiria também ou continuaria existindo?

2) Antes do canudinho ser atritado, a) Existia um campo elétrico nele? b) O que aconteceu depois do

atrito?

3) Como uma carga elétrica pode gerar campo magnético ou ondas eletromagnéticas?

34 Entra em cena uma nova figura: Ernest Rutherford

Após a descoberta dos raios X e da radioatividade, Ernest Rutherford (1871-1937), cientista nascido na Nova Zelândia, deu contribuições decisivas para a compreensão da natureza das substâncias radioativas e das suas radiações. Rutherford e seu colaborador Joseph John Thomson (1856-1940) dedicavam-se a medir a ionização nos gases provocada pelos raios X e pelas radiações emitidas pelo urânio.

Em longo trabalho no laboratório Cavendish, Rutherford percebeu, em 1898, a existência de dois tipos diferentes de radiações emitidas pelo urânio, devido a penetração que tinham na matéria. Os raios que são menos penetrantes ele designou por raios alfa () e, os raios que penetravam mais de raios beta (). Além da diferença na penetração na matéria, ele percebeu que os raios alfa e beta eram defletidos para lados opostos quando passavam por uma região com campo magnético. Disso ele pode concluir que eles tinham carga elétrica oposta.

Com o resultado das experiências realizadas por Rutherford, bem como a de outros cientistas como Becquerel, conclui-se em poucos anos que os raios beta () são raios catódicos (elétrons). Entretanto, P. V. Villard, na França, descobriu uma terceira forma de radiação que era

muito mais penetrante que as duas anteriores, que designou por raios gama (). Estes não eram sensíveis ao campo magnético, ou seja, não eram desviados e surgiram como uma espécie de raios X mais energéticos. O esclarecimento da natureza dos raios  continuou um mistério durante alguns anos. Ao se mudar para Toronto, no Canadá, Rutherford pode observar

outro fenômeno misterioso. Ao isolar a parte radioativa do sal de urânio, ele perdia a sua radiação com o passar do tempo. Por outro lado, a solução da qual havia sido retirado o elemento radioativo recuperava a radioatividade inicial.

Trabalhando com o químico F. Soddy, Rutherford chegou a um resultado que implicava na transmutação3 entre os elementos, algo que foi dito com muita cautela ao anunciar, pois lembrava fortemente o antigo sonho dos alquimistas.

Para fundamentar sua conclusão sobre a transmutação dos elementos, Rutherford teve que investigar mais a natureza das radiações alfa (). Entre 1900 e 1903, através das medidas

da razão entre a massa e carga elétrica das partículas , ele pode concluir que estas são, na verdade, núcleo do átomo de Hélio (He). Resolvendo assim o problema da transmutação dos elementos que pode ser explicado da seguinte maneira: os átomos instáveis (radioativos) emitem as radiações  e , ao fazerem isso eles mudam suas propriedades químicas, transformando-se em outro de elemento (transmutação). Estava assim desvendada a natureza das radiações  e da transmutação dos elementos. Porém ainda não compreendiam como que essas radiações eram produzidas, deixando essa questão em aberto para a ciência.

3 _{Basicamente a transmutação era o sonho dos alquimistas em transformar qualquer substância em ouro (Au).}

Material radioativo



Questões:

1) a) Qual foi a principal contribuição que Rutherford deu para a radioatividade? b) Como ele fez isso?

2) Quais são as principais diferenças entre as radiações  e ?

36

BLOCO II – ORDEM DE GRANDEZA E MODELOS ATÔMICOS

Para continuar estudando os conceitos da Física de Partículas Elementares é necessário ter uma idéia do tamanho dos objetos estudos. Por isso, pretende-se neste bloco estudar aspectos ligados à ordem de grandeza desses e objetos. Em seguida, começaremos a discutir as evidências que levaram a queda do status de elementar do átomo e o aparecimento dos primeiros modelos atômicos, e a evolução desses modelos.

1. Objetivos gerais:

 Compreender o tamanho dos objetos através da ordem de grandeza.

 Entender as evidências que levaram a queda do status de indivisível do átomo e a descoberta da primeira partícula: o elétron.

 Compreender o processo de espalhamento de partículas utilizado por Rutherford  Conhecer e compreender os modelos atômicos de Thomson, Rutherford e Bohr.

2. Conteúdo Físico

 Ordem de grandeza e potência de dez.  Campo elétrico e magnético.

 Modelos atômicos.

3. Leitura complementar

As leituras indicadas servem para um conhecimento mais profundo e detalhado dos conceitos tratados neste bloco. Assim, caso seja possível, leia algumas dessas referências antes de iniciar as aulas.

 HEWITT, Paul. Física Conceitual. 9ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.

 SEGRÉ, E. Dos raios X aos Quarks. Físicos Modernos e suas Descobertas. Universidade de Brasília, Brasília, 1982.

 VARELA, João. O século dos quantas. Lisboa: Gradiva, nov 96.

 ALVES, Gilson; CARUSO, Francisco; FILHO, Hélio da Motta; SANTORO, Alberto. O mundo das partículas de hoje e de ontem. Rio de Janeiro: CBPF, 2000.

 CARUSO, Francisco; OGURI, Vitor; SANTORO, Alberto. Partículas elementares: 100 anos de descoberta. Manaus: Editora da Universidade Federal de Manaus, 2005.

 CARUSO, Francisco; SANTORO, Alberto. Do átomo Grego à Física das interações fundamentais. 2ª ed. Rio de Janeiro: AIAFEX, 2000.

 TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física Moderna. 3ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.

4. Quadro Sintético

ATIVIDADE _{MOMENTOS COMENTÁRIOS TEMPO}

1. Visualizando o “muito pequeno

Atividade 4 (1ª parte): Cortando papel para

chegar ao próton. _{Atividade experimental}

introdutória sobre as dimensões das partículas elementares.

2 aulas Explicações sobre representações de

dimensões em potência de dez.

Leitura do texto e resolução dos problemas. Correção das questões

Navegação no site do CERN (Powers of Ten) Atividade 4 (2ª parte): Tamanho dos

corpos, através da potência de dez. Sistematização geral sobre ordem de grandeza e notação científica.

2. Estudo sobre a descoberta do elétron.

Retomada das discussões sobre a descoberta

dos raios-X, radioatividade e radiações. Texto “A queda do status elementar do átomo: a

descoberta do elétron”. 1 aula Discussão sobre a descoberta do elétron.

Sistematização e leitura do texto.

3. Estudo sobre a evolução do conceito de átomo

Atividade 5: A linha do tempo.

Atividade que

permite uma construção coletiva de uma linha do tempo sobre evolução do conceito de átomo.

2 aulas Leitura e discussão do texto “A busca pelo

constituinte da matéria: a evolução do conceito de átomo”;

Explicação da atividade, atribuir períodos de tempo entre os grupos.

Apresentação dos grupos e construção da linha do tempo

4. O

espalhamento Rutherford

Atividade 6: O espalhamento de Rutherford.

Experimento que permite alusão à perspicácia de Rutherford ao elaborar seu

modelo atômico. 2 aulas Retomada da atividade, apresentação dos

resultados obtidos.

Texto: a descoberta de Rutherford: Um novo modelo atômico. Leitura do texto e realização do questionário.

5. Os modelos atômicos de Thomson, Rutherford e Bohr.

Vídeo: Os primeiros modelos Vídeo: O modelo de Rutherford

Vídeo: Os primeiros modelos atômicos e o modelo de Rutherford.

1 aula Sistematização das principais idéias do

bloco,

38 5. Descrição aula-a-aula

AULA 10

Tema: Notação científica, ordem de grandeza e dimensões do mundo microscópico.

Objetivo: Trabalhar de forma mais detalhada com os alunos, as dimensões do mundo microscópico, que é o objeto de estudo da proposta. Fazer com que eles tenham uma idéia inicial do “mundo de pequenas dimensões” da física de partículas.

Trabalhar matematicamente com alguns números e grandezas usando a notação científica e a definição de ordem de grandeza.

Conteúdo Físico: Dimensões do mundo microscópico (das partículas elementares), ordem de grandeza e notação científica.

Recursos Instrucionais

 Roteiro da atividade 4 (1ª parte)  Aula expositiva

 Discussão entre professor e alunos  Folhas de papel A4, tesouras e réguas. Motivação

Curiosidade sobre o tamanho limite que conseguimos enxergar.

Momentos 1 º M o mento

Atividade 4, “Visualizando „o muito pequeno‟” - cortando papel para chegar a prótons.

Essa atividade pode ser realizada em grupo. Alguns grupos podem utilizar tesouras para cortar o papel enquanto outros podem usar réguas conforme o roteiro. Destacar o número de cortes feitos por cada grupo e as medidas do menor pedaço de papel obtido.

Tempo: 30 min 2 º M o mento

Leitura do texto: “Ordem de grandeza e potência de dez”, e após explicação sobre o que é ordem de grandeza e notação científica e a utilização da potência de dez em ambos os casos, os alunos podem, em grupo, começar a discutir e resolver os exercícios propostos.

Tempo: 20 min

Sugestões: Se o professor achar necessário e caso tenha tempo disponível, pode trabalhar mais exercícios sobre notação científica e ordem de grandeza.

Dinâmica da aula

O professor deve inicialmente destacar que o universo das partículas que estamos adentrando é de dimensões muito pequenas. Destacando também a importância de trabalharmos numericamente com essas dimensões. Em seguida deve-se iniciar a 1ª parte da atividade “Visualizando „o muito pequeno‟” pedindo para que formem grupos, cortem o papel e anotem os números de cortes feitos e a medida do menor pedaço obtido. Podem inclusive anotar na lousa os valores obtidos para o número de cortes e a menor medida obtida para comparação e discussão entre os grupos. Após esta atividade o professor deve explicar a noção de ordem de grandeza e notação científica que serão extremamente úteis para a representação numérica já citada.

Fotos:

40 Aula 11

Tema: Notação científica, ordem de grandeza e dimensões do mundo microscópico.

Objetivo: Trabalhar com os alunos as dimensões do mundo microscópico, comparando com as dimensões com as quais eles estejam mais acostumados.

Conteúdo Físico: Dimensões do mundo microscópico das partículas elementares. Recursos Instrucionais

 Roteiro da atividade 4 (2ª parte)  Aula expositiva

 Apresentação de slides

Motivação: Curiosidade sobre o tamanho dos objetos estudados em física de partículas e relação com o tamanho dos objetos que nos cercam.

Momentos 1 º M o mento

Finalizando a atividade 4 “Ordem de grandeza e potência de dez”. Os alunos concluem a discussão e resolução dos exercícios.

Tempo:  20 min 2 º M o mento

Realização da atividade 5: “Tamanho dos corpos, através da potência de dez” Os alunos lêem as informações do roteiro e respondem às questões.

Tempo:  25 min

Sugestões: Se esta aula não for no mesmo dia da anterior, o professor deve relembrar rapidamente as atividades sobre notação científica e ordem de grandeza.

Caso o professor achar necessário e caso tenha tempo disponível, pode trabalhar mais exercícios sobre notação científica e potência de dez.

Se o professor não tiver como mostrar os slides através do site do CERN (powers of ten), pode preparar uma apresentação utilizando o power point ou ainda retro-projetor.

Se for utilizar a sala de micros o professor deve já iniciar a aula nela para não perder tempo com a organização dos alunos para utilização da sala no final da aula.

Caso o professor queira valorizar a utilização da sala de informática, pode dividir a turma em dois. Enquanto uma turma realiza a atividade do texto na sala de aula os demais exploram o site do CERN na sala de informática.

Dinâmica da aula

Retomada da atividade “Ordem de grandeza e potência dez”, na correção o professor deve destacar sempre as grandezas trabalhadas em relação às que estamos habituados.

Atividade 4 - Ordem de Grandeza e potência de 10

Neste novo assunto que começamos a tratar, será quase que inevitável, a utilização de valores muito pequenos ou muito grandes, que não fazem parte de valores utilizados no nosso cotidiano. Por exemplo, se alguém lhe dissesse que o tamanho de um átomo é aproximadamente 0,0000000001 m, você dificilmente assimilaria essa idéia, por se trata de um valor totalmente fora daqueles utilizados por você.

Números dessa forma podem ser representados de outra maneira, de tal maneira que a idéia que ele queira transmitir seja melhor interpretada e comparada. Além disso, torna-se mais fácil de se fazer operações com eles. Essa nova maneira de representar os números é a notação científica.

Com essa nova forma de representação numérica, podemos escrever qualquer número como uma potência de 10, sem que ele perca o seu valor original. Assim, fica mais fácil de opera-lo e compara-lo, tornando-se mais acessível ao nosso sentido.

Veja alguns exemplos de como representamos valores em notação científica 20000 m = 2 x 10000 = 2x104m

2300 kg = 2,3x1000 kg = 2,3x103 kg

0,007 cm = 7 cm = 7 cm = 7x10-3 cm 1000 103

Tente escrever os números abaixo em notação científica

a) o diâmetro do próton 0,000 000 000 000 001 m = b) o diâmetro do átomo 0,000 000 000 1 m =

c) a carga elétrica de um elétron – 0,000 000 000 000 000 000 16 C = d) a massa de um nêutron 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 67 kg =

Atividade 2.1: visualizando “o muito pequeno”

a) Cortando papel para chegar a prótons

Objetivo: tentar dar uma idéia do tamanho dos objetos estudados na física de partículas. Material: folha de papel A4, tesoura e régua.