Os conceitos de radiação e radioatividade no 3º ciclo do Ensino Básico e no Ensino Secundário

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

Os conceitos de Radiação e Radioatividade no 3º Ciclo do Ensino Básico e no

Ensino Secundário

Dissertação de Mestrado em Ensino de Física e de Química no 3º Ciclo do Ensino Básico e no Ensino Secundário

JOAQUIM VAZ ALVES

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

Os conceitos de radiação e radioatividade no meio escolar

Dissertação de Mestrado em Ensino de Física e de Química no 3º Ciclo do Ensino Básico e no Ensino Secundário

JOAQUIM VAZ ALVES

Orientadores:

Professor Doutor Joaquim Anacleto Professora Doutora Cristina Marques

COMPOSIÇÃO DO JURI:

Armado Paulo Ferreira Loureiro Joaquim Manuel da Silva Anacleto Marco Paulo Duarte Naia

Este trabalho foi expressamente elaborado como dissertação original para efeito de obtenção do grau de Mestre em Ensino de Física e de Química no 3º Ciclo do Ensino Básico e no Ensino Secundário sendo apresentado na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.

AGRADECIMENTOS:

A concretização deste trabalho só foi possível graças à colaboração e apoio de diversas pessoas, às quais desejo agradecer:

Ao Professor Doutor Joaquim Anacleto e à Professora Doutora Cristina Marques, pela sua disponibilidade, pelas orientações teóricas e metodológicas e sugestões que possibilitaram a realização deste trabalho. Relembro também a sua disponibilidade para as leituras e correções efetuadas que foram preciosas para o resultado final.

Ao vice diretor do mestrado, o Professor Doutor José Cravino, pelo incentivo e disponibilidade demonstrada durante todo o processo.

Aos alunos do Agrupamento de Escolas de Montalegre que participaram neste estudo, assim como aos colegas que ministraram o questionário, não esquecendo a direção do agrupamento que permitiu que o estudo fosse realizado.

A todos os meus familiares e amigos por todo o incentivo e apoio que me têm prestado e pela compreensão manifestada ao longo de todo este trabalho.

RESUMO:

Diversos estudos na área do ensino têm demonstrado a importância da inclusão da Física Moderna no ensino básico e secundário, podendo ser destacado como exemplo a contribuição na compreensão dos mais variados campos da tecnologia, contribuindo para a formação da cidadania. As diversas aplicações das radiações na medicina e na indústria têm mostrado o seu vasto uso na atividade científica. Desta forma, o presente trabalho pretende (1) fazer uma síntese de conceitos relacionados com a radiação e radioatividade, (2) verificar o conhecimento e as perceções que os alunos dos ensinos básico e secundário possuem sobre os conceitos de radiação e radioatividade e outros com eles relacionados, mais especificamente sobre os diferentes tipos de radiação, a distinção entre eles, a sua aplicabilidade e os perigos resultantes da sua utilização, (3) avaliar a relação existente entre algumas variáveis sociodemográficas e a compreensão dos conceitos de radiação e radioatividade, por ultimo (4) sensibilizar e despertar a curiosidade dos alunos para estas temáticas de forma a permitir uma visão mais integrada do mundo e das ciências, construindo capacidades e competências que darão significados aos conhecimentos adquiridos, contribuindo para compreender a física como uma realização humana. A metodologia utilizada recorreu à aplicação de questionários de forma a conseguir recolher informação que posteriormente tratada pudesse dar resposta aos objetivos traçados. Em termos de resultados foi possível verificar: (1) que o género, a idade dos alunos e a profissão dos pais não exerce influência sobre a compreensão que os alunos têm sobre os conceitos de radiação e radioatividade; (2) que o nível de escolaridade está positivamente correlacionado com os conceitos; (3) que a escola é o principal meio de divulgação desses conceitos e (4) em termos de domínio desses conceitos não existiu uma evolução percetível na última década, quando se compara este trabalho com o realizado por Rêgo em 2004.

Palavras-chave: Radiação; Radioatividade; Física Moderna; Ensino formal; Perceções dos alunos.

ABSTRACT

Several studies in education have shown the importance of inclusion of modern physics in primary and secondary education and can be highlighted as an example the contribution to the understanding of various fields of technology, contributing to the formation of citizenship. The various applications of radiation in medicine and industry have shown their wide use in scientific activity. Thus, this study aims to (1) make a synthesis of concepts related to radiation and radioactivity, (2) to verify the knowledge and perceptions that students of primary and secondary education have about radiation concepts and radioactivity and others with they related more specifically about the different types of radiation, the distinction between them, their applicability and the dangers of its use, (3) assess the relationship between sociodemographic variables and the understanding of radiation concepts and radioactivity, by last (4) raise awareness and arouse the curiosity of students to these issues in order to enable a more integrated view of the world and of science, building capacity and skills that will give meaning to knowledge acquired, contributing to understand the physical and human achievement. The methodology used made use of the form of questionnaires to be able to collect information that later treated could meet the goals set. In terms of results it was possible to verify: (1) gender, age of the students and the profession of the parents does not influence the understanding that students have on the concepts of radiation and radioactivity; (2) the level of education is positively correlated with the concepts; (3) that the school is the main means of disseminating these concepts and (4) in terms of mastery of these concepts there has been no noticeable progress in the last decade, when comparing this work to done by Rêgo in 2004.

Keywords: Radiation; Radioactivity; Modern physics; formal education; Perceptions of student.

Índice

1. Motivação e estrutura do trabalho ………...………...…..… 1

2. Abordagem dos conceitos de radiação e radioatividade nas orientações curriculares/programas do 3º ciclo do ensino básico e do ensino secundário ……...………..….….. 7

2.1. Ciências Físico-Química 3º ciclo do Ensino Básico ……….……….…...…. 7

2.2. Ensino Secundário ……….………...……….………. 8

2.2.1. Física e Química A – 10º ano ………..……….. 9

2.2.2. Física e Química A – 11º ano ………...………..………. 11

2.2.3. Química 12º ano ………..…….. 12

2.2.4. Física 12º ano ………..……….. 13

3. Física das Radiações ………..………….…………. 15

3.1. Radiação eletromagnética ……….……….……. 22

3.1.1. Ondas de rádio ou radiofrequência ………..…….. 24

3.1.2. Radiação micro-ondas ……….……….…...… 24 3.1.3. Radiação infravermelha ………..…... 25 3.1.4. Radiação visível ………..………... 26 3.1.5. Radiação ultravioleta ……….………..…...….. 27 3.1.6. Raios X ………..………….………. 28 3.1.7. Radiação γ ………...………..……….……… 31 3.2. Radioatividade ……….………..………..……….. 31

3.2.1. O átomo e as partículas fundamentais ……….……….…… 32

3.2.2. Radiação e os núcleos atómicos ………...…………... 36

3.2.3. Energia de ligação ………..………..….... 36 3.2.4. Estabilidade nuclear ………...………..….… 39 3.2.5. Desintegração radioativa ………...……….……….………… 40 a) Desintegração beta ………...………..…………..……… 41 b) Captura eletrónica ……….……….... 43 c) Desintegração alfa ………..……….……….……… 44 d) Fissão espontânea ………....……… 45

3.2.6. Lei do decaimento ou desintegração radioativa ……….…………..… 45

3.3. Características das radiações associadas a reações nucleares ………..……….… 48

3.4. Reações nucleares ……….………..………. 50

3.4.1. Fissão nuclear ……….………...……….………….. 51

3.4.2. Fusão nuclear ……….……….………….………. 53

3.5. Fontes de radiação ……….………..….… 55

3.6. Exposição à radiação externa …...………..…………...…. 62

4. Descrição do estudo empírico ………..………..…………. 65

4.1. Objetivos Gerais do Estudo ………..……….…..………..….. 65

4.1.1. Objetivos Especificos ………..………. 65

4.3. Método utilizado para a elaboração dos questionários ……….………..……… 66

4.4. Tratamento da amostra ………..……….………. 68

4.4.1. Perfil dos inquiridos ………..………. 69

5. Análise descritiva dos resultados ………..………..…….……….. 73

5.1. Primeira parte do questionário ……….……… 73

5.2. Segunda parte do questionário ……….…..… 86

5.3. Teste às hipóteses ………....……… 92

5.4. Resultados Gerais ……….. 101

6. Conclusões ……….………....………. 105

Bibliografia………...………..………...…… 108

Índice de Tabelas

Tabela I- Estrutura das orientações curriculares do 3º ciclo ensino básico para as Ciências Físicas e

Naturais ………... 8

Tabela II- Unidades, Temas e Subtemas do programa de química 10º ano relacionados com o conceito de radiação .. ………. 9

Tabela III- Unidades, Temas e Subtemas do programa de física 10º ano relacionados com o conceito de radiação.. ... 10

Tabela IV- Unidades, Temas e Subtemas do programa de física e química do 11º ano da componente de física, relacionados com os conceitos de radiação ... 11

Tabela V- Unidades, Temas e Subtemas do programa de química do 12º ano relacionados com os conceitos de radiação e radioatividade ... 12

Tabela VI- Unidades, Temas e Subtemas do programa de Física do 12º ano relacionados com os conceitos de radiação e radioatividade ... 13

Tabela VII- Equações de Maxwell para o campo eletromagnético na forma integral ... 20

Tabela VIII – Cor em função do comprimento de onda/ frequência ... 26

Tabela IX- Partículas fundamentais ... 33

Tabela X- Caraterísticas das radiações associadas às radiações nucleares ... 48

Tabela XI- Distribuição dos alunos em função da faixa etária ... 69

Tabela XII- Distribuição do número de alunos pelas fontes de informação ... 74

Tabela XIII- Classificação das respostas dadas à distribuição da radiação ionizante e não ionizante 75 Tabela XIV- Distribuição dos alunos em função do conhecimento das radiações ... 75

Tabela XV- Percentagem de alunos que selecionou cada uma das fontes de radiação natural ... 78

Tabela XVI- Meios onde os alunos obtiveram informação sobre as fontes de radiação natural ... 79

Tabela XVII- Classificação dos efeitos das radiações referidos pelos alunos ... 80

Tabela XVIII- Justificação às respostas afirmativas dadas à questão 9 ... 83

Tabela XIX- Justificação às respostas dadas à questão 10 ... 85

Tabela XX- Percentagem de opinião dos alunos referente a cada afirmação ... 87

Tabela XXI- Classificação das afirmações por dimensões de conhecimento ... 89

Tabela XXII – Género vs. afirmação 1 (dimensão conhecimento sobre radiações) ... 92

Tabela XXIII – Profissão do pai vs. afirmação 1 (dimensão conhecimento sobre radiações) ... 93

Tabela XXV – Profissão do pai – afirmação 10 (dimensão perigo das radiações) ... 94

Tabela XXVI– Profissão do pai – afirmação 4... 95

Tabela XXVII – Idade 15-19 anos vs. afirmação 1 (dimensão conhecimentos sobre radiações) ... 96

Tabela XXVIII – Ano de escolaridade vs. afirmação 5 (dimensão aplicação das radiações) ... 97

Tabela XXIX- Tipos de radiação conhecida por ano de escolaridade ... 98

Tabela XXX- Meio de divulgação dos tipos de radiação por ano de escolaridade ... 99

Tabela XXXI- Conhecimento demonstrado sobre as vantagens e desvantagens da energia nuclear como fonte de energia alternativa ... 100

Índice de Figuras

Figura 1- as ondas eletromagnética são transversais e consistem na propagação de um campo elétrico (𝐸⃗ ) e de um campo de magnética (𝐵⃗ ), perpendiculares entre si e à direção de propagação. .19 Figura 2 – No espetro eletromagnético as radiações estão organizadas pela sua frequência ou pelo comprimento de onda, os raios gama são os que possuem menor comprimento de onda e as ondas ELF as que possuem o maior comprimento de onda (adaptado de Alonso  Finn, 2012). ...22 Figura 3- esquema ilustrativo da experiência de Hertz para a produção de ondas de radio Rodrigues e Dias, 2008 ...24 Figura 4 – Tubo de Coolidge, constituído por um cátodo sobre a forma de filamento de Tungsténio e o ânodo é constituído por um metal de Molibdênio ...29 Figura 5- Energia de ligação por nucleão em função do número de massa. O núcleo com a menor energia de ligação é o hidrogénio 2 (deutério) e o núcleo com a maior energia de ligação por é o núcleo de ferro 56 ...38 Figura 6- Número de protões em função do número de neutrões para vários isótopos. A linha reta representa a razão protão-neutrão igual a 1 e a área sombreada a faixa de estabilidade ...40 Figura 7- Libertação de energia por um núcleo instável sob a forma de radiação eletromagnética e partículas alfa e beta ...41 Figura 8- esquema de decaimento dos isótopos 𝐹209 e 𝑂148 por emissão 𝛽− e 𝛽+, respetivamente e

libertação de energia sob a forma de radiação 𝛾 ...43 Figura 9- representação esquemática da desintegração de um átomo de urânio-238 resultando um átomo de tório-234 e uma partícula α ...44 Figura 10- decaimento de uma amostra radioativa em função do tempo ...46 Figura 11- representação esquemática do poder penetrante das radiações alfa, beta e gama em diversos meios ...48 Figura 12- O comportamento dos raios α, β e  submetidos a um campo magnético. As partículas α e β sofrem um desvio da sua trajetória ao atravessarem um campo elétrico, o mesmo não sucede com a radiação , estas não tem carga elétrica ...50 Figura 13- reação nuclear em cadeia divergente. Por cada núcleo de urânio-235 fracionado são libertados 2 ou 3 neutrões que vão chocar com outros núcleos de urânio-235, aumentando exponencialmente o número de fissões ...52 Figura 14- série de decaimento radioativo natural do urânio-238, envolve catorze passos. No sexto passo forma-se o gás radão, o chumbo-206 é o último elemento a ser formado ...56 Figura 15 – série de decaimento radioativo natural do Tório- 232, envolve 12 decaimentos, no quinto decaimento forma-se o gás Torão com um período de meia vida de 55 s. O último elemento a ser formado é o chumbo-208 ...57

Figura 16- interação da radiação cósmica com os gases atmosféricos e formação de novos elementos 59

Figura 17- dose média de radiação externa absorvida por um Homem durante um ano ...63

Figura 18- percentagem de alunos de acordo com o género ...69

Figura 19- Distribuição dos alunos em função do ano escolar ...70

Figura 20- Classificação da atividade profissional dos pais dos inquiridos ...71

Figura 21- Percentagem de respostas à questão 1 ...73

Figura 22- Percentagem de respostas à questão 2 ...74

Figura 23- Percentagem de alunos em função do número de radiações selecionado ...76

Figura 24- Classificação das respostas dadas à questão 4 ...77

Figura 25- Percentagem de alunos pelo número de fontes de radiação natural selecionado ...78

Figura 26- Percentagem de respostas dadas à questão 6 ...80

Figura 27- Percentagem de respostas dadas à questão 7 ...81

Figura 28- Percentagem de respostas dadas à questão 8 ...82

Figura 29- Distribuição dos alunos de acordo com as respostas dadas à questão 9...82

Figura 30- Classificação das respostas dadas à pergunta 10 ...84

Figura 31- Distribuição da justificação correta à questão 10 em função do ano de escolaridade ….. 85

Figura 32- Percentagem de alunos em função do valor atribuído às várias afirmações ...86

Figura 33- Total de pontos correspondentes a cada afirmação...87

Figura 34- Percentagem de alunos em função das opções dadas às afirmações referentes à dimensão conhecimento das radiações ...90

Figura 35- Percentagem de alunos em função das opções dadas às afirmações referentes à dimensão aplicação das radiações ...91

Figura 36- Percentagem de alunos em função das opções dadas às afirmações referentes à dimensão perigo do uso das radiações ...92

Figura 37- Percentagem de respostas afirmativas em função do ano de escolaridade ...97

Figura 38- Classificação das respostas em função do ano de escolaridade referentes à questão 2 ....98

1.

Motivação e estrutura do

trabalho

- 1 -

Motivação e Estrutura do Trabalho

Normalmente o progresso científico está associado a uma pesquisa exaustiva e análises rigorosas, mas existem exceções. Existe um número surpreendente de descobertas que resultaram de um mero acaso. Por exemplo, a descoberta da penicilina por Alexander Fleming em 1928, a descoberta do fósforo em 1669 pelo alemão Henning Brand quando ambicionava a Pedra Filosofal. No caso da radiação de fundo, esta foi descoberta em 1963 por Arno Penzias e Robert Wilson quando trabalhavam com uma antena para medir micro-ondas (Barral, 2012).

Podemos ainda referenciar a descoberta da radioatividade, atribuída ao físico Becquerel quando, em 1896, investigava a relação entre a emissão de raios X e a luminescência de alguns materiais. Existem autores que dizem que este fenómeno foi fruto do acaso. Segundo esses autores, Becquerel só descobriu a radioatividade porque guardou, numa gaveta, sais de urânio envolvidos em papel negro juntamente com uma chapa fotográfica, posteriormente, observou que mesmo fora do alcance da luz os sais de urânio tinham impressionado a chapa fotográfica. Esta descoberta desencadeou o interesse dos cientistas da época, entre eles Marie Curie, que juntamente com o marido Pierre Curie, descobriram novos elementos radioativos, contribuindo para esclarecer a natureza complexa da radiação nuclear (Martins, 2003).

Após a descoberta da radioatividade, foram surgindo inúmeras aplicações, entre elas, a utilização de cobalto-60 em tratamentos contra o cancro, o uso de marcadores radioativos em exames clínicos, na datação de fósseis com carbono-14, na indústria alimentar para a esterilização de alimentos, evitando-se o uso de aditivos químicos, e na produção de energia elétrica nas centrais nucleares (Cordeiro  Peduzzi, 2011).

Apesar da perspetiva benéfica, a referência que os meios de comunicação fazem aos conceitos de radiação e de radioatividade é geralmente motivada por algum acontecimento trágico. O acidente que ocorreu em 2011 na central nuclear de Fukushima no Japão é disso um exemplo. Assim sendo, parece-nos evidente que, em geral, as opiniões formadas e transmitidas são apresentadas sem conhecimentos técnico e científico adequados, o que facilmente conduz a avaliações menos corretas (Siqueira, Cipriani, Sousa & Corrêa, 2003).

Camejo-Pereira e Almeida (2014) afirmam que, geralmente, a informação encontra-se difundida pela comunicação social (meios de comunicação em massa) e no quotidiano. Além dos meios de informação como o jornal, a rádio, internet, a televisão, etc., temos como não menos importantes as conversas no dia a dia, que contribuem igualmente para a

- 2 - divulgação da informação. A divulgação da informação normalmente é influenciada por opiniões emitidas, que, ou não são explícitas no seu conteúdo, ou não possuem fundamento científico, o que implica que surjam correntes de opinião “a favor” ou “contra“ determinada situação.

Essa falta de conhecimento não só tem origem no meio escolar, mas muito se deve à falta de predisposição da população para uma cultura científica. Basta-nos fazer uma pequena pesquisa sobre os programas mais vistos na televisão portuguesa ou comparar a tiragem de uma revista generalista com conteúdos ligados à Ciência e à Cultura, por exemplo a Revista Sábado, com uma revista da sociedade (as chamadas revistas cor de rosa) para concluir que o interesse por notícias “da sociedade” é muito maior do que por temáticas científicas, mesmo aquelas ligadas ao quotidiano das pessoas. Para ilustrar esta afirmação, podemos apresentar dados sobre as tiragens da Revista Sábado para o 2º bimestre de 2015 que foi de cerca de 82.000 exemplares e da Revista Maria com cerca de 205.000 exemplares1 _{para o mesmo período. O mesmo tipo de raciocínio pode ser aplicado}

aos programas de televisão. De acordo com dados da GFK2 _{em outubro de 2014, as}

audiências televisivas foram dominadas por jogos de futebol e telenovelas, sendo que o único canal com uma vertente mais científica e cultural (RTP2) aparecia em último lugar com um valor de share bastante reduzido se comparado com os restantes (em sinal aberto). Na TV por cabo o domínio era por parte dos canais de cinema e de séries e um canal de notícias, sendo que canais como Discovery Channel ou National Geographic aparecem no final da tabela com valores de share muito residuais3_{. Como se pode constatar, a diferença}

entre o número de publicações e o share televisivo é enorme, o que parece evidenciar o desinteresse do público em geral por temas mais ligados à ciência e à cultura.

No que diz respeito ao sistema de ensino, parece existir, principalmente na área das ciências, uma lacuna entre as orientações e programas curriculares e o quotidiano dos alunos, daí que se torne extremamente difícil para qualquer professor conseguir motivá-los.

Especificamente no que diz respeito aos conceitos de radiação e radioatividade, ao analisarmos as orientações curriculares das ciências físicas e naturais para o 3º ciclo do ensino básico, constatamos que não existe qualquer referência à radioatividade. Somente na disciplina de ciências físico-químicas é abordado o conceito de radiação, como uma forma de transferência de energia (Galvão et al., 2001). No ensino secundário apenas os alunos de 10º e 11º ano que optem pelo curso científico-humanístico de Ciências e

1

Dados recolhidos de www.apct.pt (Associação Portuguesa para o controle de Tiragem e circulação).

2

Empresa de audimetria responsável pela medição do consumo televisivo em Portugal desde 2014.

3

- 3 - Tecnologias têm um conhecimento mais aprofundado sobre a radiação, já em relação ao conceito de radioatividade, este só é tratado no 12º ano na disciplina de Física, que é opcional (Cardoso, Ventura, Paixão, Fiolhais, Sousa, & Nogueira, 2004).

Perante este cenário podemos concluir que um cidadão que tenha concluído o ensino secundário, fora da área acima mencionada, certamente nunca ouviu falar destes conceitos na escola, tornando-se assim, difícil interpretar e avaliar a informação fornecida pelos meios de comunicação.

A ideia para a elaboração deste trabalho surgiu, assim, de algumas leituras e das várias conversas informais com colegas e alunos, onde foi possível constatar uma enorme quantidade de conceções erradas acerca de alguns conceitos referentes à Física das radiações, assim como um enorme desconhecimento sobre o tema.

Deste modo, pretende-se, com este trabalho, apresentar um estudo sobre as perceções dos alunos do 3º ciclo do ensino básico e do ensino secundário dos conceitos de radiação e radioatividade e outros com eles relacionados. Mais precisamente sobre os diferentes tipos de radiação, a distinção entre eles, a sua aplicabilidade e os perigos resultantes da sua utilização. Sensibilizar e despertar a curiosidade dos alunos também faz parte dos objetivos deste trabalho.

Este trabalho propõe-se ainda comparar as perceções dos alunos, referentes a estes conceitos, entre os anos letivos de 2003-2004 e 2013-2014, recorrendo para tal a um estudo, que faz parte de uma dissertação de mestrado elaborada em 2004 por Florbela Rêgo. Partindo desse trabalho de investigação foi elaborado um questionário (anexo I) que serviu como instrumento de recolha de dados utilizado no presente estudo.

No que diz respeito à estrutura deste trabalho, no capítulo 2 realiza-se uma análise das orientações curriculares de Ciências Físico-Químicas do 3º ciclo do ensino básico e dos programas de Física e Química A do 10º e 11º ano, do programa de Física de 12º ano e de Química do 12º ano do ensino secundário, pretendendo-se, acima de tudo, transmitir uma ideia geral de quando e com que grau de profundidade os conteúdos relacionados com a radiação e radioatividade são lecionados. No capítulo 3 é feita uma abordagem sobre conceitos fundamentais na área da física das radiações, dando-se maior atenção às radiações ionizantes, pois são estas as que envolvem uma maior polémica, sendo muitas vezes conotadas negativamente. Os conceitos apresentados foram os que se julgaram relevantes para atingir os seguintes objetivos: (1) verificar o conhecimento e as perceções que os alunos do ensino básico e secundário possuem sobre os conceitos de radiação e radioatividade e outros com eles relacionados, mais especificamente sobre os diferentes tipos de radiação, a distinção entre eles, a sua aplicabilidade e os perigos resultantes da sua

- 4 -

utilização, (2) avaliar a relação existente entre algumas variáveis sociodemográficas e a compreensão sobre os conceitos de radiação e radioatividade e (3) sensibilizar e despertar a curiosidade dos alunos para estas temáticas de forma a permitir uma visão mais integrada do mundo e das ciências, construindo capacidades e competências que darão significado aos conhecimentos adquiridos, contribuindo para compreender a física como uma realização humana e pessoal.

O capítulo 4 é dedicado ao estudo efetuado a partir dos questionários. Aqui é apresentada a metodologia para a reformulação do questionário (Rêgo, 2004) assim como para a sua administração. Começa-se por apresentar os critérios usados nesta reformulação assim como os objetivos pretendidos. Seguidamente fez-se a caracterização da amostra em estudo, passando-se à análise dos dados, a partir do questionário, o que nos vai fornecer uma ideia geral das perceções dos alunos sobre os conceitos de radiação e radioatividade. Também é feita uma análise da influência das diferentes variáveis sociodemográficas nas respostas dos alunos. Posteriormente é apresentada uma comparação dos resultados obtidos com os decorrentes do estudo de Rêgo (2004) de forma a avaliar as variáveis em estudo e os resultados obtidos.

Por último são apresentadas algumas conclusões, onde se expõem as ideias mais relevantes deste estudo.

2.

Abordagem dos conceitos de radiação e

radioatividade nas orientações/programas

curriculares do 3ºciclo do ensino básico e

do ensino secundário

- 6 -

Abordagem dos Conceitos de Radiação e Radioatividade nas Orientações/

Programas Curriculares do 3ºciclo do Ensino Básico e do Ensino Secundário.

Neste capítulo pretende-se fazer o enquadramento dos conceitos de radiação e radioatividade nas orientações curriculares do 3º ciclo do ensino básico na área das Ciências Físicas e Naturais e nos programas de Física e Química A do 10º e 11º ano, Física do 12º ano e Química do 12ºano, atualmente em vigor.

No que diz respeito às orientações curriculares do ensino básico estas, foram homologadas em junho de 2001, tendo entrado em vigor no ano letivo de 2002/2003 (Galvão et al., 2001). O programa de Física e Química A do 10º ano do ensino secundário foi homologado em março de 2001 e o do 11º ano em abril de 2003, entrando em vigor em 2003/2004 (Martins et. al. 2001; Martins et. al. 2003). Relativamente aos programas de Física e Química do 12º ano foram homologados em outubro de 2004 e novembro de 2004, respetivamente, passaram a vigorar a partir de 2005/2006 (Cardoso et. al. 2004; Martins et. al. 2004).

Estas orientações curriculares/programas estão estruturados em unidades definidas segundo um tema abrangente, que é desenvolvido numa perspetiva CTSA (Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente). Esta perspetiva de ensino das ciências pretende dar destaque às interações entre a tecnologia, o ambiente e a ciência proporcionando o desenvolvimento de estratégias inovadoras de ensino e de aprendizagem. Ao compararmos estes programas com os que vigoraram até 2003/2004, verifica-se a existência de uma vertente prática laboratorial mais acentuada nos 10º e 11º anos. Contudo, foram suprimidas as disciplinas de Técnicas laboratoriais de Química e Técnicas Laboratoriais de Física. No programa de Química do 12º ano as alterações não foram significativas no que diz respeito aos conceitos mencionados. No programa de Física do 12º ano a alteração mais significativa, nomeadamente com assuntos relacionados com os conceitos de radiação e radioatividade, foi a inclusão de uma nova unidade, “Física Moderna”, (Cardoso et. al. 2004; Martins et. al. 2004).

2.1. Ciências Físico-Químicas do 3º ciclo do Ensino Básico

Neste ciclo de ensino as orientações curriculares para as Ciências Físico-Químicas e Ciências Naturais) encontram-se organizadas em quatro temas, que são comuns às duas disciplinas, que, por sua vez, se subdividem em subtemas específicos de cada disciplina. Na tabela I estão representados os temas e os subtemas referentes à disciplina de Ciências Físico-Químicas.

- 7 - Tabela I - Estrutura das orientações curriculares do 3º ciclo ensino básico para as Ciências Físico-Químicas. Temas Subtemas  Terra no Espaço  Universo  Sistema Solar  Planeta Terra  Terra em transformação  Materiais

 Energia

 Sustentabilidade na Terra

 Som e Luz

 Reações Químicas  Mudança Global

 Viver melhor na Terra

 Em trânsito

 Sistemas elétricos e eletrónicos  Classificação de materiais Adaptado de Galvão et. al. (2001)

Neste ciclo de ensino os assuntos relacionados com a radiação são pouco divulgados. A primeira abordagem ao termo radiação é feita no 7º ano na disciplina de Ciências Físico-Químicas, no tema organizador “Terra em transformação” e subtema “Energia”. Pretende-se que os alunos identifiquem a radiação como a transferência de energia entre corpos, sem a necessidade de contacto entre eles (Galvão et al., 2001). Este conceito volta a ser abordado no 8º ano no tema organizador “Sustentabilidade na Terra” e subtema “Som e Luz”, onde se pretende que os alunos identifiquem as diferentes radiações e que as situem no espectro eletromagnético de acordo com a sua energia. Mais uma vez a radiação é tratada apenas como uma forma de transferência de energia. No 9º ano, onde é abordado o tema organizador “Viver melhor na Terra”, o conceito de radiação é apenas mencionado como forma de um átomo absorver ou libertar energia (Galvão et al., 2001).

2.2. Ensino Secundário

A disciplina de física e química no ensino secundário está organizada em Física e Química A que é uma disciplina bianual a ser lecionada no 10º e 11º ano. No 12º ano figuram como como duas disciplinas independentes, Química do 12º ano e Física do 12º ano, tendo um caráter opcional.

- 8 -

2.2.1. Física e Química A – 10º ano

Este programa é constituído por duas componentes uma de Química e uma de Física. No programa de Física e Química A do 10º ano, que se encontra em vigor, o tema radiação não é abordado como um tema principal, mas como um complemento.

Componente de Química

O programa de química é constituído por três unidades, sendo a primeira a unidade zero, uma revisão sobre os conteúdos lecionados no 3º ciclo do ensino básico. Estas unidades estão estruturadas em temas que são constituídos por vários subtemas. Na tabela II encontram-se a unidade, tema e subtemas que se relacionam com os conceitos de radiação e radioatividade e o seu enquadramento no programa.

Tabela II- Unidade, Temas e Subtemas do programa de Física e Química A do 10º ano da componente de Química, relacionados com os conceitos de radiação

Unidades Temas Subtemas

1. Das Estrelas ao Átomo

Arquitetura do Universo

 Algumas reações nucleares e suas aplicações:

Fusão nuclear do hidrogénio e do hélio Síntese nuclear do carbono e do oxigénio  Fissão nuclear

Espetros Radiação e Energia

 Emissão de radiação pelas estrelas – espectro de riscas de absorção

 Espectro eletromagnético – radiações e energia

 Relação das cores do espectro do visível com a energia da radiação

 Aplicações tecnológicas da interação radiação – matéria 2. Na atmosfera da Terra: radiação, matéria e estrutura Interação radiação-matéria

 Formação de iões na termosfera e na mesosfera

 A atmosfera como filtro de radiações solares  Formação de radicais livres na estratosfera e na troposfera

O ozono na atmosfera

 O ozono como filtro protetor da Terra

 Formação e decomposição do ozono na atmosfera

 A camada do ozono Adaptado de Martins et. al. (2001)

Na unidade 1 “Das Estrelas ao Átomo” no tema “Arquitetura do Universo” são abordados alguns conceitos relacionados com a Física das partículas, nomeadamente quando se fala sobre as partículas elementares. Também são abordados alguns assuntos relacionados

- 9 - com a física nuclear, tais como a formação dos elementos recorrendo às reações de fusão e de cisão (Martins et. al. 2001).

No tema “Espectros radiação e energia”, partindo da radiação emanada pelas estrelas é apresentado o conceito de espetroscopia, o espetro eletromagnético e os espetros de emissão e absorção de alguns elementos. É estabelecida a relação das cores dos espetro visível com a energia da radiação. E são apresentadas algumas aplicações da interação da radiação com a matéria, nomeadamente o efeito fotoelétrico (Martins et. al. 2001).

Na unidade 2 “Na atmosfera da Terra: radiação, matéria e estrutura” no tema: “Interação radiação-matéria”, o termo radiação é sempre tratado numa perspetiva química e não física. Isto é, quando se faz referência à formação de radicais livres na atmosfera terrestre como resultado da interação da radiação com a matéria. Neste item faz-se, pela primeira vez, a distinção entre radiação ionizante e não ionizante e os efeitos resultantes da sua interação com a matéria (Martins et. al. 2001).

No tema “O ozono na estratosfera” refere-se novamente a radiação, com principal destaque para a radiação Ultravioleta e suas interações com a matéria. No seguimento deste assunto é feita uma breve referência aos protetores solares e ao índice de proteção solar (Martins et. al. 2001).

Componente de Física

Tal como a componente de química, esta componente está estruturada em três unidades, com a unidade zero a ser o módulo inicial. A tabela III ilustra-nos as unidades, temas e subtemas que estão relacionados com o conceito de radiação.

Tabela III - Unidade, Temas e Subtemas do programa de Física e Química A do 10º ano da componente de física, relacionados com os conceitos de radiação

Unidade Temas Subtemas

0. Das fontes de energia ao utilizador Situação energética mundial e degradação de energia  Transferências e transformações de energia

Conservação de energia  Calor, radiação, trabalho e potência.

1. Do Sol ao

aquecimento Do Sol para a Terra

 Balanço energético da Terra

 Emissão e absorção de radiação. Lei de Stefan – Boltzmann.

 Deslocamento de Wien

 A radiação solar na produção da energia elétrica – painel fotovoltaico.

- 10 - Ao olharmos para o programa da componente de física do 10º ano, constatamos que todo ele se desenvolve em torno da compreensão da lei da conservação da energia. Como tal a radiação é sempre abordada como um processo de transferência de energia (Martins

et. al. 2001).

2.2.2. Física e Química A 11º ano

Os programas de Física e Química A do 11º ano foram implementados no ano letivo 2004/2005. A sua estrutura é a continuação do programa do 10º ano. Como tal, é constituído por duas componentes, a de física e a de química, cada uma constituída por duas unidades (Martins et al., 2003).

Componente de Física

Da análise deste programa podemos constatar que só a unidade dois da componente de física apresenta alguns conceitos que se podem relacionar com o conceito de radiação, tabela IV (Martins et al., 2003).

Tabela IV - Unidade, Temas e Subtemas do programa de Física e Química A do 11º ano da componente de física, relacionados com os conceitos de radiação

Unidade Temas Subtemas

2. Comunicações informação Comunicação a longa de distância

 Transmissão de informação por radiação eletromagnética

 Reflexão, refração, reflexão total, absorção e difração.

 Bandas de frequência para diferentes tipos de transmissão

Adaptado de Martins et al. (2003)

Nesta unidade o conceito de radiação é novamente abordado como forma de transferência de energia, que é utilizada para transmissão de informação a longas distâncias. O aluno tem, mais uma vez, contacto com o espetro eletromagnético, com as principais características das diferentes radiações, assim como os efeitos diferenciados destas quando interagem com a matéria. No entanto, o conceito de radioatividade não faz parte do programa de Física e Química A do 11º ano.

- 11 -

2.2.3. Química 12º ano

O programa de Química 12º ano foi implementado no ano letivo de 2005/2006. É constituído por 3 unidades: Metais e ligas metálicas; Combustíveis, Energia e Ambiente; Plásticos, Vidros e Novos Materiais (Martins et al., 2004).

Ao analisarmos o programa podemos constatar a existência de assuntos relacionados com os conceitos de radiação e radioatividade, que se encontram na unidade 2 “Combustíveis, Energia e Ambiente”, tal como ilustrado na tabela V.

Tabela V - Unidade, Tema e Subtemas do programa de química do 12º ano relacionados com os conceitos de radiação e radioatividade

Unidade Temas Subtemas

2- Combustíveis, energia e ambiente  Combustíveis alternativos e algumas alternativas aos combustíveis  A energia nuclear  De onde vem a energia dos combustíveis

 Equivalência massa-energia: um assunto nuclear

- Energia de ligação nuclear e estabilidade dos núcleos

- A estabilidade/instabilidade nuclear e o decaimento radioativo

- _{Emissões radioativas: partículas} alfa e beta e radiações gama

- Período de decaimento ou tempo de meia vida

- _{Fontes naturais e artificiais de} radioatividade

- Datação e radioatividade

- Medidores (detetores) de radioatividade

- _{Reações nucleares: a fusão nuclear} e a fissão (cisão) nuclear

- Equivalência massa-energia e as reações nucleares

Adaptado de Martins et al. (2004).

Do que foi exposto, podemos afirmar que esta unidade contempla conteúdos de física moderna. O conceito de radioatividade é aqui introduzido pela primeira vez, tal como a distinção entre fontes de radioatividade naturais e artificiais, radiação ionizante e não ionizante.

- 12 -

2.2.4. Física 12º ano

O atual programa de Física do 12º ano tal como o de Química de 12º ano foi implementado no ano letivo 2005/2006, apresentando uma evolução relativamente aos anteriores.

Neste programa foi introduzida uma nova unidade de ensino dedicada à Física Moderna (Unidade 3). À data, a inclusão desta unidade foi justificada por vários motivos: “permite dar uma visão mais realista ao aluno do que é a física neste início de seculo XXI, (….). Por outro lado, o ensino da física moderna permite destacar aspetos essenciais da construção do conhecimento científico, ao apresentar e confrontar ideias e teorias científicas que revolucionaram a física e a própria ciência. Finalmente, as inúmeras aplicações da física moderna, (….). O estudo da radioatividade justifica-se pela sua atualidade e pelo seu interesse energético” (Cardoso et al. 2004, p. 6).

A Unidade, Temas e Subtemas do programa em questão que se relacionam com os conceitos de radiação e radioatividade encontram-se registados na tabela VI.

Tabela VI – Unidade, Temas e Subtemas do programa de Física do 12º ano relacionados com os conceitos de radiação e radioatividade

Unidade Temas Subtemas

2 - Eletricidade e magnetismo

 Ação de campos magnéticos sobre cargas em movimento e correntes

 Espectrómetro de massa e ciclotrão  Experiência de Thomson e relação e/m do eletrão

3 - Física Moderna  Introdução à física quântica

 A quantização da energia de Planck  A teoria dos fotões de Einstein  Dualidade onda-corpúsculo para a luz  Radiação ionizante e não ionizante  Interação da radiação com a matéria: efeito fotoelétrico, efeito de Compton, produção e aniquilação de pares

 Raios X

 Dualidade onda-corpúsculo para a matéria. Relação de De Broglie

 Princípio de Incerteza e Mecânica Quântico

 Núcleos atómicos e radioativos

 Energia de ligação nuclear e estabilidade dos núcleos

- Processos de estabilização dos núcleos: decaimento radioativo

- _{Propriedades das emissões radioativas} (alfa, beta e gama)

- 13 - - Período de decaimento (tempo médio de vida)

- _{Atividade de uma amostra radioativa} - _{Fontes naturais e artificiais de} radioatividade

- Efeitos biológicos da radioatividade - _{Dose de radiação absorvida e dose} equivalente biológica

- Detetores de radiação ionizante - Aplicações da radiação ionizante

- _{Reações nucleares: fusão nuclear e} cisão nuclear

Adaptado de Cardoso et al. (2004)

Como se pode observar na tabela VI, no programa de física do 12º ano já são abordados assuntos da física moderna que se relacionam com os conceitos de radiação e radioatividade.

O conceito de radiação está presente em toda a unidade 3 “Física Moderna” e pela primeira vez é introduzido o conceito de radioatividade. O termo radiação é tratado não só como uma onda eletromagnética, mas também como um feixe de partículas que podem ter ou não carga (Cardoso et al. 2004).

Segundo as indicações metodológicas do programa, pretende-se que os alunos: (i) reconheçam a existência de núcleos instáveis que se transformam espontaneamente com libertação de energia, que pode ser de natureza corpuscular ou eletromagnética, (ii) associem a emissão de partículas alfa, beta ou radiação gama a processos de decaimento radioativo. Também é pretendido que o aluno (iii) aplique a lei do decaimento radioativo e que a relacione com a atividade de uma amostra e que (iv) indique os efeitos da radiação ionizante sobre os seres vivos. Por sugestão dos autores do programa, o professor pode utilizar um contador Geiger-Müller para detetar a radiação natural de fundo ou de fontes radioativas, permitindo assim ao aluno fazer uma distinção entre fontes radioativas naturais e artificiais (Cardoso et al. 2004).

- 15 - Física das Radiações

A Terra recebe constantemente radiação do Sol e do espaço sideral. A radiação eletromagnética do Sol, na sua maioria infravermelha, visível e ultravioleta atinge continuamente a Terra e produz uma série de efeitos. Além da radiação eletromagnética o Sol também emite partículas carregadas, que chegam até á superfície terrestre e que são designadas por vento solar. Do espaço sideral chegam-nos radiações e partículas as quais designamos por radiação cósmica.

A radiação também ocorre naturalmente a partir de alguns materiais presentes no solo, nas nossas casas e locais de trabalho, nos alimentos e na água que consumimos, existindo igualmente no ar que respiramos. Segundo a Comissão das Comunidades Europeias (1993)4_{, estas fontes naturais de radiação são responsáveis por cerca de 82% de toda a}

radiação a que estamos sujeitos durante um ano. Além da radiação emanada pelas fontes naturais citadas, estamos ainda expostos à radiação produzida pelo Homem, resultante, por exemplo, da fissão nuclear, dos raios X e de outras formas de radiação, como a que é emitida pelas antenas dos sistemas de telecomunicações, linhas de alta tensão, aparelhos elétricos, etc.

A radiação eletromagnética é a propagação de energia resultante da oscilação de um campo elétrico (𝐸⃗ ) e de um campo magnético (𝐵⃗ ), que variam no espaço e no tempo. A variação do campo elétrico (𝐸⃗ ) é perpendicular à variação do campo magnético (𝐵⃗ ), formando assim uma perturbação eletromagnética que se propaga numa direção perpendicular ao plano formado pelas direções dos campos elétrico e magnético, é uma onda transversal, figura 1.

Figura 1 – As ondas eletromagnética são transversais e consistem na propagação de um campo elétrico (𝐸⃗ ) e de um campo de magnética (𝐵⃗ ), perpendiculares entre si e à direção de propagação (Rodrigues e Dias, 2008).

- 16 - As ondas eletromagnéticas são caracterizadas por se propagarem no vácuo com velocidade constante (𝑐 = 2,99792458 × 108_ms−1_{); quando mudam de meio de propagação} a sua frequência mantem-se constante, variando a velocidade de propagação; a energia transportada por cada onda depende da frequência e da amplitude.

A existência das ondas eletromagnéticas foi confirmada experimentalmente no final do século XIX por Hertz, demonstrou de uma forma simples e incisiva que um campo eletromagnético variável se propaga no vácuo com velocidade igual à da luz.

No entanto estas ondas eletromagnéticas já tinham sido previstas por Maxwell, quando elaborou a teoria do eletromagnetismo. Elas surgem como resultado da análise das equações do campo elétrico e do campo magnético (tabela VII) sendo soluções para a equação de onda,



 









onde:



 

x,

t

Tabela VII - Equações de Maxwell para o campo eletromagnético na forma integral

1. Lei de Gauss para o campo elétrico ∮ 𝐸⃗ . 𝑑𝑆 =_{𝑠 𝜀}𝑞₀ (2) 2. Lei de Gauss para o campo magnético ∮ 𝐵⃗ . 𝑑𝑆 = 0

𝑠 (3) 3. Lei de Faraday-Herry ∮ 𝐸⃗ . 𝑑𝑙 = −𝑑 𝑑𝑡∫ 𝐵⃗ . 𝑑𝑆 _𝑠 𝐿 (4) 4. Lei de Ampère-Maxwell ∮ 𝐵⃗ . 𝑑𝑙 = 𝜇0(𝐼 + 𝜀0 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝐸⃗ . 𝑑𝑆 𝑠 ) 𝐿 (5)

Retirado de Alonso e Finn (2012).

A interação das radiações eletromagnéticas com a matéria é descrita pelo modelo corpuscular, onde um fotão é energia quantificada pela equação:

𝐸 = ℎ𝑓 (6)

onde ℎ = 6,6261 × 10−34 _{Js é a constante de Planck e 𝑓 é a frequência da radiação.}

A matéria é constituída por átomos e moléculas, que normalmente encontram-se no estado fundamental (estado de menor energia). A matéria quando é atingida por radiação vai absorvê-la, resultando numa excitação dos seus constituintes. Posteriormente a energia em excesso vai ser libertada, sob a forma de radiação. É de salientar que para fornecer energia à matéria e elevar os seus constituintes a um estado de maior energia não tem que ser necessariamente por radiação, pode ser por diferentes meios, tais como uma descarga

- 17 - elétrica, colisão de uma partícula (um eletrão, um protão, neutrão, etc.) com o átomo, ou ainda quando um neutrão é capturado por um núcleo, de modo que a partícula transfere parte da sua energia para o átomo (Chang, 1994).

A radiação emitida por um elemento, é uma característica desse elemento, pois é única e é composta por frequências bem definidas. Ao conjunto de frequências características de uma substancia chamamos de espetro de emissão da substância.

É de salientar o caso particular do corpo negro, que tem emissividade 1. O que significa que absorve e emite radiação em toda a gama de frequências o que resulta num espectro de emissão e absorção continuo, com um máximo de emissão para um determinada temperatura (Maciel, Villate, Azevedo  Paixão, 2015).

Para explicar os espectros de emissão e outros fenómenos que envolvem a interação da radiação com a matéria, tais como o efeito fotoelétrico, efeito Compton, produção de raios X e produção e aniquilação de pares é necessário recorrer à teoria de Planck da quantização da energia e ao conceito de fotão ou “quantum” de energia (Chang, 1994; Ventura, Fiolhais

 Paixão, 2005).

Em 1900, Planck propôs a teoria quântica para explicar a radiação do corpo negro, rompendo com as teorias da física clássica. A física clássica considerava que os átomos e as moléculas podiam emitir e absorver qualquer quantidade de energia, o que não estava de acordo com os espectros de emissão e absorção e não explicava a emissão de radiação por parte de um corpo negro. Planck sugeriu que os átomos e as moléculas poderiam absorver e emitir radiação, não de uma forma contínua, mas apenas em quantidades discretas em pequenas parcelas bem definidas, às quais chamou de quantum de energia. Essa quantidade de energia é proporcional à frequência da radiação, equação (6). De acordo com a teoria quântica de Planck, a energia é emitida em múltiplos de ℎ 𝑓.

Quando Planck apresentou a teoria quântica não conseguia explicar o porquê da quantificação da energia, assim como o valor de ℎ. Este foi determinado por ajuste experimental das curvas de radiação do corpo negro. O seu valor ao ser diferente de zero permitia descrever corretamente a curva de radiância na região de pequenos comprimentos de onda. Esta teoria foi retomada em 1905 por Einstein para explicar o efeito fotelétrico (Chang, 1994; Martins  Rodrigues, 2005; Ventura, Fiolhais  Paixão, 2005).

No ponto seguinte vamos descrever as várias gamas de radiação tendo em consideração a sua interação com a matéria, a energia dos fotões e as suas aplicações.

- 18 - 3.1. Radiação eletromagnética

Figura 2 – No espetro eletromagnético as radiações estão organizadas pela sua frequência ou pelo comprimento de onda, os raios gama são os que possuem menor comprimento de onda e as ondas ELF (extra low frequency) as que possuem o maior comprimento de onda (adaptado de Alonso  Finn, 2012).

- 19 - Ao observarmos o espectro eletromagnético, ilustrado na figura 2, podemos verificar que gamas de radiação diferentes têm comportamentos diferentes quando interagem com a matéria. Por exemplo, as ondas eletromagnéticas que possuem energia por fotão comparável às energias de excitação de átomos e moléculas interagem intensamente com a matéria. É o caso das radiações infravermelha, visível e ultravioleta. Radiações com maior comprimento de onda e, por consequência, fotões de menor energia têm interações mais fracas com a matéria como é o caso das radiações de radiofrequência. As ondas de fotões de elevada energia e pequeno comprimento de onda, como os raios Χ e os raios  são pouco absorvidas pelos átomos e moléculas, contudo podem excitar os núcleos, os seus efeitos na matéria são profundos, além de produzir a ionização e dissociação de átomos e moléculas, em muitos casos provocam a desintegração nuclear (Alonso  Finn, 2012).

Tendo em consideração a energia dos fotões de cada gama de radiação e, consequentemente, a sua interação com a matéria, as radiações podem ser classificadas em radiação não ionizante e radiação ionizante.

As radiações ionizantes são todas as radiações com ou sem massa de repouso capaz de arrancar um eletrão a um átomo (capaz de ionizar um átomo), possuem uma energia por fotão superior a 12 eV. Deste tipo de radiações fazem parte: os raios ultravioleta, raios Χ e raios  (como se pode observar na figura 2). Das radiações ionizantes também fazem parte partículas com carga (protões e eletrões) que possuem energia cinética superior às energias de ligação dos eletrões das camadas internas, são as chamadas radiação Alfa e Beta (Yoshimura, 2009). Este assunto será abordado posteriormente no tema radiações associadas às reações nucleares.

As radiações não ionizantes apresentam menor frequência e, como consequência, os seus fotões têm energia inferior a 12 eV. Esta energia não é suficiente para ionizar o átomo, apenas o pode excitar. São exemplos deste tipo de radiação a luz visível, radiação infravermelha, as micro-ondas e as radiofrequências. As radiações não ionizantes, sendo todas elas radiações eletromagnéticas e como já referido anteriormente, têm uma origem comum que é o movimento das cargas elétricas.

Seguidamente abordaremos algumas características da radiação eletromagnética, nas várias bandas de frequência.

- 20 -

3.1.1. Ondas de rádio ou radiofrequência

As radiofrequências situam-se num dos extremos do espetro eletromagnético (figura 2). Possuem um intervalo de comprimento de onda que vai desde alguns quilómetros a 0,3 m, ao qual corresponde um intervalo de frequência que se estende desde alguns kHz às centenas de GHz . Como consequência dos seus elevados comprimentos de onda, estas ondas são as que possuem menor energia com uma variação na ordem de 10−13 _{a 10}−7 _eV por fotão (Alonso  Finn, 2012).

Estas ondas são emitidas de forma natural pelo Sol e pelas restantes estrelas, detetadas por radiotelescópios. Foram pela primeira vez produzidas artificialmente e detetadas por, Heinrich Hertz em 1887, quando estava a efetuar uma experiência com uma bobine de indução ligada a duas esferas metálicas,

figura 3.

Hertz verificou que quando a bobine era percorrida por uma corrente elétrica, existia uma descarga elétrica entre as duas esferas e, após a primeira descarga, ocorriam outras descargas elétricas num anel metálico aberto, colocado a uma certa distância das esferas. Estava assim descoberta a forma de produzir ondas de rádio e

de as detetar, através do anel metálico. Mais tarde, Gugliemo Marconi descobriu uma forma de incorporar sinais sonoros às ondas de radio (Rodrigues & Dias, 2008).

Estas radiações têm a facilidade de contornar obstáculos e serem refletidas na ionosfera, permitindo-lhes atingir locais afastados da fonte emissora, transportando sinais de emissoras de rádio, televisão, etc. São igualmente utilizadas em técnicas como a criação de imagem através da ressonância magnética nuclear, (NMRI, Nuclear Magnetic Ressonance Imaging; Alonso  Finn, 2012).

3.1.2. Radiação micro-ondas

A radiação denominada de micro-ondas abrange o intervalo de comprimentos de onda que vai desde 0,3 a 1 × 10−3 _{m, a qual corresponde um intervalo de frequências de 1 × 10}9 até 3 × 1011_{Hz. Quando comparadas com as radiofrequências, estas radiações são mais} energéticas, possuindo uma energia na ordem de 10−6 _{a 10}−3_{eV por fotão.}

As micro-ondas existem em todo o universo e podem ter origem em fontes naturais ou artificiais. São emitidas naturalmente pelo Sol e com menor intensidade pelo cosmos, a Figura 3 - Esquema ilustrativo da experiência de

Hertz para a produção de ondas de rádio Rodrigues e Dias (2008)

- 21 - chamada radiação de fundo em micro-ondas (um dos principais pilares da teoria do Big-Bang). Artificialmente são geradas através de dispositivos eletrónicos (Alonso  Finn, 2012).

Uma das características das micro-ondas, com uma vasta utilidade prática, é serem capazes de atravessarem a atmosfera sem sofrer o fenómeno de reflexão. Esta propriedade permite a sua utilização na transmissão de informação utilizando satélites de comunicação, telemóveis, orientação de aviões, transmissão de sinais por radar e mesmo o estudo das origens do Universo (radiação cósmica de fundo) (Rodrigues & Dias, 2008).

Uma outra característica, não menos importante, resulta da sua interação com a matéria. As micro-ondas ao interagirem com a matéria, podem provocar transições entre os níveis de energia mais próximos, como é o caso dos níveis rotacionais das moléculas.

Esta propriedade é a base do funcionamento dos fornos micro-ondas que utilizam a ressonância das ondas eletromagnéticas, (dentro das paredes metálicas) para provocar a transição rotacional das moléculas da água e assim aquecerem os alimentos. Os fornos micro-ondas operam com radiações de frequência aproximadamente de 2450 M Hz, as quais corresponde uma energia na ordem de 10−5_{eV, energia suficiente para interferir com os} estados vibracionais das moléculas de água (Barboza, Cruz, Graziani, Lonrenzetti 

Sabadini, 2001).

3.1.3. Radiação infravermelha

Seguindo o espetro eletromagnético, a seguir às micro-ondas encontramos a radiação infravermelha, com um comprimento de onda a variar de 1 × 10−3 _{a 7,8 × 10}−7_{m, aos quais} corresponde um intervalo de frequência compreendido entre 3,0 × 1011 _{e 4,0 × 10}14_Hz. Estas radiações possuem uma energia que se estende desde 0,9 × 10−3 _{até 1,6 eV) (Alonso}

 Finn, 2012).

Estas ondas eletromagnéticas foram detetadas pela primeira vez pelo astrónomo Sir William Herschel (1738-1822) em 1800. Herschel tentava verificar quais as cores do espectro visível que emitiam maior quantidade de calor. Para tal, utilizou um prisma para decompor a luz proveniente do sol e, com a ajuda de um termómetro, concluiu que a temperatura aumentava à medida que se passava do violeta para o vermelho. Verificou ainda que o maior aumento de temperatura se encontrava para além da radiação visível, depois da cor vermelha. Denominou esta radiação invisível, de raios calóricos, hoje conhecidos por raios infravermelhos (Mendonça, 2005).

Tendo em conta as suas características, estas radiações apresentam diversas aplicações, desde a sua utilização em dispositivos de visão noturna, orientação de mísseis,

- 22 - técnicas de termografia e espetroscopia, transmissão de sinais entre aparelhos eletrónicos, nos alarmes antirroubo; também utilizadas na medicina, por exemplo, nas técnicas de fototerapia. Uma outra aplicação não menos importante é na comunicação por fibra optica, onde são utilizadas radiações com comprimento de onda compreendidos entre os 1500 a 1600 nm (Rodrigues & Galzerani, 2012; Micha, Penello, Kawabata & Camarotti, 2011).

3.1.4. Radiação visível

A radiação visível é a radiação detetável pelo olho humano, geralmente denominada simplesmente por luz. A luz corresponde à radiação eletromagnética numa estreita banda de comprimento de onda que varia entre 7,8 × 10−7_{m e 3,8 × 10}−7_{m ao que corresponde uma} gama de frequências de 4 × 1014_{Hz a 8 × 10}14_{Hz. Transportam uma energia superior às} radiações infravermelhas com uma ordem de grandeza de 1,7 eV (Alonso  Finn, 2012).

A luz é produzida por átomos e moléculas como resultado do ajustamento interno no movimento dos seus componentes, nomeadamente dos eletrões. A principal fonte natural de luz, para a Terra, é o Sol, embora o homem tenha desenvolvido várias fontes artificiais: lâmpadas incandescente, de néon, florescentes e LED. (Alonso  Finn, 2012).

A radiação visível tem a particularidade de excitar as células que se encontram no olho humano, o qual vai transmitir o sinal ao cérebro que o descodifica, produzindo a sensação de visão. O nosso sistema de visão não percebe somente a radiação correspondente ao espectro visível, mas distingue as diferentes sensações que a luz produz no olho, ao que chamamos de cor. A cor depende da frequência (ou comprimento de onda) da onda eletromagnética. Para uma pessoa sem problemas de visão, as cores observadas correspondem aos seguintes comprimentos de onda / frequência (tabela VIII).

Tabela VIII – Cor em função do comprimento de onda/ frequência Cor Comprimento de onda-  (m) Frequência- 𝒇 (Hz) Violeta 3,90 𝑎 4,55 × 10−7 _{7,69 𝑎 6,59 × 10}14 Azul 4,55 𝑎 4,92 × 10−7 _{6,59 𝑎 6,10 × 10}14 Verde 4,92 𝑎 5,77 × 10−7 _{6,10 𝑎 5,20 × 10}14 Amarelo 5,77 𝑎 5,97 × 10−7 _{5,20 𝑎 5,03 × 10}14 Alaranjado 5,97 𝑎 6,22 × 10−7 _{5,03 𝑎 4,82 × 10}14 Vermelho 6,22 𝑎 7,80 × 10−7 _{4,82 𝑎 3,84 × 10}14

- 23 - A luz que os nossos olhos captam do Sol é considerada luz branca pois a sua frequência está compreendida em toda a faixa de frequências do espectro visível (Alonso 

Finn, 2012).

3.1.5. Radiação ultravioleta

Ao progredir no espetro eletromagnético, depois da radiação visível encontramos a radiação ultravioleta, com comprimento de onda de 3,8 × 10−7 _{a 6,0 × 10}−10 _{m, que} corresponde a uma frequência de 8 × 1014_{e 3 × 10}17_{Hz, descoberta por Johann Wilhem} Ritter. A energia dos fotões desta radiação varia de 3 a 124 eV. Esta energia é da ordem de grandeza próxima das energias de ionização dos átomos de muitos elementos, provocando a ionização e dissociação molecular quando interagem com a matéria, o que explica o desencadear de muitas reações químicas por interação com a radiação UV (Simões 

Simões, 2005; Alonso  Finn, 2012).

O Sol é a principal fonte natural de radiação ultravioleta e é o principal responsável pelo bronzeamento da pele. Os raios ultravioletas emanados pelo Sol têm energia mais do que suficiente para ionizar os átomos do topo da atmosfera, produzindo uma grande quantidade de iões. É este o motivo das camadas superiores da atmosfera, a uma altitude superior a 90 km, estarem praticamente ionizadas, razão pela qual é chamada de ionosfera.

Os raios ultravioleta ao interagirem com a matéria provocam diversos efeitos, dependendo da energia dos fotões incidentes. Dependendo da sua energia e da sua interação com a matéria, (principalmente com o corpo humano) esta gama de radiação é classificada em raios ultravioleta A, os de menor energia, ultravioleta B e ultravioleta C, os que possuem maior energia (Alonso  Finn, 2012).

Segundo Simões e Simões (2005) a camada de ozono da Terra bloqueia 98,7% desta radiação e impede-a de penetrar na atmosfera. Cerca de 98,7% da radiação ultravioleta que atinge a superfície terrestre é de tipo A, as do tipo B e C como são mais energéticas e interagem com os átomos das camadas superiores da atmosfera, sendo assim absorvidas na ionosfera.

A classificação feita anteriormente é fundamentada nos efeitos resultantes da interação destas radiações com a matéria, essencialmente sobre o corpo humano. A banda de radiação UVC é conhecida como região germicida ou bactericida por possuir uma elevada energia, é altamente lesiva ao homem com efeitos carcinogénicos e mutagénicos. Felizmente é absorvida na sua maior parte pela camada de ozono, só uma quantidade ínfima é que atinge a população. As radiações UVB são menos energéticas que as UVC,

- 24 - apresentando um menor poder de penetração na pele, são, no entanto, intensamente absorvidas pela epiderme. São ainda as responsáveis pelos danos agudos e crónicos na pele, tais como manchas, queimaduras (vermelhidão e até bolhas), descamação e cancro de pele. Já as radiações UVA, as que possuem um maior comprimento de onda, são menos energéticas e penetram mais profundamente na pele atingindo a derme. Estas radiações originam radicais livres oxidativos, sendo responsáveis pelo envelhecimento cutâneo precoce (fotoenvelhecimento ou envelhecimento actínico) e contribuem para o desenvolvimento do cancro (Araújo & Sousa, 2008).

Dependendo da faixa de comprimentos de onda, as radiações UV têm múltiplas aplicações, tais como: o seu uso em sensores óticos, por exemplo na leitura de etiquetas de código de barras, são igualmente utilizadas na desinfeção e descontaminação de superfícies e da água. Para este objetivo específico, utilizam-se as mais energéticas. Fazem parte dos aparelhos utilizados para análises forenses e deteção de substâncias ilícitas, assim como nos eletrocutores de insetos, pois os raios UV atraem os insetos5_.

3.1.6. Raios X

Em 1895, Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) ao estudar os raios catódicos, observou a existência de um outro tipo de radiação que apresentava propriedades diferentes de todas as radiações conhecidas (raios catódicos, raios ultravioleta e infravermelho), os quais apelidou de raios X (Lima  Afonso, 2009).

Esta radiação é caracterizada por possuir um comprimento de onda que está compreendida entre 1 × 10−9 _{a 6× 10}−12 _{m, aos quais corresponde um intervalo de} frequências de 3 × 1017 _{a 5 × 10}19_{Hz o que lhes confere uma energia que varia,} aproximadamente de 1,25 a 206 keV (Alonso & Finn, 2012).

Os raios X, tal como as radiações já mencionadas, têm origem nas transições eletrónicas. Diferem das anteriores por serem oriundas das transições eletrónicas de níveis e subníveis mais internos do átomo e possuírem elevada energia, capaz de ionizar a matéria quando interage com ela. Estas transições podem ser provocadas por dois processos: por interação nuclear ou pela desaceleração de partículas carregadas animadas de elevada velocidade (preferencialmente eletrões) – Bremsstrahlumg (Lima & Afonso, 2005).

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