UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA

Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física

ESTUDO DE RADIAÇÕES IONIZANTES E NÃO IONIZANTES UTILIZANDO COMO FACILITADOR A

CÂMARA DE NUVENS CASEIRA

DEVACIR VAZ DE MORAES

Barra do Garças-MT 2020

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física

DEVACIR VAZ DE MORAES

ESTUDO DE RADIAÇÕES IONIZANTES E NÃO IONIZANTES UTILIZANDO COMO FACILITADOR A CÂMARA DE NUVENS CASEIRA

Dissertação apresentada ao programa de pós- graduação do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física como um dos requisitos necessários para a obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.

Orientador: Prof. Dr. Adellane Araujo Sousa

Barra do Garças-MT 2020

Dados Internacionais de Catalogação na Fonte.

M827e Moraes, Devacir. ESTUDO DE RADIAÇÕES IONIZANTES E NÃO IONIZANTES UTILIZANDO COMO FACILITADOR A CÂMARA DE NUVENS CASEIRA / Devacir Moraes. -- 2020 122 f. ; 30 cm.

Orientador: Adellane Araujo Sousa. Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Federal de Mato Grosso, Instituto de Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-Graduação Profissional em Ensino de Física, Pontal do Araguaia, 2020. Inclui bibliografia.

1. Câmara de Nuvens. 2. Estudo das Radiações. 3. Sequência Didática. I. Ficha catalográficaTítulo. elaborada automaticamente de acordo com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).

Permitida a reprodução parcial ou total, desde que citada a fonte.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA

CERTIFICADO DE APROVAÇÃO

Título: ESTUDO DE RADIAÇÕES IONIZANTES E NÃO IONIZANTES UTILIZANDO COMO FACILITADOR A CÂMARA DE NUVENS CASEIRA

Autor: Devacir Vaz de Moraes

Orientador: Prof. Dr. Adellane Araujo Sousa Aprovada em: 22 de junho de 2020.

Comissão examinadora:

Profº. Dr. Adellane Araujo Sousa (Orientador)

______

Profª. Dr. Ana Rita Pereira (Examinador Externo)

Profº. Dr. Fabrízio Myaki Alves

BARRA DO GARÇAS-MT 2020

RESUMO Uma das principais preocupações quanto ao ensino de Física é como os educandos irão compreender os conceitos trabalhados em sala de aula. É preciso encontrar novas opções, romper rotinas e quebrar paradigmas. A dificuldade é ainda maior para trabalhar Física Moderna e Contemporânea, pois o material oferecido nas escolas faz uma abordagem superficial de conceitos importantes, como: radiações ionizantes e radiações não ionizantes, radiação do corpo negro, radiação natural e artificial. Outra dificuldade encontrada em trabalhar tais conceitos é sua abstração, com isso o professor acaba dando preferência aos conteúdos da Física Clássica. Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo construir e implementar uma câmara de nuvens caseira através de uma sequência didática, facilitando a compreensão dos conceitos de radiações ionizantes e não ionizantes, tornando conceitos abstratos em conceitos palpáveis para os estudantes, possibilitando-os associar ao seu cotidiano, conhecendo seus malefícios e benefícios. O trabalho foi aplicado no Instituto Federal Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso, Campus Confresa, com estudantes do 3º ano do Técnico em Agropecuária Integrado ao Nível Médio A e B, sendo usadas doze aulas para seu desenvolvimento, bem como a aplicação do experimento real e virtual. A sequência didática prioriza os conhecimentos prévios dos estudantes, por meio de aula dialogadas e expositivas, sendo fundamentada por três momentos pedagógicos concebidos por Paulo Freire e adaptada para o ensino de Física por Delizoicov. Pode-se perceber no desenvolvimento da sequência, uma melhora na aprendizagem e na compreensão dos conteúdos, através dos questionamentos dos estudantes e na demonstração de grande interesse nas aulas. Como resultado relevante deste trabalho destacamos a oportunidade de trabalhar Física Moderna e Contemporânea, mostrando novas possibilidades e perspectivas de conhecimento, além de quebrar algumas barreiras existentes entre os estudantes e conceitos de radiação, que serão levadas para sua vida.

Palavras-chave: Câmara de Nuvens. Estudo das Radiações. Sequência Didática.

ABSTRACT

One of the main concerns about teaching Physics is how students will understand the concepts taught in the classroom. It is important to find new options, break routines and paradigms. The difficulty is even greater when working with Modern and Contemporary Physics, due to how school material approaches important concepts superficially, such as: ionizing and non-ionizing radiation, blackbody radiation, natural and artificial radiation. Another difficulty encountered in working with such concepts is their abstraction. Therefore, the teacher ends up choosing to work with Classical Physics contents. From this perspective, this study aims to build and implement a homemade cloud chamber through a didactic sequence, simplifying the understanding of ionizing and non-ionizing radiation concepts, turning abstract concepts into tangible ones, hence helping the learners and enabling them to associate the content with their daily lives, recognizing the harms and benefits. This study was developed at the Federal Institute of Education, Science and Technology of Mato Grosso, Confresa Campus, with two 3rd grade high school classes (A and B) integrated with Agricultural Technician. The development of the project, as well as the application of real and virtual experiments, were done throughout twelve lessons. The didactic sequence prioritizes students' previous knowledge through dialogued and expository lessons and it is based on three pedagogical moments designed by Paulo Freire and adapted by Delizoicov for the teaching of Physics. During the development of the product, an improvement in the students’ learning and understanding of the contents can be perceived, due to their questions and great interest in the classes. As a relevant result of this work, we highlight the opportunity of working Modern and Contemporary Physics showing new possibilities and perspectives of knowledge, in addition to breaking barriers between students and radiation concepts; lessons learnt by them once and for all.

Keywords: Cloud Chamber. Radiation Study. Didactic sequence.

AGRADECIMENTOS

Agradeço à Deus pela vida, sabedoria e bênçãos a mim concebidas.

À minha família e em especial a minha esposa Denize e meus filhos João Paulo e Luis Antônio, que sempre me incentivaram e apoiaram, dando força e motivação em minhas conquistas pessoais e profissionais, possibilitando à conclusão de mais essa etapa na carreira acadêmica.

Ao meu orientador, Prof. Dr. Adellane Araujo Sousa, pela dedicação e disponibilidade de tempo à orientação deste trabalho, sendo fundamental desde a construção à aplicação com sugestões e ensinamentos.

Ao corpo docente do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, UFMT- Campus Araguaia - Barra do Garças, pela dedicação e contribuição com nossa formação ao longo do curso.

Aos colegas de sala de aula pelas inúmeras experiências trocadas, e aos trabalhos que apresentamos juntos e pela parceria durante esses anos.

Ao IFMT- Campus Confresa, em especial aos alunos da turma do 3º Ano Agropecuária Integrado ao Ensino Médio A e B, pela participação e envolvimento na aplicação deste trabalho.

A todos os colegas de trabalho do IFMT- Campus Confresa que contribuíram para a construção deste trabalho, em especial aos professores Agnaldo e Franco pelo apoio e suporte na aplicação deste trabalho.

A SBF, pelo apoio ao MNPEF, nos oportunizando a realização de estudos para o aperfeiçoamento profissional.

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Código De financiamento 001.

LISTA DE FIGURAS Figura 1- Esquema representa a câmara construído por Wilson ...... 16 Figura 2- Esquema da Câmara de Nuvens por Difusão ...... 17 Figura 3- Câmara de Nuvens Caseira ...... 18 Figura 4- Radiografia do sulfato duplo de potássio e uranila ...... 19 Figura 5- Espectro eletromagnético caracterizando radiações não ionizantes e ionizantes 20 Figura 6- Objeto com uma cavidade e um orifício representando o que seria aproximado de um corpo negro ...... 24 Figura 7- Curva experimental (linha tracejada) e teórica (linha continua) da radiância espectral ...... 24 Figura 8- Função energia potencial associada à emissão de uma partícula alfa por um núcleo de 238U ...... 31 Figura 9- Distribuição da energia cinética dos pósitrons emitidos no decaimento beta do 64Cu ...... 34 Figura 10- Relação entre as unidades radiológicas ...... 37 Figura 11-Decaimento radioativo da série urânio, actínio e tório ...... 40 Figura 12- Doses anuais de radiação cósmica ...... 45 Figura 13- Esquema simplificado de um contador de Geiger-Muller ...... 47 Figura 14- Esquema simplificado de um contador de Geiger-Muller ...... 50 Figura 15- Esquema simplificado de um tubo de raio X ...... 51 Figura 16- Intensidade dos raios X em função do comprimento de onda do Molibidênio. 53 Figura 17- Material usados para construção do experimento Câmara de Nuvens ...... 60 Figura 18- Recorte metálica.da canaleta de PVC na placa ...... 64 Figura 19- Placa metálica sendo pintada ...... 64 Figura 20- Placa após ser pintada ...... 65 Figura 21- Placa de isopor após sua fixação ...... 65 Figura 22- Processo de colagem do feltro no fundo da caixa de vidro ...... 66 Figura 23- Feltro após a colagem no fundo da caixa de vidro ...... 66 Figura 24- Placa metálica sobre o recipiente com nitrogênio ...... 67 Figura 25- Processo de embebedamento do feltro ...... 67 Figura 26- Colocando agua no encaixe de PVC ...... 68 Figura 27- Experimento pronto para ser usado ...... 68 Figura 28- Apresentação do Projeto ...... 78

Figura 29- Observação para detecção dos rastros ...... 82 Figura 30- Registro de um rastro com características de partículas alfa ...... 85 Figura 31- Momento que foram registrados rastros da partícula alfa na câmara de nuvens ...... 85 Figura 32- Registro de um rastro fino e longo ...... 86 Figura 33- Rastro deixado por elétrons ou pósitrons muito energéticos ...... 86 Figura 34- Registro de um rastro espesso e longo ...... 87 Figura 35- Registro do múon na câmara de nuvens ...... 87 Figura 36- Rastros de elétrons e pósitrons de baixa energia ...... 88 Figura 37- Decaimento do múon e sua anti-partícula ...... 88 Figura 38- Rastro característico do próton e partícula alfa ...... 89

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1- Relação proposta pelo experimento ao estudo sobre radiações ...... 92 Gráfico 2- Experimento Câmara de Nuvens como facilitador no estudo das radiações .... 93 Gráfico 3- Frequência de aulas experimentais na disciplina de Física ...... 94 Gráfico 4- As aulas contribuíram para compreender conceitos de radiações ionizantes e não ionizantes ...... 95 Gráfico 5- Quadro de doses de radiação com situações reais no qual estamos expostos no dia a dia ...... 97

LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Dose média de radiação de fontes naturais...... 38 Tabela 2- Exposição radiológica de trabalhadores em (mSv) ...... 41 Tabela 3- Resultado do número de contagens de diversos materiais ...... 69 Tabela 4- Resultado do número de contagens usando areia monazítica ...... 70 Tabela 5- Primeiro passo da sequência didática ...... 74 Tabela 6- Segundo passo da sequência didática organização do conhecimento ...... 75 Tabela 7- Terceiro passo da sequência didática aplicação do conhecimento ...... 76

Tabela 8- Partículas provenientes de materiais radioativos observadas na câmara de nuvens ...... 84 Tabela 9- Partículas cósmicas mais comuns observadas na câmara de nuvens ...... 84

SUMÁRIO INTRODUÇÃO ...... 13

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...... 16

2.1 A HISTÓRIA E A IMPORTÂNCIA DA CÂMARA DE WILSON (CÂMARA DE NUVENS) ...... 16 2.2 FUNDAMENTOS FÍSICOS ...... 19 2.2.1 Radiações Ionizantes e Não Ionizantes ...... 20 2.2.1.1 Radiações Eletromagnéticas ...... 20 2.2.1.2 Propriedades atômicas e os modelos de Rutherford e Bohr ...... 21 2.2.1.3 Radiações Não Ionizantes ...... 23 A) Radiação do Corpo Negro ...... 23 2.2.1.4 Radiações Ionizantes ...... 25 2.2.1.5 Força Nuclear ...... 27 2.2.1.6 Decaimento Radioativo ...... 28 A) Radiação Alfa ...... 30 B) Radiação Beta ...... 32 C) Radiação Gama ...... 34 2.2.1.7 Unidades de Medidas de Radiação ...... 35 2.2.1.8 Radiação Natural e Radiação Artificial ...... 38 2.2.1.9 Reatores Nucleares ...... 42 2.2.1.10 Radiação Cósmica de Fundo ...... 43 2.2.1.11 Raios Cósmicos ...... 44 2.2.1.12 Contadores e Medidores ...... 46 2.2.1.13 Doses de Radiação e Medidas de Proteção Radiológica ...... 48 2.2.1.14 Raios X ...... 51

2.3 FUNDAMENTOS EDUCACIONAIS ...... 54 2.3.1 MOMENTOS PEDAGÓGICOS ...... 57

3 PRODUTO EDUCACIONAL ...... 59

3.1 CONCEPÇÃO ...... 59 3.2 MATERIAIS E CONSTRUÇÃO DO EXPERIMENTO...... 59 3.3 MONTAGEM DO EXPERIMENTO CÂMARA DE NUVENS ...... 63

3.4 TESTE ...... 69

4 METODOLOGIA ...... 72

4.1 VISÃO GERAL DA IMPLEMENTAÇÃO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA...... 73

5. APLICAÇÃO EM SALA DE AULA ...... 77

5.1 EXECUÇÃO DO PRODUTO ...... 77 5.1.1 Problematização Inicial no desenvolvimento das aulas ...... 78 5.1.2 Organização do Conhecimento no desenvolvimento das aulas ...... 79 5.1.3 Aplicação do Conhecimento no desenvolvimento das aulas ...... 81 5.2 OBSERVAÇÕES FEITAS USANDO A CÂMARA DE NUVENS ...... 83

6 ANÁLISE DOS RESULTADOS ...... 90

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...... 98

8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...... 100

APÊNDICE A: QUESTIONÁRIO DIAGNÓSTICO APLICADO ...... 105

APÊNDICE B: SUGESTÃO PARA QUESTIONÁRIO DIAGNÓSTICO ...... 107

APÊNDICE C: QUESTIONÁRIO DO EXPERIMENTO CÂMARA DE NUVENS 109

APÊNDICE D: TESTE CONCEITUAL ...... 110

APÊNDICE E: QUESTIONÁRIO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA “ESTUDO DE RADIAÇÕES IONIZANTES E NÃO IONIZANTES UTILIZANDO COMO FACILITADOR A CÂMARA DE WILSON” E O USO DE EXPERIMENTOS. .... 113

APÊNDICE F: SLIDES DAS AULAS DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA ...... 114

INTRODUÇÃO

O ensino de Física no Brasil vem passando por transformações importantes, nas quais os métodos experimentais surgem como facilitadores na aplicação dos conteúdos. Entre os recursos didáticos que um professor pode utilizar, a experimentação associada as teorias físicas é importante, pois permite ao estudante compreender os conteúdos relacionando à sua realidade e favorecendo o entendimento de leis e conceitos. Nesse sentido, a prática experimental permite que o estudante desenvolva uma postura crítica e de questionamentos sobre o resultado e a veracidade dos experimentos, formulando algumas hipóteses e formando ideias sobre determinado conceito. A disciplina de Física apresenta grade Curricular extensa e poucas aulas para seu desenvolvimento. Algumas escolas têm uma ou no máximo duas aulas semanais e os professores precisam adequar os conteúdos com o número de aulas existente, selecionando- os e trabalhando conteúdos que acham importantes, deixando outros, dentre eles destaca-se a Física Moderna e Contemporânea (FMC), sendo este pertencente a grade curricular na maioria das escolas. Percebe-se a necessidade de trabalhar práticas experimentais que possam contribuir para uma abordagem desses conceitos, principalmente pela abstração com o que os livros didáticos trabalham esses conteúdos, atendendo de forma superficial. Além disso alguns livros de Física trabalham com um ou no máximo dois capítulos, o que é pouco, tendo em vista que os conceitos de FMC em especial as radiações ionizantes e não ionizantes são extensas, outros sequer mencionam essa área da Física tão importante para a sociedade atual. A Câmara de Nuvens foi o primeiro método criado de visualização de partículas subatômicas. Inventada por Charles T.R. Wilson, no final do século XIX, ela representou uma revolução experimental na área da Física Nuclear e de Partículas, servindo de ferramenta para um grande número de descobertas nessa área (como a descoberta do pósitron, anti-partícula do elétron e do múon, ambas por Anderson em 1932) e para o desenvolvimento de algumas das principais teorias sobre as interações de partículas elementares. Por meio do experimento Câmara de Nuvens os estudantes têm a oportunidade de visualizar a interação existente entre as radiações ionizantes e o álcool isopropílico supersaturado. Contudo, o experimento traz uma abordagem de FMC utilizando materiais

acessíveis, pois os equipamentos para detectar partículas subatômicas têm custo elevado para a maioria das escolas de educação básica no Brasil. Há um pensamento comum de grande parte da população associando a radiação com malefícios, provocados por acidentes e armas nucleares ao longo da história da humanidade, tais como as bombas de atômicas de Hiroshima e Nagasaki e acidentes nucleares como Chernobyl, Three Mile Island (Pensilvânia), Fukushima e Goiânia com o Cesio-137. Esses eventos citados evidenciam o quanto a radiação é “perigosa” aos olhos dos estudantes, sendo necessário leva-los à conhecer os benefícios da mesma (SOUZA, 2017, p.3). Este trabalho traz uma sequência didática, fazendo uma abordagem dos conceitos físicos que podem ser trabalhados, tais como: modelos atômicos, diferenças entre as radiações ionizantes e não ionizantes, medidas de proteção, doses de radiação absorvida, efeitos biológicos provocados, decaimento atômico e diferenças entre a radiação alfa, beta, raio-X e radiação gama. Através dessa sequência didática espera-se que os estudantes possam entender conceitos de radiação, percebendo além de seus males, os benefícios da mesma, como seu uso na produção de energia (usinas nucleares), seu papel nos raios cósmicos, no qual somos bombardeados todos os dias, que é parte das radiações naturais e o uso medicinal das radiações artificiais. Para desenvolvimento desta sequência foram escolhidas como público alvo duas turmas do 3º ano Técnico em Agropecuária, Integrado ao Ensino Médio A e B do Instituto Federal de Ciência e Tecnologia de Mato Grosso- Campus Confresa, em doze aulas de cinquenta minutos cada, ou 10 horas para aplicação da sequência, ocorrida nos meses de outubro e novembro de 2019. A aplicação da sequência foi pautada em três princípios pedagógicos abordados por Delizoicov em (1982, 1983) ao promover uma transposição da concepção de educação de Paulo Freire. Os três princípios são: sendo: problematização inicial, organização do conhecimento e aplicação do conhecimento. Nesse sentido, as aulas trouxeram uma problematização inicial, em que são apresentadas situações reais que os alunos conhecem ou presenciam e que estão envolvidos com o tema. Organização do conhecimento, momento em que sob a orientação do professor são estudados os conceitos físicos necessários para compreensão do tema. Aplicação do conhecimento, destinado a abordagem sistemática do saber incorporado pelo estudante para analisar e interpretar as situações apresentadas na problematização inicial.

Foram usados no decorrer das aulas slides em Power Point, além de vídeos apresentando a radiação emitida por diferentes materiais e as medidas de proteção para as radiações alfa, beta, raio X e gama, além de um vídeo do próprio experimento para que os estudantes identificassem o fenômeno observado. Para compreensão das inconsistências da Física Clássica em relação a radiação emitida pelo corpo negro e o surgimento da Física Moderna e Contemporânea usamos um experimento virtual da plataforma PHET, intitulado como Espectro de Corpo Negro. Os experimentos abordam temas importantes, como radiação eletromagnética, radiação do corpo negro e faz uma relação entre o comprimento de onda e temperatura, facilitando assim a compreensão dos estudantes. A organização didática do IFMT- Campus Confresa sugere a utilização de duas avaliações diferentes para a obtenção da nota bimestral, nesse sentido para verificar a aprendizagem dos estudantes foi aplicado ao término da sétima aula um trabalho avaliativo com 36 questões e um relatório do procedimento experimental, onde teriam que explicar o experimento e os fenômenos observados associando aos conceitos trabalhados nas aulas. Na última aula foi apresentado uma tabela com o quadro de doses de radiações ionizantes que uma pessoa pode absorver a partir de diversas fontes e os efeitos provocados pelo mesmo. Este trabalho teve o objetivo construir e implementar em sala de aula uma sequência didática, para o estudo das partículas ionizantes, facilitando o estudo da radiação, tornando- a visível e através dos experimentos, compreender os conceitos básicos da FMC. Compreender os diferentes tipos de radiações e percebendo seus benefícios e malefícios. Espera-se também contribuir na compreensão de conceitos tão abstratos, cujo os efeitos maléficos são tão conhecidos, quebrando paradigma na aplicação de experimentos na FMC e na própria concepção de radiação. Além disso, poderão associar FMC ao desenvolvimento tecnológico compreender sua importância no processo de evolução da humanidade.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 A HISTÓRIA E A IMPORTÂNCIA DA CÂMARA DE WILSON (CÂMARA DE NUVENS)

A Câmara de Nuvens, também conhecida como Câmara de Wilson em homenagem ao seu criador, o físico escocês Charles Thomson Rees Wilson em 1911, na Universidade de Cambridge, foi o primeiro aparato capaz de detectar rastros de partículas subatômicas, estudar as radiações ionizantes de forma qualitativa e quantitativa, além de possibilitar por meio dela a descoberta do pósitron por Carl David Anderson (prêmio Nobel de Física de 1936) em 1932 e do múon em 1936. No entanto seu objetivo era compreender a formação dos halos luminosos, decorrentes da interação da luz solar e as gotas que formam as nuvens. Foi numa visita ao observatório Bem Nevis que Wilson pode entrar em contato com um “Contador de Poeira”, criado por John Aitken em 1888, usado para estudar condensação de vapor de água em torno de partículas de poeira. Seu funcionamento baseava-se na expansão adiabática do ar umidificado dentro da câmara. Através da expansão, o ar se resfriava rapidamente, condensando o vapor nas partículas suspensas, permitindo que fossem contados núcleos de condensação (ANDREIA, p.66). Com base nesse “contador de poeira” Wilson desenvolveu sua Câmara de Nuvens. A figura 1 mostra a representação da primeira câmara construído por Wilson.

Figura 1- Esquema representa a câmara construído por Wilson

Fonte: http://acervo.if.usp.br/maquinas2

Na Câmara de Nuvens representado na figura 1, o gás contido na câmara A sofrerá a expansão adiabática provocado pela câmara de vácuo C logo após passar pela válvula B. Devido à expansão sofrida pelo gás, a temperatura em A se reduz rapidamente condensando as partículas de água presente na câmara. Segundo Souza (2017, p. 5) Wilson usou este equipamento para investigar a interação da luz com nuvens que ele mesmo criara. Contudo, ele observou que, mesmo quando o ar dentro da câmara estava livre de poeira, ainda ocorria a formação de gotículas de água. Ele suspeitou que o ar dentro da câmara possuía íons que estavam servindo de núcleos de condensação. Sua hipótese mostrou- se correta quando ele expôs a câmara a uma fonte de raios X, que é uma radiação capaz de ionizar o ar. Os raios X criaram íons dentro da câmara onde a umidade se condensou formando pequenas nuvens. Percebendo o potencial do contador de poeira, Wilson o aprimorou e criou a câmara de nuvens.

No entanto, a câmara de nuvens apresentava pontos negativos. Segundo Souza (2017, p.7) “sua maior falha era a impossibilidade de operá-la continuamente, uma vez que dependia de ciclos de descompressão”, surge então a necessidade de aprimora-la. Em 1936 o físico americano Alexander Langsdorf Jr, estudante de doutorado no Instituto de Tecnologia do Massachusetts, apresentou um novo modelo de câmara de nuvens, denominado câmara de nuvens por difusão (D’ ANDREIA, 2014, p.68). O modelo de câmara criado por Langsdorf apresentado na figura 2 é muito parecido com os modelos usados em atividades pedagógicas nas escolas e universidades para detecção de radiações ionizantes. Para Souza (2017, p.7) “nesta versão, o vapor de álcool formado do ebulidor (F) se transfere por difusão a uma câmara (B) cuja base (C) é resfriada pela passagem de líquido refrigerante”.

Figura 2- Esquema da Câmara de Nuvens por Difusão

Fonte: (Souza 2017, p.7)

A Câmara de nuvens utilizada nesse trabalho é baseada no modelo de Langsdorf. A figura 3 representa uma câmara de nuvens caseira em funcionamento. O material usado para o resfriamento foi o gelo comum, no entanto, outros materiais poderiam ser usados como gelo seco, nitrogênio líquido, entre outros.

Figura 3-Câmara de Nuvens Caseira

Autor: Souza (2017, p17)

A câmara de nuvens caseira é uma ferramenta pedagógica usada por professores para trabalhar conceitos de radiações ionizantes, radiações não ionizantes e FMC, com estudantes do Ensino Médio e Superior. Alguns trabalhos pesquisados demonstram a construção e a aplicação do experimento, como um que foi apresentado nesse mesmo programa MNPEF- Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, “Abordando os raios cósmicos no Ensino Médio: Uma Proposta de Sequência de Ensino”, Souza (2017). Programas de outras Universidades também apresentaram trabalhos similares, tais como: “Câmara de Wilson eletrônica para o auxílio na aprendizagem de Física Moderna no Ensino Médio’, Andreia (2014), “Estudos dos raios cósmicos utilizando uma câmara de nuvens de baixo custo”, Laganá (2011) e “Revelando o invisível com uma câmara de nuvens através de uma proposta investigativa”, Souza (2017). A câmara de nuvens construída neste trabalho apresenta algumas diferenças importantes dos trabalhos pesquisados. Grande parte dos experimentos utilizam gelo seco, neste foi usado nitrogênio líquido, pois é um produto facilmente encontrado. Outro fator

importante, para promover a diferença de temperatura necessária para a supersaturação do álcool isopropílico e visualização dos rastros foi usado um secador de cabelo, com potência de 1500 Watts, nesse caso fundamental para a realização do experimento.

2.2 FUNDAMENTOS FÍSICOS

Para entender os fenômenos radioativos é necessário conhecer a estrutura da matéria. Como sabe-se toda matéria é formada por átomos, mas afinal, do que os átomos são formados? Atualmente sabemos que é constituído por partículas subatômicas. O núcleo é formado por prótons (de carga positiva) e nêutrons, cuja função é estabilizar o átomo. Existem os elétrons (de carga negativa) que são partículas elementares que ficam circulando ao redor do núcleo atômico. Não é possível determinar a posição e nem a velocidade dos elétrons simultaneamente. Como os prótons estão juntos no núcleo atômico e tem carga positiva, pela lei de Coulomb eles tem tendência a se repelirem. Sabe-se que isso não ocorre, pois, o núcleo atômico tem energia ainda maior, chamada de energia de ligação nuclear (CNEN, 2012, p. 10-14). Segundo Garcia (2002, p.299) “o primeiro a observar efeitos das radiações nucleares pode ter sido Niepce de Saint-Victor, em 1867. Ele percebeu que uma emulsão de cloreto de prata era velada quando posta em presença de sais de uranio”. Por volta de 1896, o Físico francês Antoine Henri Becquerel (1852-1908) realizou experiências com sulfato duplo de potássio e uranila - K2 (UO) (SO4)2- colocando-o sobre um filme fotográfico ainda sem ser usado. Becquerel percebeu que o filme ficou marcado com uma espécie de raios que saía da rocha, conforme a figura 4, daí o nome radiação.

Figura 4-Radiografia do sulfato duplo de potássio e uranila

Fonte: .jpnobel.com.br/web/index.php?r=biblioteca%2Fradioatividadedescoberta#BLOQUEIO

A cientista franco-polonesa Marie Sklodowska Curie (l867-1934) e seu esposo o físico francês Pierre Curie (1859-1906), interessados na descoberta feita por Becquerel, verificou que todos os sais de uranio deixavam rastros nas chapas fotográficas, concluindo que o Uranio era responsável pelas emissões. Mais tarde no ano de 1898, o casal descobriu outros dois elementos que produziam efeito semelhante ao do Uranio: o Polônio e o Rádio, no entanto, somente no ano seguinte foram esclarecidas a natureza dessas radiações, com a constatação que não eram raio-x (RAMALHO JUNIOR; FERRARO; SOARES, 2017, p.456).

2.2.1 Radiações Ionizantes e Não Ionizantes

2.2.1.1 Radiações Eletromagnéticas

A radiação é a propagação de energia na forma de ondas eletromagnéticas ou de partículas. A onda eletromagnética é uma forma de energia que alterna campos elétricos e campos magnéticos variáveis em planos perpendiculares, sendo a única forma de troca de energia entre a Terra e o resto do Universo. No vácuo, a radiação eletromagnética viaja na forma de ondas eletromagnéticas, ou seja, campos elétricos e magnéticos oscilantes e com uma velocidade bem definida, aproximadamente 3 x108 m/s. No entanto, como são ondas, sua energia e frequência depende do comprimento da mesma. Através do espectro eletromagnético pode-se analisar o comportamento e energia das ondas eletromagnéticas.

Figura 5-Espectro eletromagnético caracterizando radiações não ionizantes e ionizantes

Fonte: pt.wikipedia.org/wiki/Radiação_não_ionizante

Ao analisar o espectro eletromagnético na figura 5, percebe-se que as radiações não ionizantes têm comprimento de onda desde 105 metros, sendo representadas por ondas de -8 rádio longas à 10 metros representadas pelos raios ultravioletas. A relação entre frequência e comprimento de onda é dada por f=c/λ, onde f é a frequência da onda, c é a velocidade da luz no vácuo e λ é o comprimento da onda. Por volta de 1905 Einstein propôs que a radiação eletromagnética era quantizada, para ele o quantum de luz de frequência f tem uma energia dada por E= hf onde h é conhecida como constante de Planck e seu valor é h = 6,63 x 10-34 J.s = 4,14 x 10-15eV.s. Observa-se que quanto menor o comprimento de onda maior a frequência e consequentemente maior energia.

2.2.1.2 Propriedades atômicas e os modelos de Rutherford e Bohr

No início do século XX, não se tinha muito conhecimento sobre a estrutura dos átomos, sabia apenas que era formado por elétrons, descoberto por J. J.Thomson em 1897, que este tinha carga elétrica negativa e que o átomo era eletricamente neutro e deviam conter cargas positivas. De acordo com o modelo na época essas cargas estavam distribuídas uniformemente em uma esfera, porém não conheciam a massa dos elétrons e nem sua quantidade de elétrons (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 632). Em 1911 Rutherford, junto com dois colaboradores Hans Geiger e Ernest Marsden realizou um experimento que consistia em um feixe de partículas alfa gerado pelo decaimento radioativo do radônio incidindo numa folha fina de metal, sendo medido o número de partículas alfa em função do ângulo de espalhamento. Através desse experimento perceberam que as cargas positivas estavam concentradas em um pequeno núcleo com raio de aproximadamente 104 vezes menor que o raio do átomo. O núcleo era responsável pela maior parte da massa dos átomos. Além disso, percebeu que a radiação alfa passa por uma região do átomo com grande espaço vazio. Com a descoberta do núcleo atômico realizada por Rutherford, foi necessário conhecer sua estrutura e propriedades. Esses núcleos são formados inicialmente por prótons. Experimentos de Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915) mostraram que a carga nuclear era Z vezes a carga do próton, onde Z é o número atômico, que, por sua vez era aproximadamente metade da massa atômica (exceto para o átomo de hidrogênio em que Z=A). Posteriormente, em 1932 James Chadwick (1891-1974) conseguiu provar a existência

do nêutron e passou a supor que o núcleo atômico de massa A, contém N nêutrons e Z prótons, então A=Z + N (TIPLER, LLEWELLYN, 2000, p. 326,327). O modelo atômico de Rutherford deixou uma série de dúvidas sobre a estabilidade do átomo, como os elétrons em um átomo são estacionários? Não existe um arranjo estável que os impeça de cair no núcleo sob a influência da atração coulobiana”? Em 1913 Niels Bohr (1885-1955), propôs a previsão do espectro de radiação emitida para alguns átomos. Através de experimentos realizados com os átomos de hidrogênio, Bohr formulou quatro postulados. Segundo Eisberg e Resnick (1979, p. 65) 1. um elétron em um átomo se move em uma órbita circular em torno do núcleo sob influência da atração coulombiana entre o elétron e o núcleo, obedecendo às leis da mecânica clássica. 2. Em vez da infinidade de órbitas que seriam possíveis segundo a mecânica clássica, um elétron só pode se mover em uma órbita na qual seu momento angular orbital L é um múltiplo inteiro de ℏ (a constante de Planck dividida por 2). 3. Apesar de estar constantemente acelerado, um elétron que se move em uma dessas órbitas possíveis não emite radiação eletromagnética. Portanto sua energia total E permanece constante. 4. É emitida radiação eletromagnética se um elétron, que se move inicialmente sobre uma órbita de energia total (Ei), muda seu movimento descontinuamente de forma se moverem uma órbita de energia total Ef. A frequência da radiação emitida v é igual à quantidade (Ef - Ei) dividida pela constante de Planck h.

O primeiro postulado baseia na existência de um núcleo atômico e os elétrons movendo em orbitas circulares em torno desse núcleo, sob influência da força coulombiana, nesses estados o átomo não irradia. No segundo Bohr introduz a ideia de quantização, em que o elétron passa de um estado estacionário inicial com maior energia para um estado final com menor energia, emitindo radiação. Segundo Eisberg e Resnick (2000, p. 65) “o terceiro postulado elimina o problema da orbita circular, devido a emissão da radiação eletromagnética pelo elétron, exigida na Física clássica [...] essa característica da teoria clássica não é válida para o caso de um elétron atômico. O quarto postulado afirma que a frequência de um fóton de radiação eletromagnética é igual à energia carregada por ele dividida pela constante de Planck. O modelo atômico de Bohr, embora construído para o átomo de hidrogênio e íons hidrogenóides, conseguia explicar a sua existência e a estabilidade da matéria. Conseguia explicar situações como a formação dos espectros atômicos, pois os elétrons ao serem excitados por uma fonte externa de energia, saltam para um nível de maior energia e ao retornarem aos níveis de menor energia liberam energia na forma de luz (fótons), como a

cor da luz depende da energia entre os níveis envolvidos na transição e como essa diferença varia de elemento para elemento, então cada elemento apresentará uma cor característica. Convém mencionar aqui que as radiações eletromagnéticas emitidas pelos elementos químicos em gases frios ou quentes, com os átomos bem afastados um do outro, emitindo como partículas isoladas são chamadas de espectro de linha e contém apenas alguns comprimentos de ondas, diferindo de outros tipos de emissão de radiação eletromagnética chamada de espectro contínuo, gerados pela movimentação caótica de partículas carregadas no interior da matéria sólida ou líquida e que contém todos os comprimentos de ondas. Esse tipo de espectro contínuo é emitido por qualquer corpo que tenha uma certa temperatura acima do zero absoluto. O espectro contínuo na verdade é uma superposição de espectros de linhas dos átomos do material.

2.2.1.3 Radiações Não Ionizantes

As radiações podem ser classificadas como não ionizantes ou ionizantes, dependendo do efeito produzido na matéria com a qual está interagindo. Quando a radiação não tem energia suficiente para interagir com a matéria ela é chamada de radiação não ionizante. Como vimos a radiação são ondas eletromagnéticas e nesse caso temos exemplos como: luz, calor radiante, ondas de rádio AM (Modulação de Amplitude) ou FM (Modulação de Frequência), telefone celular, micro-ondas, entre outros. Percebe-se pelo grande uso em tecnologias e aplicação no dia a dia das pessoas estamos sujeitos a todo momento a radiações não ionizantes. Para Ribeiro e Pessoa (2007, p.16), “a radiação eletromagnética passa através de nós todos os dias e não percebemos sua existência. Ela está presente em diversos tipos de equipamentos tecnológicos utilizados pelo ser humano, como: antenas, computadores e celulares, por exemplo”.

A) Radiação do Corpo Negro

Um corpo negro é definido como um meio ou substância em que absorve toda a energia incidente nele, ou seja, a radiação não pode ser refletida ou sequer transmitida (STRINGASCI, 2019). Um corpo negro pode ser uma cavidade contendo um pequeno orifício no interior de um objeto mantendo o orifício em uma temperatura uniforme, conforme apresentado na figura 6.

Figura 6- Objeto com uma cavidade e um orifício representando o que seria aproximado de um corpo negro

Fonte: Adaptado de Stringasci (2019, p.2) De acordo com Halliday, Resnick e Walker (2009, p. 413) Para obter uma amostra dessa radiação térmica, fazemos um pequeno furo na parede, o que permite que uma pequena fração da radiação escape para ser medida (se o furo for suficientemente pequeno, a fração que escapa não é suficiente para alterar a radiação no interior da cavidade).

A Física Quântica surge com o problema que a Física Clássica não solucionava, a radiação do corpo negro. A situação girava em torno da radiação térmica emitida por um corpo negro, ou seja, objeto em que a radiação térmica depende apenas da temperatura, não dependendo do material. Na época os resultados experimentais eram diferentes das previsões teóricas realizadas pelos físicos, como apresentado na figura 7. (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 412).

Figura 7-Curva experimental (linha continua) e teórica (linha tracejada) da radiância espectral

Fonte: Adaptado de Halliday, Resnick e Walker (2009, p. 413)

Ainda restavam muitas dúvidas em relação as propriedades de emissão e absorção e se dependiam de fatores como a rugosidade ou do material de que era constituído o corpo.

O problema que a Teoria Clássica enfrentava era conseguir representar funções matemáticas que descrevessem a curva experimental, realizassem previsões e estimassem a temperatura dentro da cavidade (MACHADO; CHARRET; SILVA, 2016). Embora os resultados teóricos concordassem com os resultados experimentais para grandes comprimentos de ondas, para regiões do espectro eletromagnético de comprimento de ondas muito pequenos eram muito divergentes. O primeiro a propor uma solução para o probema foi Max Planck em 1900. Ele encontrou uma expressão que reproduzia os resultados experimentais para qualquer temperatura. Foi a primeira vez que a apareceu a constante h, conhecida como constante de Planck. O fator mais importante na expressão é a exponencial hc/λ. Planck supôs que a energia nas paredes dos osciladores eram quantizadas, ideia simplesmente recusada por ele. Para Planck, essa quantização não tinha realidade Física. A expressão encontrada por ele foi: 2휋푐2ℎ 1 S(λ)= (1) ℎ2 푒ℎ푐/휆푘푡−1 Em 1917, Albert Eisntein conseguiu demonstrar que os átomos podem emitir e absorver fótons e manter-se em equilíbrio com a radiação. Segundo Halliday, Resnick e Walker (2009, p. 414) Einstein conseguiu demonstrá-la a partir de um modelo muito simples, baseado em duas ideias: (1) A energia dos osciladores atômicos das paredes da cavidade que emite a radiação é realmente quantizada. (2) A energia da radiação que existe no interior da cavidade também é quantizada na forma de quanta (que hoje chamamos de fótons) de energia E = hf, a mesma dos osciladores atômicos.

Nessse sentido, os osciladores atômicos emitem ou absorvem energia realizando transições de um estado quântico para outro. Como essa quantização não poderia ser explicado pela Física Clássica, pois adimitiam que os átomos nas paredes oscilavam em movimento harmômico simples, onde as cargas elétricas desses átomos deveriam emitir radiações eletromagnéticas (MACHADO; CHARRET; SILVA, 2016), surgiu assim um novo campo da Física.

2.2.1.4 Radiações Ionizantes

Como vimos, as radiações ionizantes são aquelas que tem energia suficiente para interagir com a matéria, ou seja, é capaz de tirar elétrons dos átomos ou moléculas, deixando- os ionizados, sendo as mais conhecidas: Radiações Alfa, Beta, Gama e Raio-X. A radiação ionizante existe no planeta Terra desde sua origem, sendo, portanto, natural, com o passar

do tempo que os núcleos instáveis se tornavam estáveis, através da liberação de energia armazenada em seu núcleo (NOUAILHETAS, 2012, p.3). Segundo Okuno ...a radiação ionizante que é aquela capaz de arrancar um elétron de átomo. Nesse processo chamado ionização forma-se o par íon negativo e íon positivo. O primeiro é o elétron ejetado e o íon positivo é o átomo que perdeu um elétron. Os elétrons estão ligados a átomos por forças elétricas de diferentes valores, dependendo da sua localização. Quanto mais próximo do núcleo, maior é a força de atração entre o elétron e o núcleo, positivamente carregado (OKUNO, 2013, p. 186).

Nesse sentido, quando o elétron recebe energia superior à sua energia de ligação e este é ejetado de sua órbita, ele se desloca em um meio, impulsionado pela energia cinética obtida no processo. Assim, mesmo que instantaneamente, a radiação ionizante pode provocar a instabilidade entre as cargas positivas e negativas dos átomos, ficando toda a estrutura da molécula comprometida pelo rearranjo dos elétrons. Essa energia só é dissipada através da interação com outros elétrons ou núcleos que estiverem em sua trajetória, com isso novos íons podem ser introduzidos na matéria. Esse processo será cessado quando esse elétron perder energia e for capturado por átomos do meio. Com essa interação provocada no átomo, as radiações ionizantes podem provocar efeitos biológicos, classificados quanto aos mecanismos de ação, que podem ser: Direto e Indireto. Os seres vivos são constituídos em sua maioria por átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Nos mecanismos de ação Direto, a radiação interage diretamente com moléculas importantes como as de DNA (ácido desoxirribonucleico) podendo causar desde a mutação genética até a morte celular. A apostila educativa do CNEN Conselho Nacional de Energia Nuclear (2014, p.22) afirma que “A transformação de uma molécula específica (água, proteína, açúcar, DNA, RNA, etc.) pela ação das radiações leva a consequências que devem ser analisadas em função do papel biológico desempenhado pela molécula atingida”. Assim o efeito provocado deve ser observado visto que estas são as unidades morfológicas e fisiológicas dos seres vivos. Nos mecanismos de ação indireta, a radiação interage com a molécula de água quebrando-a formando assim radicais livres. Estes radicais são altamente reativos em decorrência de átomos que não apresentam elétrons suficiente na última camada para dar estabilidade a molécula. Esse mecanismo é importante, pois a molécula de água, compõe 70% das células dos seres vivos.

O DNA é responsável pela codificação da estrutura molecular de todas as enzimas da célula. O DNA ao sofrer uma ação da radiação, seja ela, direta (ionização) ou indireta (radicais livres), a molécula de DNA pode sofrer basicamente dois tipos de danos: mutações genéticas (provocando transformações de informações codificadas na forma de genes) ou quebra da molécula, nesse caso, perda da integridade física da molécula (CNEN, 2012, p.26).

2.2.1.5 Força Nuclear

A Física descobriu até agora que alguns modelos envolvendo grandes forças de interação da natureza explicam os principais aspectos de alguns fenômenos envolvendo as radiações ionizantes e não ionizantes. Veremos mais adiante que as emissões de radiações ionizantes são explicadas por modelos de decaimento radioativo devido à ação da força nuclear. Para compreender a força nuclear é necessário distingui-la de outras duas forças ou interações fundamentais presentes na natureza: força gravitacional, força eletromagnética. A força gravitacional foi formulada por Isaac Newton na década de 1680, como sendo proporcional ao quadrado das massas e inversamente proporcional a distância entre elas, é somente atrativa e atua em todos os corpos que possuir massa, é a mais fraca entre as forças encontradas na natureza, sendo praticamente inexpressiva a níveis atômico, no entanto apresenta grande alcance. A força eletromagnética atua em partículas que possuem cargas elétricas como prótons e elétrons, pode ser atrativa ou repulsiva. Nela inclui a força eletrostática (provocado por uma carga em repouso e descrito pela Lei de Coulomb) e força magnética, para cargas em movimento. No interior do núcleo atômico ocorrem fenômenos relacionados à estabilidade nuclear, como o decaimento beta nuclear, decaimento do píon, decaimento do múon e a radioatividade. Esses fenômenos podem ser explicados por meio da força nuclear fraca, sendo esta maior que a força gravitacional e eletromagnética. Ela recebe esse nome devido seu valor ser bem menor que outra força nuclear, a força forte. Outra característica apresentada por essa força é o alcance muito curto, da ordem de 10-18 m (SANTOS, 2014). O tempo de interação característica da força fraca varia de 10-16 segundo a 10-10 segundo. Nessa força a partícula mediadora é o Bóson. A força responsável para manter os elétrons ao redor do núcleo é a força eletromagnética. Como o núcleo atômico é formado por prótons (carga positiva) e nêutrons

(carga nula), para manter o núcleo coeso, era necessária uma força suficientemente intensa capaz de superar a força de repulsão eletromagnética dos prótons e manter prótons e nêutrons confinados num pequeno núcleo, sendo chamada de força forte (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 645). A partícula intermediadora da força forte é o glúon. A interação forte é de alcance extremamente pequeno, da ordem de 10-15 m.

2.2.1.6 Decaimento Radioativo

O núcleo com excesso de energia tende a estabilizar emitindo partículas alfa e beta, no entanto quando ocorre essa emissão, pode ocorrer uma variação no número de prótons do núcleo atômico, com isso o elemento transforma-se em outro com comportamento químico diferente do anterior. Essa transformação é conhecida como decaimento radioativo (CNEN, 2012, p.17). O decaimento radioativo é a primeira indicação de que as leis que regem o mundo subatômico são de natureza estatística. Embora não seja possível prever quais serão os núcleos a decair, podemos dizer que em uma amostra contendo N núcleos radioativos, a taxa de decaimento desses núcleos é dada por –dN/dt, sendo proporcional a N (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 649). dN − = λN (2) dt Onde 휆 é a constante de desintegração ou constante de decaimento e seu valor é diferente para cada radionuclídeo. Para determinar N em função do tempo t, separamos as variáveis, temos: dN = −λdt (3) N Agora integramos ambos os lados: N dN t ∫ = −λ ∫ dt (4) N0 N t0

ln N- ln N0= λ(t- t0) (5)

Nesta ocasião N0 é o número de radionuclídeos para um instante de tempo arbitrário t0. Fazendo t0 = 0 e transformando a diferença de logaritmos no logaritmo de uma fração, temos que: N ln = −λt (6) N0

Tomando a exponencial em ambos os membros, temos: N = e−λt (7) N0 ou −λt N = N0e (8)

Equação conhecida como Equação do decaimento radioativo, em que N0 é o número de núcleos radioativos no instante t = 0, e N é o número de núcleos que restam na amostra em um instante t maior que zero. Algumas vezes estamos mais interessados na taxa de decaimento R (-dN/dt) do que no valor de N, temos que: dN R= - = λN e−λt (9) dt 0

Como R é a taxa de decaimento no instante maior que zero e R0 é a taxa de decaimento em t=0, podemos escrever R=λN e para R0=λN0. Logo, temos que: −λt R = 푅0e (10)

A equação da taxa de decaimento radioativo, em que R0 é a taxa de decaimento inicial. Cada elemento radioativo decai (desintegra) em um tempo e em uma velocidade característica, seja ele natural ou artificial. O tempo necessário para que a quantidade desse elemento reduza à metade da quantidade inicial é chamada de meia vida. Com o passar do tempo, a quantidade do elemento radioativo torna-se insignificante, até ao ponto em que a radiação emitida por ele seja igual ao do ambiente. De acordo com Halliday, Resnick e Walker (2009, p.651). Existem duas medidas principais do tempo de sobrevivência de um tipo particular de radionuclídeo. Uma dessas medidas é a meia-vida T1/2 de um radionuclídeo, que é o tempo necessário para que N e R caiam para a metade do valor inicial; a outra é a vida média τ, que é o tempo necessário para que N e R caiam para 1/e do valor inicial.

Para determinar a relação entre a meia vida (T1/2) e a constante de desintegração λ, fazemos R=R0/2 na equação 10 e substituímos t por T, o que nos dá a seguinte equação: 1 R = R e−λT (11) 2 0 0 Tomando o logaritmo em ambos os lados e explicitando T, temos: ln2 푇 = (12) λ

Dessa forma temos a equação do tempo de meia vida de um radionuclídeo.

A) Radiação Alfa

A descoberta das partículas alfa e beta ocorreu experimentalmente e quase simultânea por volta de 1900 pelo físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) e o químico francês Pierre Curie (1859-1906). Quando o átomo tem o núcleo com excesso de cargas ou de massa, ele perde sua estabilidade, pois é muito energético, assim na tentativa de estabilizar ele pode emitir partículas (radiação alfa e beta) ou energia na forma de ondas eletromagnéticas (radiação gama). Quando um núcleo sofre um decaimento alfa ele se transforma em um núcleo diferente, emitindo uma partícula alfa, que é o núcleo do hélio (carga elétrica positiva), ou seja, dois prótons e dois nêutrons, sendo exemplo, o isótopo de urânio 238U, que sofre decaimento alfa, transformando no isótopo de tório 234Th, por meio da reação (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 655),

238U→234Th+4He (13)

O decaimento alfa do 238U pode ocorrer espontaneamente, pois a soma das massas dos produtos da reação, 234Th e 4He, é menor que a massa do nuclídeo original 238U (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 655). Assim, a energia de repouso dos produtos do decaimento é menor que a energia de repouso do nuclídeo original. A equação de Einstein, E=mc2 explica que a massa é equivalente a uma quantidade de energia, nesse sentido a massa que desaparece no processo é convertida na energia cinética dos produtos da reação. Nesse sentido, Halliday, Resnick e Walker, afirmam que: No caso do decaimento de um núcleo atômico, dizemos que a diferença entre as energias de repouso inicial e final é a energia de desintegração Q do núcleo. O Q do decaimento representado na reação 238U→ 234Th + 4He é 4,25 MeV; essa é a energia liberada pelo decaimento alfa do 238U, que aparece na forma de energia cinética dos produtos da reação (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 655).

No decaimento alfa, quanto menor a energia da partícula alfa emitida, maior é a vida média. A energia das partículas alfa emitida pelos átomos varia de 4 a 7 MeV, enquanto as

vidas médias variam de 1010 anos a 10-6s. No caso do 238U a de meia vida para este decaimento é de 4,5. 109anos (TIPLER, LLEWELLYN, 2000, p. 181). A figura 8 apresenta um modelo em que a partícula alfa já existe no interior do núcleo do 238U e mostra a energia potencial U(r) do sistema formado pela partícula alfa e o núcleo residual de 234Th em função da distância r entre os dois corpos. Segundo Halliday, Resnick e Walker (2009, p.654) “essa energia é a soma de duas parcelas: (1) a energia potencial associada à força nuclear (atrativa) que existe no interior do núcleo e (2) a energia potencial associada à força elétrica (repulsiva) que existe para qualquer distância entre os dois corpos”.

Figura 8- Função energia potencial associada à emissão de uma partícula alfa por um núcleo de 238U

Fonte: Adaptado de Halliday, Resnick e Walker (2009, p. 655)

A reta horizontal de Q=4,25 MeV mostra a energia de desintegração no processo. Percebe-se que a curva de energia potencial U(r) que constitui uma barreira e ocupa um volume limitado por duas superfícies esféricas com 8 e 60 fm de raio e de acordo com a Física clássica não pode ser ultrapassada, pois se caso a energia potencial U(r) fosse maior que a energia total E, ela ficaria como energia cinética negativa, pois K= E - U, algo

fisicamente impossível. No entanto, existe uma probabilidade finita de uma partícula atravessar uma barreira e aparecer do outro lado, por efeito túnel. O decaimento alfa ocorre exclusivamente por efeito túnel (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 655). A figura 8 apresenta também Q’=6,81 MeV que é a energia de desintegração do 228U, sendo aproximadamente 60% maior que a do 238U. Como o coeficiente de transmissão de uma barreira é muito sensível as variações de energia, observa-se que o decaimento alfa do nuclídeo é mais frequente que o do 238U, sendo o tempo de meia vida apenas de 9,1 minutos. É importante ressaltar que a curva de energia potencial coulombiana é a mesma para ambos os isótopos de urânio, pois a carga elétrica é a mesma.

B) Radiação Beta

A radiação beta (ß) é constituída de partículas emitidas por um núcleo instável, quando este transforma nêutrons em prótons. No decaimento beta menos (ß-), um elétron é emitido por um núcleo, como representado na reação; 32 32 - P→ S + e + v (T1/2=14,3d ) (14)

O decaimento beta (ß-) ocorre quando determinados núcleos que tem excesso de nêutrons e tentam alcançar a estabilidade convertendo um nêutron em um próton com a emissão de um elétron, aumentando assim o número atômico. Caso exista um excesso de cargas positivas (prótons), é emitida uma partícula beta positiva, chamada de pósitron, resultante da conversão de um nêutron em próton (CNEN, 2012, p. 16). Na emissão do (ß+), os prótons se transformam em nêutron com a emissão de um pósitron (partícula de carga positiva com a mesma massa que o elétron) na tentativa do núcleo atômico em alcançar a estabilidade. Um próton livre não pode decair em (ß+), por causa da lei da conservação de energia, pois um nêutron tem energia de repouso maior que a do próton, mas graças a energia de liberação no interior de um núcleo pode emitir um pósiton (TIPLER, LLEWELLYN, 2000, p. 340). No decaimento beta mais (ß+), um pósitron é emitido por um núcleo, como representado na reação: 64 64 + Cu→ Ni + e + v (T1/2=12,7h) (15) O símbolo v representa o neutrino, uma partícula de massa muito pequena, que é emitida pelo núcleo juntamente com o elétron e pósitron no decaimento. Os neutrinos interagem fracamente como a matéria.

A carga e o número de núcleos são conservados nos dois tipos de reação. No decaimento da equação 13, por exemplo, a carga total antes e depois da reação é a mesma: (+15e) = ( +16e) + (–e) + (0), pois o 32P possui 15 prótons, o 32S possui 16 prótons e o neutrino tem carga zero. O número de núcleos antes e depois da reação também é o mesmo: (32) = (32) + (0) + (0), pois o 32P e o 32S possuem 32 núcleos e o elétron e o neutrino não são núcleos (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 659). Segundo Halliday, Resnick e Walker, (2009, p. 659) [...]os átomos são capazes de emitir fótons, embora não seja correto afirmar que os átomos “contêm” fótons. O que acontece é que os fótons são criados durante o processo de emissão, e o mesmo se pode dizer dos elétrons, pósitrons e neutrinos emitidos pelos núcleos no decaimento beta. No caso do decaimento beta menos, um dos nêutrons do núcleo emite um elétron e um neutrino e se transforma em um próton

Outra forma de radiação beta é a captura eletrônica, quando o elétron é atraído por um núcleo instável, combinado com um próton formando um nêutron. Em ambos os casos de radiação beta, as partículas sempre vêm acompanhada de uma partícula neutra e de massa desprezível, conhecido como neutrino. No decaimento beta menos, um dos nêutrons do núcleo emite um elétron e um neutrino e se transforma em um próton, segundo a reação: n→ p + e- + v (16) No decaimento ß+, um dos prótons do núcleo emite um pósitron e um neutrino e se transforma em um nêutron, segundo a reação: p→ n + e+ + v (17) Percebe-se que em ambas as situações a massa do nuclídeo que sofre o decaimento beta permanece constante, sendo chamadas de transformações isobáricas, pois um nêutron se transforma em próton, o que significa que o número de núcleo permanece constante (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 660). A figura 9 apresenta a energia cinética máxima de distribuição para o decaimento beta do 64Cu que é de 0,653 Mev. Em todos os decaimentos essa energia é dividida entre os neutrinos e o pósitron, em diferentes proporções. Percebe-se que a energia mais provável para o pósitron emitido é de 0,15 Mev.

Figura 9- Distribuição da energia cinética dos pósitrons emitidos no decaimento beta do 64Cu

Fonte: Adaptado de Halliday, Resnick e Walker (2009, p. 655)

Percebe-se que quanto maior a energia cinética menor é o número de pósitrons. A energia máxima dos pósitrons, Kmáx, é igual à energia de desintegração Q, porque, se a energia do neutrino for desprezível, toda a energia de desintegração aparecerá na forma da energia cinética do elétron Na radiação beta, a penetração das partículas é cerca de 50 à 100 vezes maior que na radiação alfa, dependendo de sua energia, sendo contido facilmente por uma folha de alumínio com cerca de 1mm de espessura e possui velocidade cerca de nove décimos da velocidade da luz.

C) Radiação Gama

Os raios gama foram descobertos em 1900 pelo físico e químico francês Paul Villard quando estudava a radiação emitida por uma amostra de um elemento químico rádio. Quando o núcleo atômico libera as partículas alfa e beta e mesmo assim fica com excesso de energia ele libera energia na forma de ondas eletromagnéticas conhecida como radiação gama. São ondas de alta energia, devido a sua alta frequência e pequeno comprimento de onda. Como visto, no espectro eletromagnético o comprimento de onda da radiação gama varia entre 10-12 metros à 10-16 metros. De acordo com Tipler e Llewellyn Os decaimentos alfa e beta são frequentemente seguidos por decaimento gama. Quando um núcleo decai por emissão beta para um estado excitado do núcleo filho, por exemplo, muitas vezes o núcleo filho decai para o estado fundamental emitindo um ou mais raios gama. O tempo médio de vida para o decaimento gama é em geral muito pequeno, da ordem de 10- 11s (TIPLER, LLEWELLYN, 2000, p. 343).

A radiação gama são ondas eletromagnéticas que se propagam a velocidade da luz. Assim se comparado aos dois tipos de radiação resultante do decaimento nuclear alfa, beta, a gama é a mais penetrante. Segundo Lima (2014, p.30) “O seu poder ionizante advém de três tipos de interação que pode ter com a matéria: efeito fotoelétrico, efeito Compton e produção de um par “elétron-posítron”. A energia da radiação gama varia de 30 MeV à níveis muitos energéticos, chegando à 100 GeV. No processo de decaimento gama, a energia dos núcleos, assim como a energia dos átomos, é quantizada, ou seja, o núcleo só pode existir em estados quânticos discretos, cada um com energia bem definida. Quando um núcleo sofre uma transição para um estado de menor energia, o fóton emitido quase sempre está na região dos raios gama do espectro eletromagnético (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 645). A energia do raio gama emitido é igual a diferença de energia entre os estados envolvidos. Assim:

hf= Esup.- Einf. , (18)

Em que a energia Esup é a energia superior e Einf. é a energia inferior. Embora seja muito energética, a radiação gama pode trazer muitos benefícios para a humanidade, pois pode ser aplicada na esterilização de frutas, e também pode ser usada na medicina. Segundo Lima (2014, p.30) a radiação É utilizada para esterilizar equipamento médico e alimentos, pois mata todos os organismos vivos. Em medicina é utilizada no tratamento de certos tipos de cancro (mata as células cancerosas) e também, em diagnósticos (é administrada ao doente uma pequena quantidade de um radionuclídeos, em geral tecnecio-99, 99Tc, emissor de radiação gama). São utilizados emissores gama em “scanners” de forma a detectarem o conteúdo de veículos de transporte de mercadorias ou de contentores em portos marítimos. Os radionuclídeos utilizados são, geralmente, o cobalto- 60 (60Co) e o cesio-135 (135Cs).

A radiação alfa pode ser barrada pela pele ou por uma folha de papel, ela não chega a percorrer 8 cm no ar, pois é uma partícula pesada. A radiação beta é contida facilmente pelo acrílico. As barreiras de mesma dimensão comumente empregadas para as radiações alfa e beta não conseguem barrar a radiação gama, sendo o material mais utilizado o chumbo.

2.2.1.7 Unidades de Medidas de Radiação

No Primeiro Congresso de Internacional de Radiologia, em 1925, em Londres, foi criada uma comissão chamada Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU). Desde então, várias unidades medidas referentes à atividade radioativa, interação da

radioatividade com o ambiente e as exposições externa e interna por sistema biológico foram definidas. Podemos classificar as unidades de radiação em quatro grupos distintos: a Atividade, a Exposição, a Dose Absorvida e a Dose equivalente. A Atividade é uma característica da fonte radioativa e quantifica o número de desintegrações nucleares quer ocorrem por unidade de tempo. A primeira unidade de medida adotada para atividade radioativa foi o Curie, em homenagem à Marie Skłodowska Curie, que conduziu pesquisas pioneiras em radioatividade, sendo definida como o número de desintegrações por segundo de uma amostra de 1 g de Rádio- 226, em que: 1Ci=3 x 1010 dps A unidade de atividade adotada no Sistema Internacional de Unidade é o becquerel (Bq), em homenagem a Henri Becquerel, o descobridor da radioatividade. No entanto, a unidade mais antiga, o Curie, continua a ser usada até hoje. Logo: 1 becquerel = 1 Bq = 1 decaimento por segundo. 1 curie = 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq. A exposição refere-se a criação de pares de íons provocado por um feixe de radiação eletromagnética em 1 kg de ar seco e puro nas condições normais de temperatura e pressão. A primeira unidade para exposição foi roentgen (R), que corresponde a 1,6125 x 1015 pares de íons por kg de ar, equivalente a 2,58 x 10-4 Coulomb por kg. Assim: (pares de íons) C 1 R =1,6125 x 1015 = 2,58 x 10-4 kg kg A Dose Absorvida é uma medida da dose de radiação (energia por unidade de massa) realmente absorvida por um objeto específico, como a mão ou o tórax de um paciente. Considera efetivamente a energia absorvida pelo material (em Joules) em 1 kg de material. A unidade de dose absorvida no SI é o gray (Gy). Uma unidade ainda mais antiga é o rad (do inglês radiation absorbed dose, ou seja, dose de radiação absorvida), ainda é muito usada até hoje. As duas unidades são definidas da seguinte forma: 1 Gy= 1 J/kg = 100 rad A Dose Equivalente é o efeito biológico causado pela radiação nos seres vivos. Nesse sentido, quando dois tipos de radiação fornecem a mesma quantidade de energia a um ser vivo, os efeitos biológicos podem ser bem diferentes. Segundo Halliday, Resnick e Walker, (2009, p. 667)

O conceito de dose equivalente permite expressar o efeito biológico multiplicando a dose absorvida (em grays ou rads) por um fator numérico chamado RBE (do inglês relative biological effectiveness, ou seja, eficiência biológica relativa). No caso de raios X, raios gama e elétrons, RBE = 1; para nêutrons lentos, RBE = 5; para partículas alfa, RBE = 10; e assim por diante. Os dispositivos de monitoração individual, como filmes fotográficos, são calibrados de modo a registrar a dose equivalente.

A unidade de dose equivalente no Sistema Internacional é o sievert (Sv), o nome foi dado em homenagem ao médico sueco Rolf Maximilian Sievert (1896-1966) que estudou os efeitos biológicos da radiação. Essa unidade permite relacionar os vários efeitos biológicos de vários tipos de radiação. Segundo Pereira A fórmula que passa de cpm para μSv/h depende principalmente do tubo Geiger: o tamanho, a forma, o material, a sensibilidade, o tempo, o tipo de partícula medido, etc. Normalmente, um fator de conversão pode ser extraído a partir dos gráficos fornecidos pelo fabricante no processo de calibração: cpm x fator de conversão = μSv/h (PEREIRA, 2014, p.30).

Uma unidade mais antiga, o rem, ainda é muito usada até hoje. A relação entre as duas unidades é a seguinte: 1 Sv = 100rem As relações entre as unidades radiológicas podem ser vistas na figura 10. Figura 10- Relação entre as unidades radiológicas

Fonte: ANDREIA (2017, p. 51)

A figura 10 mostra as unidades radiológicas e como estão relacionadas, desde a atividade radioativa do elemento à dose equivalente que permite relacionar os efeitos biológicos de vários tipos de radiação, possibilitando a compreensão de conceitos de dose absorvida e exposição.

2.2.1.8 Radiação Natural e Radiação Artificial

A radiação natural de fundo está presente em nosso cotidiano o tempo todo, ela representa mais da metade da exposição anual à radiação. Nesse sentido, os seres humanos estão expostos a inúmeras fontes de radiações ionizantes, que inclui radionuclídeos presentes na Terra, radionuclídeos criados pela interação dos raios cósmicos com os átomos da atmosfera terrestre, radionuclídeos presentes no ar (gás radônio) e até mesmo na água potável, além da atividade humana e indústria (TANIGAVA, 2001). Para a UNESCAR- United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, a dose efetiva anual por indivíduo devido as fontes naturais de radiação é de 2,4mSv. A tabela 1 apresenta a dose média de radiação de diversas fontes naturais segundo a UNESCAR.

Tabela 1- Dose média de radiação de fontes naturais Fonte Dose efetiva média anual em Faixa típica (mSv) todo o mundo (mSv) Exposição externa Raios Cósmicos 0.4 0.3-1.0 a Raios gama terrestres 0.5 0.3-0.6 b Exposição interna Inalação (principalmente radônio) 1.2 0.2-10 c Ingestão 0.3 0.2-0.8 d Total 2.4 1-10 Fonte: UNESCAR (2000, p.11)

Por meio da Tabela 1 pode-se observar que algumas das radiações naturais das quais estamos submetidos são constantes, como a radiação existente nos alimentos das refeições.

a- Variação do nível do mar à alta altitude do solo; b- Dependendo da composição do solo e dos materiais de construção por radionuclídeos; c- Dependendo da acumulação interna de gás radônio; d- Dependendo da composição dos alimentos e da água potável por radionuclídeos.

Outros são variáveis, como é o caso dos raios cósmicos, pois é mais intensa à grandes altitudes e em lugares com maior concentração de urânio e tório (UNESCAR, 2000). Existem alguns elementos radioativos que realizam decaimentos naturalmente, emitindo radiações alfa, beta e gama, até que o núcleo atinja a estabilidade. No entanto, esses elementos radioativos não adquirem a estabilidade nuclear no primeiro decaimento, as vezes são necessárias várias transmutações até que esse núcleo atinja configuração de equilíbrio. Em cada processo o núcleo fica mais organizado. Essas sequências de decaimento são conhecidas como séries radioativas naturais. Através do estudo da radioatividade constatou-se que existem três séries naturais de radiação, conhecidas como: série do urânio-238, série do actínio (urânio-235), série do tório. Ambas as séries radioativas terminam em isótopos estáveis do elemento chumbo. Como pode ser observado na Figura 11, a série do urânio-238 termina no chumbo-207, série do actínio termina no chumbo-208 e a série do tório termina no chumbo-209.

Figura 11-Decaimento radioativo da série urânio, actínio e tório

Fonte: BRASIL. CNEN (2012, p.22)

Percebe-se que o tempo de meia vida dos elementos são diferentes, variando de bilhões de anos a segundos. Considerando que a Terra tenha bilhões de anos, alguns radionuclídeos de meia vida curta já desapareceram, ficando aqueles, cuja a meia vida seja comparável com a idade da Terra. Os seres vivos estão sujeitos aos vários níveis de radiação natural. Ainda que todos estivessem expostos a essa radiação, alguns seriam mais irradiados que outros, pois os níveis de radiação variam de um lugar para outro. O homem tem gerado uma grande quantidade de radionuclídeos a partir de matérias- primas naturais. Novos elementos radioativos são criados quando alguns átomos são bombardeados por partículas alfa, beta, próton, nêutron e pósitron. Esses novos elementos, geralmente com tempos de vida bem curtos, são radioativos. Eles produzem a chamada radiação artificial. O primeiro isótopo radioativo artificial foi produzido pelo casal de pesquisadores franceses Jean Frédéric Joliot-Curie (1900-1958) e Irène-Curie (1897-1956),

onde realizaram o experimento de bombardeamento do alumínio com partículas alfa da seguinte forma: 27 4 30 1 3 Al + 2 α → 15 P + 0 n. (19)

Desde sua descoberta, a radiação artificial, quando aplicada à medicina, trouxe inúmeros benefícios para a humanidade, sendo usada para determinar desde extensão de doenças, até os danos físicos provocados por elas. A radiação artificial está presente nos radiodiagnósticos, tomografia computadorizada e também no tratamento dessas mesmas doenças. Segundo Azevedo (2010, p.7) “As grandes áreas de aplicação são: medicina nuclear, radioterapia e radiodiagnóstico. Em radioterapia, a bomba de Cobalto- 60, as fontes de radiação γ para braquiterapia e os aplicadores oftalmológicos e dermatológicos com emissores β encontram-se dentre os mais utilizados”.

No entanto, suas aplicações vão além da medicina, sendo usada na produção de energia, através das usinas nucleares, indústrias, por meio da radiografia de peças metálicas ou gamagrafia industrial, na agricultura, para controle de insetos, através da esterilização dos machos e na preservação de alimentos, usando a radiação gama evitando que os alimentos brotem ou apodreçam. A tabela 2 apresenta o índice de exposição radiológica anual de trabalhadores, tanto para radiação natural, quanto para radiação artificial.

Tabela 2- Exposição radiológica de trabalhadores em (mSv) Decadas 1970 1980 1990 2000 Fontes Naturais Tripulação aérea - 3,0 3,0 3,0 Mineração de carvão - 0,9 0,7 2,4 Outras Minerações - 1,0 2,7 3,0 Fontes Diversas - 6,0 4,8 4,8 Total - 1,7 1,8 2,9 Fontes artificiais Uso Médico 0,8 0,6 0,3 0,5 Indústria Nuclear 4,4 3,7 1,8 1,0 Outras indústrias 1,6 1,4 0,5 0,3 Fontes Diversas 1,1 0,6 0,2 0,1 Total 1,7 1,4 0,6 0,5 Fonte: United Nations Environment Programme-UNEP (2016, p.55)

A tabela 2 mostra que a exposição dos trabalhadores a radiação artificial diminuiu, principalmente pela implantação de medidas de proteção, enquanto houve um aumento na exposição a fontes naturais, provocado principalmente devido à mineração (UNEP, 2016, p.55)

2.2.1.9 Reatores Nucleares

Quando certos isótopos de Urânio-235, Plutônio e Urânio-233 são atingidos por nêutrons, seus núcleos se dividem em dois, liberando dois ou mais nêutrons que podem atingir outros núcleos de Urânio ou Plutônio continuamente, provocando uma reação em cadeia do sistema, esse processo é denominado de fissão nuclear. Reator Nuclear é todo o equipamento em que o processo de fissão nuclear ocorre de forma controlada, evitando que a reação ocorra rapidamente. Segundo a apostila Educativa publicada pelo CNEN (2012, p.31), “nos reatores nucleares existem materiais absorvedores de nêutrons que controlam ou até acabam com a reação em cadeia”. Além disso, a concentração de Urânio-235 é em torno de 3,2%, não permitindo que a reação em cadeia se processe rapidamente, suficiente para se transformar em explosão”. O reator nuclear é responsável pelo processo de geração de energia elétrica por meio da fissão nuclear, a reação em cadeia acaba liberando muita energia e é convertida em calor, sendo este usado para acionar as turbinas e gerar eletricidade. No entanto, existem reatores nucleares que são usados para diversas finalidades, para United Nations Environment Programme-UNEP (2016, p.39) “existem também os reatores de pesquisa, utilizados para testes de combustível nuclear e de diversos tipos de materiais, estudos em física nuclear e biologia e, ainda, para a produção de radionuclídeos a serem utilizados na medicina e na indústria”. A fissão nuclear ocorre também na bomba atômica, dentro de um reator, no entanto, este tem a finalidade explosiva, para isso a reação em cadeia deve ser rápida e a concentração de Urânio-235 (Urânio enriquecido) acima de 90%, além disso toda a massa do Urânio deve ficar junta. Durante o período final da segunda guerra mundial, duas bombas foram lançadas nas cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki nos dias 06 e 09 de agosto de 1945, respectivamente, matando aproximadamente 130.000 pessoas e mostrando o poder de destruição dessas armas. Fatos como esse, além dos acidentes nucleares, provocaram na população em geral receio quanto a radiação, levando a associar com a ideia de perigo.

2.2.1.10 Radiação Cósmica de Fundo

Prevista em 1946 por George Gamow (1904-1968) e com colaborações de Ralph Alpher (1921-2007) e Robert Herman (1914-1997), a radiação cósmica de fundo é uma forma de onda eletromagnética e é uma evidencia muito grande da teoria do Big Bang. Essa radiação tem o mesmo aspecto da radiação do corpo negro, sendo uma prova de que o universo no passado era mais denso e quente que hoje. No entanto, foi provada sua existência em 1964, por Arno Penzias e Robert Wilson. De acordo com Halliday, Resnick e Walker (2009, p. 772) Essa radiação, cuja intensidade é máxima para um comprimento de onda de 1,1 mm, na região de micro-ondas do espectro eletromagnético, tem a mesma distribuição de comprimentos de onda que uma cavidade (corpo negro) cujas paredes são mantidas a uma temperatura de 2,7 K. Nesse caso, podemos dizer que a cavidade é o universo inteiro.

A descoberta aconteceu ao acaso, enquanto testavam uma enorme antena para comunicar com o novo satélite Telstar. Eles notaram um leve ruído e imaginavam que eram falhas do equipamento. No entanto, perceberam que a intensidade não variava com a direção em que a antena do aparelho apontava. Logo Penzias e Wilson se convenceram de que estavam captando radiação cósmica de fundo (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 772). A radiação cósmica de fundo é a luz que começou a vagar pelo universo logo após sua existência. Quando o universo era ainda mais recente, a luz não poderia percorrer distâncias razoáveis sem interagir com as partículas da matéria. Para Halliday, Resnick e Walker (2009, p.772) “Se um raio luminoso partisse, digamos, do ponto A, seria desviado tantas vezes, que, se um observador o interceptasse mais adiante, não poderia saber que a luz havia partido do ponto A”. Esse espalhamento diminuiu quando as partículas começaram a formar átomos, assim, um raio de luz que partisse do ponto A poderia se propagar por bilhões de anos sem interagir com a matéria. Sendo essa luz que hoje constitui a radiação cósmica de fundo. Com a descoberta da radiação cósmica de fundo, a teoria de um universo estacionário perdeu força, pois o resfriamento do universo foi acontecendo com o passar do tempo, à medida que se expandia. Essa radiação fornece informações sobre o universo desde que tinha cerca de 370 mil anos e pode ser estudada a partir de medidas de seu espectro, polarização e distribuição espacial no céu (VILLELA; FERREIRA; WUENSCHE, 2004, p.108).

2.2.1.11 Raios Cósmicos

Por volta de 1900, Charles Wilson, Julius Elster (1854-1920) e Hans Geitel (1855- 1923), perceberam que a condutividade do ar próximas a uma folha de ouro permanecia constante, apesar de serem retirados os íons por meio de um campo elétrico e concluíram que algum agente que não conheciam produziam os íons. Em 1910, Padre Theodor Wulf (1868-1946) realizou um experimento usando um eletroscópio em diferentes altitudes e percebeu que em cima da Torre Eiffel aumentava a interação. O balonista Victor Hess (1883- 1964) percebeu que a 5 km de altura a radiação era 16 vezes maior que ao nível do mar. Os raios cósmicos são fluxos de partículas (prótons, elétrons e núcleos) de alta energia que atingem a Terra a todo instante e que podem ser produzidos por uma diversidade de ambientes astronômicos. Esses irradiam a Terra diretamente e interagem com a atmosfera produzindo diferentes tipos de radiação e materiais radioativo. Segundo Okuno (2013) os raios cósmicos têm origem, [...] extraterrestre e há fortes indícios de que ela provém de supernovas, atravessa o espaço sideral, e de 85% a 90% do que atinge a atmosfera terrestre são prótons, de 9% a 12% são partículas alfa, e 1%, núcleos de elementos pesados, todos extremamente energéticos. Essas partículas interagem com átomos da atmosfera e criam várias outras partículas, que constituem a radiação cósmica secundária, incluindo mésons pi, elétrons, nêutrons e fótons (OKUNO, 2013, p.190).

Algumas regiões de nosso planeta sofrem mais com a radiação dos raios cósmicos. Segundo Mazzilli, Máduar e Campos (2013, p. 16) “As zonas polares recebem um fluxo maior de partículas de origem cósmica do que as zonas equatoriais, uma vez que nesta região a radiação é desviada pelo campo magnético terrestre”. Além disso, a figura 12 mostra que a exposição aumenta com a altitude, pois há uma quantidade menor de partículas de ar, que formam uma blindagem ou escudo.

Figura 12- Doses anuais de radiação cósmica

Fonte: United Nations Environment Programme-UNEP (2016, p.38)

Em 1938, o físico Francês Pierre Auger (1899-1993) descobriu que o impacto inicial de um raio cósmico contra um núcleo atmosférico gera uma cascata de partículas, que ele captou a partir de detectores no solo dos Alpes. Segundo Neto (2008) A poucas dezenas de quilômetros do solo, os raios cósmicos, chocam-se com um átomo da atmosfera, criando uma cascata (ou chuveiro) de partículas secundárias que se propaga até o chão. Um raio cósmico de altíssima energia, por exemplo, pode produzir bilhões de outras partículas, em uma ilustração dramática da conversão de energia em massa, resumida na fórmula E = mc2 da relatividade especial (onde E é a energia, m a massa e c2 a velocidade da luz ao quadrado).

O físico brasileiro Cesar Lattes junto com G. Occhialini e C. F. Powell, contribuiu para descoberta de algumas partículas secundárias. Eles participaram de uma pesquisa de repercussão internacional na descoberta do méson-pi em 1947. Os píons é o nome coletivo para o π+, π- e π0. Essa partícula havia sido predita em 1935 por Yukawa, mésons que carregariam as partículas da força nuclear. Lattes foi ao monte Chacaltaya localizado na Bolívia 5,2 km de altitude e confirmou a presença do mésons-pi, partículas responsáveis pela união e estabilidade no núcleo atômico (SOUZA, 2017, p.5). Segundo Okuno (2013, p.190), ao nível do mar, cerca de 75% da radiação cósmica é constituída de múons e o restante são essencialmente fótons e elétrons. A intensidade da radiação cósmica secundária máxima é chamada máximo de Pfotzer, ocorre entre 15 e 26 km.

Os múons são partículas instáveis com uma vida média de 2,2 .10-6s. Para Fauth, Grover e Consalter (2011, p.5), “Os píons carregados interagem com os átomos da atmosfera ou decaem em múons - positivos ou negativos”. Seu decaimento ocorre de forma espontânea, obedecendo a equação de decaimento (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 745).

π → + v (20)

Por sua vez, os múons decaem novamente em um elétrons e dois neutrinos. Em que ve representa o neutrino do elétron e v representa o neutrino do múon, conservando assim o número leptônico eletrônico (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2009, p. 745).

 → e + ve + v (21)

Segundo Fauth, Grover e Consalter (2011, p.5) A maior parte dos múons são criados a uma altitude de aproximadamente 15 km possuindo uma velocidade da ordem de 0,9998c (c = velocidade da luz no vácuo). Esta alta velocidade faz com que o seu tempo de vida no sistema de referência do laboratório seja dilatado permitindo que a maioria alcance a superfície da Terra.

Os raios cósmicos podem sofrer variações de energia, assim os menos energéticos (até 109 eV) são mais comuns, chegando numa proporção de 10 mil por m2 a cada segundo, para os de energia por volta de 1016 eV, essa quantidade cai para algo em torno de dez. Quando se chega a 1019 eV, detecta-se, em média, um para cada km2 por ano (NETO, 2008). No entanto, já foi registrado raios cósmicos ultra energéticos, com valor estimado de 0,14. 1021 eV (NETO, 2008).

2.2.1.12 Contadores e Medidores

Os contadores são dispositivos capazes de identificar e registrar a presença de radiação convertendo a energia da radiação em sinais elétricos. Outros dispositivos funcionam pela sensibilização de películas fotográficas, por registros de traços de partículas nucleares em certos materiais e por alterações da dinâmica de diversos processos químicos. A utilização de um determinado detector depende da radiação, pois um bom detector de radiação alfa não será eficiente para radiação gama. O detector é construído e adaptado para determinado tipo de radiação.

Um dos dispositivos mais antigos e conhecido para detectar e medir radiação é o contador de Geiger e Muller. O contador de Geiger foi criado em 1908, em homenagem ao físico alemão Johannes Hans Geiger (1882–1945) e aperfeiçoado de em 1928 por seu compatriota Walther Müller (1905-1979). Os detectores de Geiger-Muller permitiram medir grandezas como doses e exposição, através de artifícios de instrumentação de metrologia. Além de medir a intensidade da radioatividade emitida, tornando-se indispensável em controles de radiação e em casos de acidentes nucleares, uma vez que identifica o nível de radiação de uma área de risco, podendo minimizar danos aos seres vivos e ao ambiente. O princípio de funcionamento dos detectores de Geiger-Muller consiste basicamente em emissões radioativas que atravessam a janela do tubo, ionizando o gás (geralmente argônio) confinado à baixa pressão. Ao ser ionizado, o argônio fecha circuito elétrico do aparelho, criando uma descarga elétrica que se manifesta na forma de pulso elétrico entre o eletrodo central (anodo) e o cilindro metálico (catodo), onde a tensão é da ordem de 1000V, acionando um dispositivo acústico, indicando que certa quantidade de energia foi absorvida pelo gás, como mostra a figura 13 (PEREIRA, 2014, p.28).

Figura 13- Esquema simplificado de um contador de Geiger-Muller

Fonte: Pereira (2014, p.28)

A unidade de medida do contador de Geiger-Muller é a contagem por unidade de tempo, significa que, em um segundo teremos n contagens. No entanto, esse valor não é a energia da radiação. Para encontrar a energia irradiada e a quantidade de radiação absorvida pelo organismo é necessário a conversão para o Sievert por hora (Sv/h). Como existem diversas formas da radiação interagir com o meio, há também diversos tipos de contadores e medidores, tais como:

 Detectores cintiladores- Esses detectores usam materiais capazes de absorver a energia cedidas pelas radiações ionizantes e converte-las em luz. Os materiais mais usados são o iodeto de sódio, o sulfeto de zinco e cintiladores plásticos.  Dosímetros- Esses materiais não precisam estar associados a circuitos elétricos ou eletrônicos para detectar a radiação, pois a mesma induz alterações físicas ou químicas no material, que posteriormente serão medidos por determinados processos. Os principais dosímetros são: Dosímetros de filmes de radiográficos, Dosímetro termo luminescente, Caneta dosimétrica, Fósforo de memória e Detectores semicondutores. Dosímetros de filmes de radiográficos- a radiação produz alterações na densidade do filme revelado, sendo muito usado para separar exposições de radiações menos penetrantes (beta), das mais penetrantes (gama), permitindo o controle semanal ou mensal da radiação. Dosímetro termo luminescente (TLD)- É baseado no uso de cristais no qual a radiação ionizante cria pares de elétrons e lacunas e a partir de um processo térmico são liberados fótons e estes coletados por fotomultiplicadores, permitindo o controle semanal ou mensal da radiação (OLIVEIRA 2019). Caneta dosimétrica- Consiste em uma câmara de ionização onde um fio de quartzo, serve como cursor para indicar a exposição ou dose acumulada. Diferente dos dosímetros anteriores a caneta dosimétrica permite o controle da radiação no dia, pois foi fornecida uma carga máxima, que vai esvaziando com o surgimento dos elétrons e íons formados pela radiação, dentro do volume da câmara (PONTES, 2010). Fósforo de memória- Consiste em uma fina película de material, uma vez que as cargas criadas pela radiação incidente permanecem presas por um tempo indeterminado. Detectores semicondutores-Seu funcionamento é a partir da excitação dos elétrons, que passam da banda de valência para a banda de condução, permitindo que esses elétrons sejam medidos ou detectados. Todos os medidores e contadores são importantes, pois ajudam a controlar a exposição à radiação em diversas situações, desde pessoas que trabalham com fatores de risco, sujeito a maior exposição, até a radiação natural.

2.2.1.13 Doses de Radiação e Medidas de Proteção Radiológica

A radiação é aplicada em muitas áreas e as pessoas estão sujeitas a vários tipos de exposição. Logo após a descoberta do raio X e da radioatividade iniciou-se o uso desenfreado

da radiação, pois os médicos perceberam que esta tinha potencial para tirar manchas de nascença, pintas e matar células (OKUNO, 2013). Alguns de seus descobridores, como Henri Becquerel, experimentaram a mais preocupante desvantagem da radiação, o efeito provocado por ela nos tecidos vivos. Roentgen, o descobridor dos raios X, morreu de câncer em 1923 e Marie Curie, que esteve exposta à radiação ao longo de sua vida profissional, morreu de uma doença no sangue em 1934 (UNEP, 2016). Entretanto, somente 30 anos após a descoberta dos raios X, foi criada a International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU) com a finalidade de estabelecer grandezas e unidades de Física das radiações, critérios de medidas, métodos de comparação, etc. Três anos após criação da ICRU, foi criada a International Commission on Radiological Protection (ICRP), com o objetivo de estabelecer normas de proteção radiológica e estabelecer limites de exposição as radiações ionizantes. Cada país tem um órgão responsável por fazer adequações às normas internacionais e as adotar e regulamentar o uso das radiações em seu país. No Brasil, tal órgão é o CNEN- Conselho Nacional de Energia Nuclear. O CNEN em suas diretrizes básicas de proteção radiológica, descritas na resolução 164 de 2014, faz algumas importantes distinções em relação às doses de radiação:

15.Dose absorvida - D - grandeza dosimétrica fundamental expressa por D = dɛ /dm, onde dɛ é a energia média depositada pela radiação em um volume elementar de matéria de massa dm. A unidade no sistema internacional é o joule por quilograma (J/kg), denominada gray (Gy). 16. Dose absorvida comprometida – D(τ) - grandeza expressa por 퐷(휏) = 푡+휏 ( ) ∫푡0 퐷 푡 푑(푡), onde t0 é o instante em que ocorre a incorporação, D(t) é a taxa de dose absorvida em um tempo t, e τ é o tempo transcorrido após a incorporação das substâncias radioativas. Quando não especificado de outra forma, τ tem o valor de 50 anos para adultos e até a idade de 70 anos para a incorporação por crianças. 17. Dose coletiva - expressão da dose efetiva total recebida por uma população ou um grupo de pessoas, definida como o produto do número de indivíduos expostos a uma fonte de radiação ionizante, pelo valor médio da distribuição de dose efetiva desses indivíduos. A dose coletiva é expressa em pessoa-sievert (pessoa.Sv). 18. Dose comprometida – dose absorvida comprometida, dose equivalente comprometida ou dose efetiva comprometida, dependendo do contexto. 19. Dose efetiva - E – é a soma das doses equivalentes ponderadas nos diversos órgãos e tecidos [...]. A unidade no sistema internacional é o joule por quilograma (J/kg), denominada sievert (Sv). 21. Dose equivalente - HT - grandeza expressa por HT = DTwR, onde DT é dose absorvida média no órgão ou tecido e wR é o fator de ponderação

da radiação. A unidade no sistema internacional é o joule por quilograma (J/kg), denominada sievert (Sv) (CNEN, 2014, p.

Segundo Okuno, a proteções radiológicas se baseiam em três princípios: • da justificativa – qualquer exposição à radiação deve ser justificada de modo que o benefício supere qualquer malefício à saúde; • da otimização da proteção – a proteção radiológica deve ser otimizada de forma que o número de pessoas expostas e a probabilidade de exposições que resultem em doses mantenham-se tão baixos quanto possa ser razoavelmente exequível, considerando os fatores econômicos e sociais; • da limitação de dose – as doses individuais devem obedecer aos limites estabelecidos em recomendações nacionais que se baseiam em normas internacionais. (OKUNO, 2013, p.193).

Todos estamos expostos a radiação, seja natural ou artificial, principalmente em exames radiológicos médicos e odontológicos, no entanto deve-se levar em consideração que a exposição à radiação depende do tipo (alfa, beta, raio X e gama), tempo de exposição ao material radioativo e da quantidade de energia depositada no material. A figura 14, mostra a avaliação da UNSCAR- United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, à algumas situações de exposição à radiação, usando como a unidade, o Gray.

Figura 14- Esquema simplificado de um contador de Geiger-Muller

Fonte: United Nations Environment Programme-UNEP (2016, p.38)

A UNSCAR usa termos de dose alta para qualquer valor acima de 1 Gray, enquanto é considerada dose muito baixa qualquer valor menor que 10 mGray. É importante conhecer as doses radioativas, pois com isso é possível usar as medidas de proteção adequada, além dos danos causados, desde os efeitos biológicos, químicos e físicos.

2.2.1.14 Raios X

Descoberto em 1985, pelo físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen (ou Roentgen) (1845-1923), os raios X são radiações de mesma natureza da radiação gama, ou seja, ondas eletromagnéticas, mas com fótons de menor energia. No entanto, se diferem pela origem, enquanto os raios gama tem origem nuclear, os raios X são emitidos quando os elétrons acelerados por alta voltagem e lançados contra átomos do anodo sofrem uma frenagem e perdem energia, como mostra a figura 15.

Figura 15- Esquema simplificado de um tubo de raio X

Fonte: Teixeira et. al. (2017, p.7)

A figura 15 mostra o equipamento usado por Roentgen para produzir raios X. Em uma ampola de vidro, mantido a vácuo, é colocado dois eletrodos metálicos, um cátodo que é submetido a uma corrente elétrica, esta ao aquecer fornece energia suficiente para arrancar elétrons e os deslocarem para ânodo (alvo em que cargas negativas vão se chocar). Vários metais podem ser usados como alvo, no entanto, os mais comuns são o cobre, molibdênio e tungstênio. Aplica-se uma alta tensão entre o cátodo e o ânodo com o polo negativo no cátodo, uma capa de metal aberta é colocada em torno do filamento como se fosse um espelho côncavo, assim quando a tensão é aplicada entre o cátodo e o ânodo, os elétrons serão repelidos e direcionado pela capa do metal em direção ao ânodo. Como o potencial é alto, os elétrons ganham uma velocidade e também uma energia cinética (K) muito grande, obtida pela equação (TEIXEIRA, et.al. 2017. p. 86): 푚푣2 퐾 = (22) 2

Segundo Teixeira, et.al. (2017. p.86),

Ao se chocar com o ânodo, os elétrons são desacelerados e perdem [...] energia cinética. Essa energia é liberada em forma de radiação eletromagnética, os raios X, [...]. Para diminuir a perda de energia cinética durante o percurso dos elétrons, o tubo é mantido em vácuo. Deste modo, nem todos os elétrons chegam ao alvo com a mesma energia, de modo que há uma distribuição contínua de energia liberada. Esses valores de energia não dependem do material usado no alvo, mas apenas da energia com que os elétrons chegam ao alvo. A energia de uma onda eletromagnética é carregada em pacotes pelos fótons e dependem da frequência da onda. Como a frequência está relacionada com o comprimento de onda através da velocidade, que no vácuo é c, pode-se relacionar a energia cinética dos elétrons com o comprimento de onda dos raios X.

Entretanto, alguns elétrons interagem com o campo elétrico do núcleo dos átomos do alvo quando sofrem freamento e liberam um fóton de raio X. Essa energia pode variar desde valores próximos de zero à valores máximos correspondentes a toda energia do elétron, dependendo do grau de seu freamento, que por sua vez depende do grau de aproximação dos núcleos do átomo alvo. Além disso, alguns poucos elétrons acelerados podem arrancar elétrons das camadas mais internas dos átomos alvo, cujo vazio passa ser ocupado por um elétron de camadas com maior energia, na qual ocorre a liberação dessa energia em forma de fóton de raio X ou raio X característico (OKUNO, 2013, p.187). A figura 16 representa a variação da intensidade de raios X produzidos em função do comprimento de onda para o átomo de molibdênio. Por ter variação contínua, essa radiação é chamada de radiação continua ou radiação de bremsstrahlung, que em alemão significa desaceleração da radiação. Podemos observar também dois picos de energia. Como sabemos, os átomos são formados por diversas camadas, sendo a K, a de maior energia. Como a tensão entre o ânodo e o cátodo é muito alta, os elétrons atingem o alvo com energia muito grande, sendo capaz de arrancar os elétrons da camada K, no entanto o átomo precisa adquirir a estabilidade novamente, daí resulta que o elétron de camadas mais externas vem ocupar esse nível vazio. Quando isso acontece, a diferença de energia entre essas camadas é liberada na forma de raios X. A energia desses raios X depende de qual camada esse elétron sai. Se for da camada L temos a radiação Kά. Caso seja da camada M, teremos radiação Kß.

Figura 16- Intensidade dos raios X em função do comprimento de onda do Molibidênio.

Fonte: Adaptado de Tipler e Llewellyn (2000, p.88)

Foi observado que o raio X é um tipo de radiação considerada muito penetrante, pois sua energia é da ordem de keV, isso significa que sua frequência é muito alta e como observado na figura 5, seu comprimento de onda é da ordem de 10-10m. Ao atravessar a matéria, os raios X interagem com seus átomos, no entanto essa interação depende da estrutura molecular e do estado de agregação em que se encontra, provocando cinco processos fundamentais de desintegração: espalhamento coerente; efeito fotoelétrico; efeito Compton; produção de par e fotodesintegração (GARCIA, 2002, p.281). O espalhamento coerente ocorre quando um fóton transfere para um átomo alvo toda sua energia sem removê-lo da eletrosfera, assim o elétron fica num estado excitado, depois de algum tempo o mesmo retorna ao seu orbital devolvendo a energia que recebeu sob a forma de fóton. No efeito fotoelétrico o fóton além de interagir com o elétron tem energia suficiente para deslocá-lo e fornece energia para que o mesmo se afaste do núcleo. No efeito Compton o raio X transfere parte de sua energia para o átomo alvo, promovendo o deslocamento dos elétrons que estão situados nos orbitais mais distantes do núcleo, com isso cria um fóton emergente cuja energia é menor que o fóton incidente e um elétron Compton. Nesse tipo de interação o fóton emergente terá direção diferente daquela que possuía antes da interação (GARCIA, 2002, p.282-283). A produção de pares ocorre em faixas de energias radiodiagnóstico, onde um fóton de alta energia ao se aproximar de um núcleo pesado é transformado em duas partículas: o

pósitron (e+) (de massa igual à massa do elétron) e elétron (e-), que se afastam com grande velocidade, evitando o aniquilamento. De acordo com Garcia (2002, p.284-285) “Na fotodesintegração, o fóton de raio X de alta energia é absorvido pelo núcleo, que se desestabiliza e acaba por ejetar um nêutron, um próton, uma partícula alfa ou mesmo grupos de partículas”. Logo após sua descoberta, percebia-se a importância do raio X na aplicação na medicina. Apesar de haver desconhecimento dos riscos envolvidos, tentava-se ampliar a utilização do mesmo, tais como: obtenção de imagem e no tratamento de capitis (micose no couro cabeludo). Contudo, não se sabia dos efeitos provocados pelos raios X, pois tinha propaganda da época que afirmava: “Com a ajuda da Nova Luz você pode ver através de uma chapa de metal”, “através de um bloco de madeira” e também “contar as moedas dentro da sua carteira” (SOARES, 2008, p.6). Com o passar do tempo pode-se perceber os efeitos maléficos provocados por doses altas de radiações ionizantes. Esses efeitos manifestaram- se nos pesquisadores e principalmente nas pessoas que trabalhavam diretamente com os aparelhos de raio X nos laboratórios. Mesmo com todos os problemas provocados pela exposição aos raios X, percebe-se que seu benefício a sociedade é imenso. Hoje temos aparelhos de radioterapia, formação de imagens, desenvolvimento de medicamentos na indústria farmacêutica, importantes para a medicina e para a população em geral. Devido a importância de sua descoberta, Roentgen recebeu em sua homenagem uma unidade de medida, chamada de Rem, que representa a quantidade de radiação necessária para produzir 1,610 x 10 12 pares de íons num centímetro cúbico de ar seco a 0ºC.

2.3 FUNDAMENTOS EDUCACIONAIS

Seguindo um modelo de educação tradicionalista, o ensino de Física vem sendo caracterizado pela transmissão do conhecimento feito por aulas expositivas e matematizadas, onde o aluno é um mero receptor de conteúdo. Em muitos casos, a falta de conhecimento específico dos professores contribui para tal situação. No entanto, a educação para o IFMT tem como principal finalidade desenvolver o aluno para a vida e para o trabalho. Dentro deste contexto, o uso de experimentos torna-se para o estudante o elo de ligação entre a teoria e a prática, tornando fundamental e contribuindo no processo de formação do mesmo.

Villatorre, Higa e Tychanowicz (2009, p. 106) entendem que:

[...] a experimentação deve ser utilizada segundo seu aspecto qualitativo. Quando o interesse do professor é problematizar para obter uma situação de ensino mais significativa, interessa mais reflexão que o material suscita no ambiente de sala de aula do que pura matematização do experimento ou simples obtenção de um número que pouco representa para o aluno. Como qualitativo, o experimento pode se configurar como um objeto de problematização, sugerindo confronto entre concepções científicas e conhecimentos prévios dos estudantes, além de diversos outros elementos que podem despertar seus interesses.

Com isso, as práticas experimentais possibilitam ao professor associar os experimentos ao cotidiano do estudante e usar a teoria para explicar os fenômenos físicos, visto que essa integração é importante para compreensão de leis e conceitos.

Para Andrea:

[...]o aluno associa teorias e conteúdos com algo vivenciado pelos seus próprios sentidos, obtém-se uma aprendizagem significativa e que não se consegue, frequentemente, com conceitos puramente abstratos, constituindo um obstáculo epistemológico e fenomenológico a ser superado que acreditamos que uma atividade experimental de demonstração/experimentação[...](ANDREA, 2014, p.16)

A Física Moderna e Contemporânea (FMC) e em especial o estudo dos diferentes tipos de radiações ionizantes (alfa, beta, raio-x e gama), não ionizantes e partículas cósmicas tem seu estudo na maioria das escolas escondido, pois professores preferem trabalhar com a Física Clássica (FC), não percebendo a importância da FMC no desenvolvimento tecnológico vivenciado pela sociedade atual. Percebe-se também que nos diversos processos seletivos, seja ENEM ou vestibulares, os conceitos são negligenciados. Segundo Souza Apud José et al (2014) no Exame Nacional do Ensino Médio (ENEM), entre os anos de 2009 a 2013, houve clara prevalência dos temas da FC sobre a FMC. O uso de experimentos nas aulas de Física proporciona aos estudantes um desenvolvimento no qual consigam associar o que é aprendido em sala para seu cotidiano e vice-versa. Para Marques (2018, p.9) “o aluno deve estar motivado a aprender, para isso, é necessário ter um ensino que cative o aluno, que use suas experiências de vida”. Quando o estudante percebe que o cotidiano está ligado ao que é aprendido em sala, os conteúdos deixam o campo da abstração tornando palpável para ele e o professor torna-se mediador da aprendizagem. Segundo Farias (2006, p. 09) métodos experimentais contribuem para:

Desenvolvimento da curiosidade indagadora; privilegia a opção por conteúdos socialmente significativos; contribuem para elaboração constante de questionamentos; proporciona (re) construção e socialização do conhecimento; permite a solução de problemas reais na / da comunidade. Desenvolve a habilidade de aprender a aprender.

Outro fator importante, quando se fala das dificuldades encontradas pelos alunos, em aprenderem Física, é a quantidade de aulas semanais. Para Araújo e Uchoa (s.d), no desenvolvimento dos conteúdos “[... ]a questão da carga horária reduzida, na maioria das vezes, são poucas aulas durante a semana e, por conta disso, os conteúdos acabam não sendo ministrados de acordo com a orientação do currículo escolar, comprometendo ainda mais a formação dos alunos”. Com isso, a FMC na maioria das escolas nem chega a ser trabalhado. Nesse contexto percebe-se a necessidade de criar ferramentas para serem usadas por alunos e professores do ensino médio, possibilitando a compreensão do estudo da Física de Partículas em seu cotidiano. Para Souza (2017) “Uma das principais características, senão a principal, do mundo moderno é a forte presença da tecnologia. Por trás de muitas destas tecnologias extraordinárias existe uma Física igualmente encantadora”. Assim quando o estudante não tem a chance de conhecer a FMC no ensino médio, o professor perde uma oportunidade de associar conceitos de grande parte do desenvolvimento tecnológico à Física. Os livros de Física em sua maioria não abordam FMC detalhadamente, fazendo apenas algumas observações das radiações do corpo negro, efeito fotoelétrico e a estrutura do átomo, onde nos capítulos posteriores são trabalhados a teoria da relatividade. Outros trazem radiações e física nuclear (destacando fissão nuclear e fusão nuclear), fazendo uma abordagem superficial. Não cabe nesse trabalho apresentar quais livros fazem uma análise completa de FMC, no entanto, dos livros de Física do terceiro ano observados por mim, aquele que faz uma abordagem completa e de fácil compreensão para os estudantes em seus dois últimos capítulos do livro “Compreendendo a Físicae”, de Alberto Gaspar. Nele, o autor faz uma abordagem histórica dos últimos cem anos de extraordinárias descobertas teóricas e experimentais e apresenta ao estudante como ocorreu o surgimento da Física Moderna, desde o enigma da radiação do corpo negro a partículas elementares.

e Alberto Gaspar, faz uma abordagem de Física Moderna e Contemporânea nos dois últimos capítulos do Livro Compreendendo a Física, Volume 3 Ensino Médio, 2010.

2.3.1 MOMENTOS PEDAGÓGICOS

Para que os estudantes tenham a curiosidade aguçada e principalmente quando a prática usada em sala for o uso de experimentos é importante que professores permitam perpassar as fronteiras impostas, sobretudo pelos livros didáticos, que muitas vezes não estão preocupados com o desenvolvimento pleno do aluno, mas sim com os conteúdos independente deles conseguirem ou não entender a matéria mais profundamente, preparando exclusivamente para exames futuros como vestibulares e Enem (MUENCHEN e DELIZOICOV, 2014, p.622-623). Nesse sentido, surge a necessidade da apresentação de experimentos elaborados a partir de uma organização pedagógica, permitindo que haja além da compreensão dos conceitos, aplicação no cotidiano dos alunos, levando esse conhecimento para toda sua vida. Ao trabalhar determinado conceito usando experimento, os professores devem utilizar alguns princípios fundamentais para que o estudante leve a aula para sua vida. Segundo Muenchen e Delizoicov (2014, p.623), estes princípios devem ser pautados em três momentos pedagógicos, sendo eles: a problematização inicial, organização do conhecimento e aplicação do conhecimento.

Problematização Inicial: apresentam-se questões ou situações reais que os alunos conhecem e presenciam e que estão envolvidas nos temas. Nesse momento pedagógico, os alunos são desafiados a expor o que pensam sobre as situações, a fim de que o professor possa ir conhecendo o que eles pensam. Para os autores, a finalidade desse momento é propiciar um distanciamento crítico do aluno ao se defrontar com as interpretações das situações propostas para discussão, e fazer com que ele sinta a necessidade da aquisição de outros conhecimentos que ainda não detém. Organização do Conhecimento: momento em que, sob a orientação do professor, os conhecimentos de física necessários para a compreensão dos temas e da problematização inicial são estudados. Aplicação do Conhecimento: momento que se destina a abordar sistematicamente o conhecimento incorporado pelo aluno, para analisar e interpretar tanto as situações iniciais que determinaram seu estudo quanto outras que, embora não estejam diretamente ligadas ao momento inicial, possam ser compreendidas pelo mesmo conhecimento.

A problematização inicial pode ser usada em dois sentidos, de um lado estão as concepções que os alunos já têm, obtido por conhecimento anteriores e de outro lado, problemas a serem resolvidos, quando o estudante sente a necessidade de buscar conhecimento que ainda não possui. Nesse momento, os professores devem ser

questionadores, aguçar a curiosidade do aluno, tornando o conteúdo interessante na perspectiva do estudante. No segundo momento, o conhecimento é sistematizado para que os estudantes compreendam o tema e a problematização inicial. Nesse momento que o professor deve trabalhar diversas atividades, como: exposição, formulação de questões, vídeos trabalhos, revisão e experimento. Espera-se que com essa evolução, no terceiro momento, o estudante perceba que os conceitos por ele aprendido poderão ser aplicados em seu cotidiano e estão disponíveis a qualquer pessoa. Os estudantes serão capazes de compreender, analisar e interpretar situações problemas inicialmente propostos.

3 PRODUTO EDUCACIONAL

3.1 CONCEPÇÃO

O produto educacional proposto aqui é uma sequência didática para trabalhar os principais conteúdos de FMC e em especial as radiações ionizantes no 3º ano do Ensino Médio. Nesse sentido foi proposto, o experimento intitulado “Câmara de Nuvens Caseira”, que é um experimento de fácil acesso, para detecção e estudo das radiações ionizantes (alfa, beta e gama) usando como fonte radioativa, uma porção de areia monazítica. O experimento câmara de nuvens pode registrar partículas carregadas vindas de materiais radioativos e raios cósmicos. A sequência didática foi apresentada em aulas usando algumas ferramentas como slides de Power Point, vídeo introduzindo o experimento da Câmera de Nuvens Caseira bem como realização do experimento propriamente dito, vídeo da UFPR-Universidade Federal do Paraná, disponível no link: https://www.youtube.com/watch?v=KsPIFFEiCc8&t=1s, com tempo aproximado de 4 minutos, apresentando os diferentes tipos de radiação (alfa, beta, gama), e as barreiras que impedem a propagação de cada uma delas. Também foi apresentado o experimento virtual da plataforma PHET COLORADO cujo nome é Espectro de Corpo Negro, disponível no link: https://phet.colorado.edu/sims/html/blackbody- spectrum/latest/blackbody-spectrum_pt_BR.html. A inserção do produto educacional ocorreu através da aplicação de um questionário diagnóstico, que além de identificar o conhecimento prévio dos estudantes, teve como objetivo levá-los a questionar e refletir sobre os conceitos, tanto em seu cotidiano, quanto para o desenvolvimento da ciência e da Física. Nas aulas subsequentes foram inseridos os conteúdos necessários e após isso, foram trabalhados a aplicação da radiação em diversas áreas do cotidiano, seguindo assim, os três momentos pedagógicos propostos por Delizoicov na execução deste trabalho.

3.2 MATERIAIS E CONSTRUÇÃO DO EXPERIMENTO

Para construção do experimento Câmara de Nuvens foram os usados os materiais apresentados na figura 17.

Figura 17- Material usados para construção do experimento Câmara de Nuvens

(a) Caixa de vidro (b) Botijão contendo nitrogênio liquido

(c) Álcool isopropílico (d) Feltro

(e) Porção de areia monazítica (f) Tampa de caixa de isopor

(g) Secador de cabelo (h) Silicone

(i) Seringa (j) Lanterna

(k) Placa de alumínio (l) Pistola de cola quente

(m) Encaixe de PVC e chapa de alumínio (n) Tinta Spray

o) Cola instantânea

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

Na figura 17a, tem-se uma caixa de vidro com dimensões 0,30m x 0,40m x 0,30m. No entanto, pode ser usado um aquário com as mesmas características. A Figura 17b, apresenta um recipiente para armazenamento do nitrogênio líquido, nesse caso o recipiente usado no experimento armazenava somente três litros. Na Figura 17c, é mostrado o álcool isopropílico com concentração de 99%. Na figura 17d, é mostrado o feltro (podendo também ser um algodão), que é embebedado com o álcool isopropílico para ser usado no experimento. Na Figura 17e, tem-se uma placa de isopor de dimensões 0,40m x 0,50m para armazenar o nitrogênio líquido. Foi usado uma tampa de uma caixa de isopor de 60 litros, que pode armazenar aproximadamente três litros de nitrogênio. Na Figura 17f, tem-se o secador de cabelo, cuja potência de 1500 Watts, usado para o aquecimento da parte superior da caixa de vidro, pois para que o álcool isopropílico supersature, a diferença de temperatura entre a parte superior e inferior da caixa deve ser de aproximadamente 100ºC, para que o vapor do álcool seja ionizado pelas radiações ionizantes, deixando assim os seus rastros.

Na figura 17g, é mostrado a areia monazítica, sendo usada como fonte radioativa. A areia monazítica não é um produto facilmente encontrado para compra, no entanto é muito comum em algumas praias de todo Brasil. Na figura 17h, tem-se um tubo de silicone usado para fixação do encaixe de PVC apresentado na figura 17p, sendo este fixado na placa de alumínio. Na figura 17m apresenta a placa de alumínio e o encaixe de PVC, usado como suporte para a caixa de vidro, além de não permitir o contato dos fluidos internos com o ambiente, pois dentro dos encaixes de PVC é colocado álcool ou água. A Figura 17i mostra uma seringa usada para embebedar o feltro com álcool. A figura 17j mostra uma lanterna utilizada para iluminar dentro da caixa e visualizar os rastros deixados pela radiação. Na figura 17o é mostrado um tubo de cola instantânea para colar o feltro no fundo da caixa de vidro. É apresentado na figura 17k, uma placa de metal com dimensões de 0,33m x 0,43m, essas dimensões podem ser mudadas dependendo das dimensões da caixa de vidro. Nesse experimento foi utilizado uma placa de alumínio por ter maior condutividade, no entanto pode ser usado outros metais.

3.3 MONTAGEM DO EXPERIMENTO CÂMARA DE NUVENS

Será apresentado a seguir os passos para a montagem do experimento da “Câmara de Nuvens Caseira”. Para isso, é importante que seja feita a aquisição da caixa de vidro ou acrílico, pois como o vidro é um material sensível não vale pena correr o risco de quebrar na montagem da caixa. No entanto, o vidro é de fácil acesso sendo encontrado em qualquer vidraçaria, dependendo do tamanho da caixa. Feita a aquisição de todos os materiais, o primeiro passo é o recorte do encaixe do PVC, como mostra a figura 18, a fixação da mesma à placa de alumínio usando silicone, entre a placa metálica e o encaixe de PVC. Espere por dez horas, até que o silicone tenha secado.

Figura 18- Recorte metálica.da canaleta de PVC na placa

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

Figura 19- Placa metálica sendo pintada

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

Logo após é necessário que a placa e o encaixe de forro de PVC sejam pintados como apresentado na figura 19, com tinta spray preta fosca, pois é importante para a visualização dos rastros deixado pela interação entre as radiações ionizantes e o vapor de álcool isopropílico supersaturado.

Figura 20- Placa após ser pintada

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

A figura 20 apresenta a placa de alumínio com o encaixe de PVC após a colagem. Ambos estão pintados, facilitando, assim, a visualização na prática experimental. Para a realização do experimento poderá ser usada uma tampa da caixa de isopor (caixa de 40 litros), assim a tampa deve ser fixada em uma placa de madeira ou mesa como mostra a figura 21, pois caso não seja realizado a colagem, o isopor pode deformar ao entrar em contato com o nitrogênio líquido devido a sua temperatura.

Figura 21- Placa de isopor após sua fixação

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

É necessário fazer a colagem do feltro no fundo da caixa de vidro como mostra a figura 22. Para a fixação pode ser usado cola instantânea, pois quando o feltro for embebedado com o álcool, ele não se soltará, além disso o feltro no fundo da caixa facilita o processo de vaporização, favorecendo a condensação do álcool em torno dos rastros

deixados pelas partículas da radiação. A figura 22 mostra o feltro colado no fundo da caixa de vidro e a figura 23 o feltro já colado no fundo da caixa de vidro.

Figura 22-- Processo de colagem do feltro no fundo da caixa de vidro

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

Figura 23- Feltro após a colagem no fundo da caixa de vidro

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

A tampa deve ser preenchida completamente com o nitrogênio líquido, pois é importante para que atinja a diferença de temperatura exigida para que alcance êxito na realização do experimento. Nesse momento é necessário o uso de luvas, pois caso entre em contato com o nitrogênio líquido, o mesmo pode causar queimaduras. Ao colocar a placa metálica sobre o recipiente com o nitrogênio percebe-se que a mesma fica com um aspecto esbranquiçado, como mostra a figura 24, com isso pode-se observar que a temperatura da placa está adequada. Pode-se colocar as fontes radioativas, nesse caso a areia monazítica, pois sem as fontes radioativas as radiações observadas serão

oriundas dos raios cósmicos, porém são bem poucas dessas partículas que chegam a superfície da Terra e assim a quantidade de rastros observados serão menores.

Figura 24- Placa metálica sobre o recipiente com nitrogênio

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

Figura 25- Processo de embebedamento do feltro

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

A figura 25 mostra o processo de embebedamento de álcool no feltro. Deve-se colocar água ou álcool dentro dos encaixes de PVC para não haver contato com meio externo, como mostra a figura 26, este processo é muito importante, pois caso não seja feito esse procedimento, pode haver entrada de correntes de ar dentro da caixa, o que atrapalharia a visualização dos rastros.

Figura 26- Colocando agua no encaixe de PVC

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

Após o procedimento representado nas figuras 25 e 26, coloque a caixa de vidro sobre o encaixe de forro e o experimento estará quase pronto, pois antes, é necessário o aquecimento (usando o aquecedor) da parte superior da caixa, conforme observado na figura 27. Após isso, o experimento estará pronto para ser usado na observação dos rastros deixados pela radiação ionizante.

Figura 27- Experimento pronto para ser usado

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

Para o bom funcionamento do experimento é necessário o uso de um secador de cabelo com 1500 Watts de potência, pois através desse aquecimento é possível obter a diferença de temperatura ideal para a supersaturação do álcool possibilitando a condensação da nuvem em torno dos rastros deixados pelas partículas.

Nesse modelo de câmara de nuvens, o feltro embebecido com álcool fica na parte superior da caixa a temperatura ambiente e está evaporando. A medida que o vapor de álcool desce em direção a superfície fria, ele perde temperatura e quer voltar ao estado líquido. Ao encontrar uma superfície resfriada, parte do vapor de álcool se condensa e a outra parte entra em equilíbrio metaestável, o que cria uma região supersaturado (SOUZA, 2017, p.7). Esse vapor de álcool supersaturado está próximo de seu ponto de condensação e interage facilmente com qualquer partícula ionizada ou radiação eletromagnética, deixando evidentes traços de gotículas de álcool.

3.4 TESTE

Depois do experimento câmara de nuvens pronto, antes de ser apresentado aos estudantes, foram realizados vários testes, usando diferentes tipos de materiais como fontes de radiação. Alguns dos materiais usados estão relacionados a seguir: adubo contendo potássio e uma pequena fração de potássio radioativo, banana, castanha do Pará e fumo que também contém pequenas frações de isótopos radioativos. No entanto, os rastros deixados por estes materiais eram quase os mesmos que os deixados pela radiação de fundo ou ambiente, parte dela oriunda das interações entre os raios cósmicos e a atmosfera da Terra. Para sanar qualquer dúvida quanto à radiação emitida por esses materiais, eles foram levados para o laboratório da UFMT-Universidade Federal de Mato Grosso – Campus Universitário do Araguaia. Nele, foram feitas duas medições de contagens radioativas usando o contador de Geiger Muller do tipo Contador de Geiger Muller-Zahler/ GM a uma distância de aproximadamente 0,5cm. O resultado do número de contagens é apresentado na tabela 3.

Tabela 3- Resultado do número de contagens de diversos materiais Material Usado no Tempo usado para Número de Número de Contagens Teste medida Contagens primeira segunda medida. (Segundos) medida. Fumo + Ambiente 60 42 24 Castanha do Pará + 60 36 24 Ambiente Banana + Ambiente 60 24 -

Radiação ambiente, 60 24 18 sem nenhum material Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Maio. 2019.

Percebe-se que a diferença entre as contagens da radiação ambiental e do material apresentados na tabela 3 são irrelevantes para ser detectados por um experimento caseiro, com isso podemos deduzir que os poucos rastros deixados usando esse material é justificado, pois tinha pouca diferença em relação à radiação do ambiente. A partir dos resultados obtidos, foi necessário usar fontes de radiação que permitissem melhores resultados, tendo uma melhor visualização dos rastros provocados pela ionização do vapor de álcool isopropílico supersaturado através da interação com a radiação. Com isso o experimento tornou-se mais atraente, mais pedagógico, pois a radiação passou de uma abstração (poucos rastros deixados) para algo visível para os estudantes. O elemento usado foi a areia monazítica. Para a confirmação da radiação emitida por este material, foi levado ao laboratório de Física da UFMT para realização das contagens novamente, sendo usado o mesmo contador de Geiger Muller descrito na tabela 4, mantendo a mesma distância do experimento anterior. Os resultados são apresentados na tabela abaixo, usando o mesmo intervalo de tempo da tabela anterior.

Tabela 4- Resultado do número de contagens usando areia monazítica Material Usado no Tempo usado para Número de Número de Contagens Teste media Contagens primeira segunda medida. (Segundos) medida. Radiação ambiente, 60 11 18 sem nenhum material Areia Monazítica + 60 277 307 ambiente Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Maio. 2019.

Observa-se na tabela 4 que as contagens da areia monazítica em relação a radiação emitida pelo ambiente são maiores, até mesmo se comparado ao material usado na tabela 3. Com isso, ao usar este material na execução do experimento houve significativa melhora na visualização do número de rastros e em sua intensidade.

O termo monazítico deriva do grego monazein, que significa estar solitário, em referência à raridade do material. Segundo Coelho et al (2005), a areia monazítica é um,

[...] fosfato de metais de terras raras e de tório3, essencialmente (Ce, La, Y, Th)PO4, que se concentra nas areias, em razão de sua resistência ao intemperismo químico e à alta densidade relativa, estando, assim, associada com outros minerais resistentes e pesados, como a magnetita 4 (fórmula ideal, Fe3O4), a ilmenita (FeTiO3), o rutilo (TiO2) e o zircão (ZrSiO4) (COELHO et al, 2005, p.3).

Os dados apresentados a seguir são da areia monazítica de Guarapari no Espirito Santo, para Coelho et al (2005) afirmam que a atividade para radiação alfa e beta é de 62,5Bq/g (Becquerel por grama) e 77Bq/g, respectivamente. Então, a atividade radioativa total da areia monazítica é de 139,5Bq/g. A massa da areia monazítica usada no experimento foi de 17g, pode-se calcular a atividade radioativa total da porção areia. Logo: 139,5Bq/g . 17g= 2371,5Bq  2, 4 .103 Bq =2,4 kBq

Fazendo a conversão para Curie por grama temos: 1Bq = 2,7 . 10-11Ci 2,4 . 103 Bq = 6,48 . 10-8 Ci = 64,8 n Ci ou 0,065 mCi Segundo Moura (2003), foram medidas a dose equivalente nas praias de Guarapari, considerando que os indivíduos ficassem por 5 horas nas praias por dia e os valores ficaram entre 7,86 e 354 Sv. Então, neste período de 5 h, as pessoas ficam expostas na areia à uma dosagem de radiação de 1,57 a 70,8 Sm/h. Para Silva (2018) o valor máximo recomendado pela Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP 1990), para o público é um limite anual de 1mSv (1000Sm) ou 0,11 Sm/h. Então, no período de 5 h, a exposição à radiação pode ser muito maior do que o permitido dependendo da região onde foi feita a medida. Apenas como referência, a atividade de radiação do tório-232, rádio-226 e potássio- 40 nas areias da Pedra Preta em Camburi –SC foi medida e a dose equivalente é de 0,23 nCi/g, significando que a areia usada no produto é muito menor que a quantidade de areia presente nessas praias e como usamos a areia no produto por aproximadamente 15 min sem contato com as mãos e mantendo uma certa distância, então podemos afirmar que o uso da areia em pequena quantidade não representa risco a saúde, podendo o Professor usar essa fonte radioativa.

4 METODOLOGIA

A sequência didática proposta nesse trabalho foi aplicada no Instituto Federal de Ciência e Tecnologia de Mato Grosso Campus Confresa com estudantes do 3º ano do Técnico em Agropecuária Integrado ao Nível Médio A e B, inserindo os conceitos de Física Moderna e Contemporânea através de experimentos reais e virtuais, além de vídeos. O método usado nessa sequência didática prioriza os conhecimentos prévios dos estudantes, através de aulas dialogadas e expositivas usando como facilitador a aplicação de experimentos, pois os mesmos são seres em construção e poderão contribuir transpondo os conceitos aprendidos em sala para sua vida socialf. Assim, a sequência didática será fundamentada por três momentos pedagógicos concebidas por Paulo Freire e adaptados para o ensino de Física por Delizoicov. Neste trabalho, foram usados slides, vídeos, experimento virtual intitulado como Espectro de Radiação da plataforma virtual Phet Colorado, roda de diálogos, questionário, trabalho extraclasse e a realização de experimentos reais, intitulado como “Câmara de Nuvens Caseira”. Pretendeu-se, através dessa metodologia que os estudantes pudessem ir além do entendimento do conteúdo, passando para o campo da compreensão do mesmo, percebendo suas aplicações e relacionando ao seu cotidiano. Foram utilizadas duas aulas para apresentação do projeto, aplicação do questionário diagnóstico (APÊNDICE B) e apresentação do vídeo com o funcionamento do experimento “Câmara de Nuvens Caseira” usando como fonte de radiação a areia Monazítica, cuja atividade de radiação é apresentada na TABELA 4. Ainda nessas aulas, foram apresentados através de Slides a história e a importância da câmara de Nuvens para o desenvolvimento do estudo da Física de partículas. Foram usadas duas aulas para introdução ao conteúdo através de slides, apresentando aos estudantes a constituição atômica e sua instabilidade provocando a liberação de partículas por meio das radiações alfas e betas e a liberação de energia por meio de ondas eletromagnéticas (radiação gama). Com isso, os estudantes puderam compreender as características principais das radiações ionizantes e não ionizantes (e suas diferenças), reatores nucleares, radiação natural e não natural e radiações de fundo (ambiente).

f Associação estabelecida entre o indivíduo e a sociedade.

Foram apresentados aos estudantes mediante essas aulas uma descrição básica de como funcionam os medidores e contadores de radiação, as doses de radiação e as diferenças entre dose absorvida, dose equivalente e dose efetiva. Por meio do experimento virtual da Plataforma Phet intitulado “Espectro de Corpo Negro”, foi discutido algumas limitações dos conceitos de Física Clássica ao tentar explicar o processo de emissão de radiação deste corpo negro e como isso levou ao surgimento da Física Moderna e Contemporânea. Três aulas expositivas e dialogadas usando slides foram usadas para apresentar os conceitos sobre raios cósmicos e a radiação emitida por elas através de decaimentos e interações com a atmosfera. Foi apresentado um gráfico sobre o espectro eletromagnético (com ênfase nos comprimentos de ondas de cada faixa). Também foi apresentado, como facilitador para a aprendizagem das características das radiações ionizantes, um vídeo descrevendo as radiações alfa, beta, raio-x e gama e os contadores de radiação. Duas aulas foram usadas para realização do experimento e discussão com os estudantes sobre os conceitos aprendidos anteriormente, além de apresentar os benefícios e malefícios causados pela radiação, por meio de aulas expositivas dialogadas e apresentação de slides. Foi aplicado um questionário com 36 questões discursivas, objetivas e de múltiplas escolhas, com um dos processos avaliativos. Esse questionário teve o prazo de entrega fixado em 5 dias. Três aulas foram usadas para correção do questionário avaliativo e apresentação do Quadro de Doses de Radiações ionizantes que uma pessoa pode absorver a partir de diversas fontes, desde “dormir ao lado de alguém”, passando por raio-x de tórax, até a radiação extrema recebida por uma pessoa após ter ficado dez minutos ao lado do núcleo do reator de Chernobyl depois de sua explosão e derretimento. Os estudantes resolveram dois questionários, sendo um sobre as práticas apresentadas no experimento e outro que avaliou suas opiniões sobre a sequência didática.

4.1 VISÃO GERAL DA IMPLEMENTAÇÃO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA

Para melhor compreensão da organização das aulas e os conteúdos abordados em cada momento pedagógico será apresentado abaixo as Tabelas 5, 6 e 7 respectivamente, com a visão geral da sequência didática, ficando os slides trabalhados nas aulas disponíveis no final do trabalho (ver APENDICE F).

Tabela 5- Primeiro passo da sequência didática Problematização Inicial

Data Nº de Tópico Recurso horas aula 01/10 Uma Explanação do projeto e Aula expositiva e dialogada, com (1) Questionário diagnóstico. apresentação da proposta a ser desenvolvida. Em seguida, aplicação de um questionário diagnóstico individual em material impresso para verificar os conhecimentos prévios dos alunos sobre o tema que a ser abordado.

01/10 Uma Importância e história da Slides apresentando a história e a importância (1) Câmara de Wilson. da Câmara de Wilson para o desenvolvimento Apresentação do vídeo da Física de partículas. (Câmara de Nuvens detectando partículas Cósmicas) da UFGRS. Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Jul. 2019.

Tabela 6- Segundo passo da sequência didática organização do conhecimento Organização do Conhecimento

Data Nº de Tópico Recurso horas- aula

Medidores de radiação, Apresentar para os estudantes os unidades de medidas principais medidores de radiação e para radiação, os contadores. contadores e medidores.

Apresentar o experimento virtual Radiação do Corpo Negro (Phet) 08/10 Duas(2) Espectro do corpo contextualizando com os estudantes, além negro. de apresentar o surgimento da Física Moderna e Contemporânea (FMC) através dessa problemática.

Radiação dos Raios Apresentação de Slides sobre partículas Cósmicas Cósmicas e as interações provocadas com a atmosfera terrestre.

15/10 Três (3) Espectro Apresentar e discutir o Espectro

Eletromagnético, Eletromagnético usando Slides. Usar o partículas alfa, beta, vídeog, para discutir as radiações alfa, beta raio-x e gama. e gama, além de seu poder de penetração Contadores de radiação. e as barreiras. Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Jul. 2019.

g Vídeo apresenta a diferença entre as radiações alfa, beta e gama e sua barreira de proteção, https://www.youtube.com/watch?v=h9QEfbHqTNE, (vídeo de 4min. Aproximadamente)

Tabela 7- Terceiro passo da sequência didática aplicação do conhecimento

Aplicação do Conhecimento Data Nº de Tópico Recurso horas- aula Acidentes envolvendo Aula expositiva e dialogada com radiação e aplicação na apresentação de Slides. saúde.

Benefícios e Dialogar e discutir com os estudantes os malefícios da radiação. benefícios, malefícios da radiação e Duas 22/10 aplicações no cotidiano das radiações. (2)

Apresentar o questionário (20 questões Questionário discursivas, múltipla escolha e objetiva) avaliativo abordando todo o conteúdo trabalhado anteriormente. Essas atividades serão para casa com prazo de 5 dias para a entrega.

Correção do Momento de avaliação, discussão e reflexão questionário avaliativo das respostas do Questionário. e apresentação.

Discussão do Quadro Apresentação de Slides com o Quadro de

Duas de Doses de Radiação Doses de Radiação suportada por uma 30/10 (3) suportada por uma pessoa, elaborado por Randall Munroe pessoa em (http://xkcd.com/radiation/), Operador Sênio “sievert”(Sv). Discutir de Reator no Reed Research Reactor, EUA. os benefícios e Aplicação do questionário sobre o malefícios da radiação. experimento Câmara de Nuvens e do questionário de opinião da sequência didática. Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Jul. 2019.

5. APLICAÇÃO EM SALA DE AULA

O produto educacional desenvolvido é uma sequência didática objetivando trabalhar os principais conteúdos de FMC e em especial as radiações ionizantes e não ionizantes no 3º ano do Ensino Médio, utilizando, como facilitador, o experimento virtual da plataforma phet colorado e principalmente o experimento real intitulado como “Câmara de Nuvens” caseira, vídeos e slides facilitando o estudo dos diferentes tipos de radiações (alfa, beta, raio X e radiação gama), além dos raios cósmicos. Através deste produto educacional, os estudantes conheceram os diferentes tipos de modelos atômicos e a estrutura dos átomos, além dos benefícios da radiação desde sua aplicação na medicina (raio X e tratamento de radioterapia) à sua aplicação na indústria. Também conheceram os malefícios já provocados pela radiação por meio de acidente nuclear, como o acidente com o Césio- 137, ocorrido em Goiânia em 1986 e na usina nuclear de Chernobyl. Para Pereira (2014), o estudo da FMC, em especial a radiação, torna-se cada vez mais importante tendo em vista a superficialidade que o assunto é tratado nos meios de comunicação Os estudantes também discutiram a importância do espectro de radiação do corpo negro através de uma simulação computacional via “applet” em “html5’. Esse experimento virtual ajudou a compreender as falhas da Física Clássica em explicar a radiação do corpo negro e a temperatura do mesmo, culminando no surgimento de um novo ramo de pesquisa, nesse caso a FMC, já que conseguia explicar de forma satisfatória.

5.1 EXECUÇÃO DO PRODUTO

A aplicação do produto teve início em outubro de 2019 e término em novembro do mesmo ano. Nesse capítulo será apresentado como ocorreu a apresentação da sequência didática aos estudantes, expondo também os modos em que as atividades foram trabalhadas, seguindo os três princípios ou momentos pedagógicos mostrados anteriormente. Através desses momentos pedagógicos, buscaram-se estratégias para que os alunos compreendessem os conceitos propostos valorizando os conhecimentos prévios, tornando o ambiente propício para que desenvolvessem uma postura crítica e investigativa sobre o resultado dos experimentos, bem como a questionarem a veracidade de algumas hipóteses e a formarem ideias sobre determinado fenômeno, no caso, a radiação.

5.1.1 Problematização Inicial no desenvolvimento das aulas

A primeira aula foi usada para apresentar o projeto e responder o questionário diagnóstico como mostrado na figura 28. Alguns estudantes já conheciam determinadas histórias sobre radiação, tinham conhecimento de notícias sobre acidentes nucleares, principalmente Chernobyl e o acidente com Césio- 137 ocorrido em Goiânia e os de Hiroshima e Nagasaki, ou seja, em sua maioria conheciam aspectos negativos vinculados a radiação.

Figura 28- Apresentação do Projeto

Fonte: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019.

Após a apresentação do projeto, como mostrado na figura 28, os alunos responderam ao questionário diagnóstico (ver APENDICE A). Este questionário apresentou questões abertas explorando conceitos relacionados à aplicação de radiação em nosso dia-a-dia além de diagnosticar qual era o conhecimento empírico sobre o tema. O objetivo era induzir os estudantes a refletir sobre este tema importante e suas aplicações caracterizando uma problematização inicial. A análise do questionário diagnóstico será apresentado no item 7.1. No entanto, ao final deste produto (ver APÊNDICE B) têm um questionário diagnóstico alternativo para que o professor atenda a sua realidade. Ao exibir o vídeo preliminar da UFGRS sobre a Câmara de Nuvens detectando raios cósmicos pode-se perceber questionamentos como: O que está acontecendo? O que é aquilo?

Referindo-se a condensação do vapor de álcool isopropílico na qual se formaram os rastros das partículas, o que claramente entusiasmou os estudantes. A seguir teve início uma apresentação de slides sobre a história da Câmara de Nuvens questionando sua importância para o desenvolvimento do estudo da Física nuclear, tanto na descoberta de novas partículas como o pósitron, quanto na visualização do rastro deixado pelas partículas oriundas de reações nucleares na atmosfera. Nesse momento, alguns estudantes já indagavam como ocorria a aplicação da radiação na medicina, visto que o questionário diagnóstico propunha uma reflexão inicial sobre o tema, o que era importante para o desenvolvimento das próximas aulas, pois aguçaram a curiosidade e a “fome” por conhecimento. Inicialmente foi possível perceber através das conversas e discussões que os estudantes necessitavam adquirir novos conhecimentos para entender e responder os questionamentos propostos. Surgiram muitas interrogações sobre o tema, mas não foram respondidas nesse momento da aula e os alunos também foram questionados para aumentar seu interesse.

5.1.2 Organização do Conhecimento no desenvolvimento das aulas

No processo de inserção do conhecimento científico, ocorrido na aula 3 e 4, houve o primeiro impacto quando apresentado os modelos atômicos, pois os estudantes conheciam quatro destes modelos, a saber: Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr, não conhecendo o modelo de Schrodinger. Os modelos apresentados estão nos slides usados nas aulas, (APÊNDICE G). Foi apresentada a definição de radiação, assim como a diferença entre as radiações ionizantes e não ionizantes, destacando sua descoberta em 1886 por Henri Becquerel em suas experiências com sulfato duplo de potássio e uranila e as marcas deixadas em um filme fotográfico. Nessa aula, os estudantes também conheceram as séries de decaimento natural e artificial. Foi maravilhoso perceber o interesse, a participação e os questionamentos sobre conceitos que eles ainda não conheciam. Contudo, alguns estudantes tiveram dificuldade em compreender por que o átomo aumenta o número atômico após liberar radiação beta (-). Com o início desse momento pedagógico, os estudantes começaram a desenvolver uma compreensão dos questionamentos levantados na problematização inicial, facilitando o trabalho de mediação pois sentiam a necessidade de entender os conceitos. Quando o tema abordado foi radiação de fundo, ficaram encantados e curiosos em conhecer o universo, surgindo muitos questionamentos como: qual a temperatura do

Universo? Qual o tamanho do universo? Existe vida em outros planetas? Como conseguiram descobrir o tamanho do universo? O que é buraco negro? No entanto, grande parte das dúvidas foram sanadas. Na quinta aula, foram estudados os reatores nucleares e a diferença entre fissão e fusão nuclear, medidores e contadores de radiação, além de compreenderem as diferenças entre radiação absorvida, doses de radiação, dose equivalente e atividades dos radionuclídeos. A curiosidade maior surgiu no momento em que o tema discutido foram os reatores, pois estes são atraentes na percepção dos estudantes e de estarem presente nas principais notícias de acidentes nucleares. Um dos questionamentos foi a diferença entre o reator usado na produção de energia e o reator usado nas bombas nucleares. Nesse momento foi necessário realizar uma abordagem desde a diferença no próprio enriquecimento do Uranio-235 até ao próprio controle do reator no processo de fissão nuclear para produção de energia. Na sexta aula, os estudantes conheceram o espectro do corpo negro, a definição do que é um corpo negro e a relação existente com o surgimento da Física Moderna e Contemporânea. O principal momento da aula foi a apresentação do experimento virtual Espectro de Corpo Negro, pois nessa simulação foi mostrado a eles como conseguir relacionar o comprimento de onda máximo da radiação à temperatura do corpo e identificar a curva característica. Ao serem apresentados aos conceitos sobre os raios cósmicos observou-se grande interesse dos estudantes com vários questionamentos e muitos queriam saber da origem, os nomes das partículas, sua energia e quais são os centros de pesquisas nessa área da Física, fato importante para continuidade das aulas. Após sanar as dúvidas dos estudantes foi apresentado o espectro eletromagnético, em que usando o quadro negro foram realizados alguns cálculos demonstrando a relação entre comprimento de onda e a energia da mesma. Compreenderam a relação entre o comprimento de onda e a energia que ela possui, além disso, surgiram questionamentos sobre outras situações envolvendo radiações não ionizantes (crendices populares), como: o uso de micro-ondas faz mal para a saúde? Ficar com o celular no bolso ou dormir ao lado do aparelho pode trazer problemas futuros? Por que a cor preta é mais quente se comparado a cor branca? Novamente, percebeu-se um grande interesse dos alunos, sendo importante essa participação, pois através dela eles conseguem associar esse conhecimento ao seu cotidiano e perceberem o quanto a Física pode estar presente em suas vidas, possibilitando elevar o

nível de conhecimento das pessoas que convivem com eles através de diálogos em suas próprias casas. Na sétima aula, os estudantes foram questionados sobre o que é radiação alfa, beta, gama e raios X. Observou-se um silêncio total, haja visto que a maioria já tinha ouvido falar, mas não sabiam o que eram. Foi explicado o que era cada uma delas e como impedir a propagação dessas radiações através de barreira apropriadas. Para os raios X, foi realizado um estudo desde sua origem, como eram produzidos e sua aplicação em um contexto histórico e atual, conceitos com os quais os estudantes ficaram entusiasmados e atentos. Logo após, os estudantes assistiram um vídeo mostrando as barreiras para as radiações apresentadas.

5.1.3 Aplicação do Conhecimento no desenvolvimento das aulas

A realização do experimento da Câmara de Nuvens Caseira ocorreu na oitava aula, sendo o momento mais empolgante, pois os estudantes tiveram a oportunidade de visualizar os rastros deixados por uma radiação ionizante provocados pelas fontes radioativas e pelos raios cósmicos (podendo ser prótons, elétrons e múons). No primeiro momento foi necessário provocar uma diferença de temperatura de aproximadamente 100º C entre a parte superior da caixa de vidro e a parte inferior da mesma, processo este realizado por meio de um secador de cabelo com potência de 1500W, o que os deixou ansiosos porque o aumento de temperatura provocava, em momentos iniciais, algumas correntes de convecções na nuvem deixada pelo álcool isopropílico. Alguns achavam que era a radiação ionizante, a responsável por essas correntes, no entanto, passado aproximadamente uns 5 minutos do início do experimento surgiram os primeiros rastros, deixando-os encantados, sendo gratificante para o professor. A figura 29 ilustra o momento da apresentação do experimento e a empolgação dos estudantes em presenciar a observação do fenômeno e os rastros deixados pela radiação.

Figura 29- Observação para detecção dos rastros

Fonte: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Out. 2019

Ao final da aula os alunos levaram para responder em casa 36 questões do Teste Conceitual (APENDICE D), com o objetivo de perceber se os estudantes compreenderam os conceitos trabalhados e para ser usado como parte da avaliação bimestral dos estudantes. Nas aulas 9 e 10 foram apresentados os benefícios que a descoberta da radiação trouxe para a sociedade desde sua aplicação na saúde por meio de raios X, aparelhos de radioterapia, tratamento de tireoide e diagnósticos de várias doenças até seu uso nas indústrias, esterilização de alimentos, além de ser muito usada em diversos países como principal fonte de energia. Foi abordado também seus malefícios, como os efeitos biológicos provocados por ela, o problema do descarte do lixo atômico, além da problemática envolvendo os acidentes nucleares que matou várias de pessoas o que acabou por deixar os estudantes apreensivos. Nesta aula, foram abordados os principais acidentes nucleares e os danos causados, com ênfase maior no acidente provocado pelo Césio-137 ocorrido em Goiânia, em setembro de 1987. As aulas de número 11 e 12 foram usadas para recolhimento, correção e discussão do questionário com os estudantes possibilitando observação e intervenção nas principais dúvidas que ainda poderiam existir. Após a correção, foi apresentado o quadro de doses de radiação a partir de diversas fontes, deixando-os impressionados, pois não imaginavam que ao dormir ao lado de alguém ficaríamos sujeitos a radiação. Puderam também fazer comparações entre a radiação absorvida pelo corpo em um raio-X de tórax ou uma mamografia e conheceram o quanto de radiação era emitida em dez minutos ao lado do reator de Chernobyl e a dose de radiação considerada fatal, mesmo com tratamento.

Através desse momento pedagógico, foi possível perceber que os estudantes tinham um olhar crítico em relação a situações reais aplicadas ao conceito de radiação, o qual ficou evidente por meio da participação na roda de diálogo para correção do questionário teste e ao apresentar o quadro de doses de radiação. Ao término da aula, os estudantes responderam o questionário do experimento Câmara de Nuvens e o questionário de avaliação da sequência didática apresentada a eles. Nesse sentido os questionários serão importantes para futuros trabalhos.

5.2 OBSERVAÇÕES FEITAS USANDO A CÂMARA DE NUVENS

A Câmara de Nuvens caseira é um experimento de fácil acesso e possibilita o estudante conhecer as radiações ionizantes e FMC. Serão apresentados os rastros observados no experimento. Os rastros deixados pelas partículas na câmara de nuvens são relativamente rápidos, dificultando a captura de imagens fotográficas. Para evitar esse problema foi realizado um vídeo disponível no link: https://www.youtube.com/watch?v=TwRnkb2RnG8, e posteriormente foram extraídos quadros. Para realização do experimento filmado, foi usado uma fonte radioativa, nesse caso a areia monazítica. Como o experimento foi realizado durante o dia para os estudantes, e a luz atrapalha a visualização dos rastros. A fonte radioativa foi necessária, para emitir maior radiação, deixando mais evidente os rastros e possibilitando melhor visualização. A câmara de nuvens é capaz de registrar rastros de partículas carregadas, provenientes de raios cósmicos e materiais radioativos. A tabela 8 mostra as partículas carregadas detectadas pela câmara de nuvens provenientes de materiais radioativos e suas respectivas energias, além de apresentar quais elementos que poderiam ser colocados próximas a câmara para observar o produto de seu decaimento (LAGANA, 2011, p. 2).

Tabela 8- Partículas provenientes de materiais radioativos observadas na câmara de nuvens Elemento Decaimento Energia (Mev) 95Am Α 5.275 84Po Α 4.883 11Na ß+ 0.215 44Ru ß- 0.010 232Th ß------Fonte: Adaptado de Laganá (201, p.2)

A tabela 9 apresenta as partículas carregadas provenientes dos raios cósmicos mais comuns e que poderiam ser observadas pelo experimento câmara de nuvens, suas respectivas massas e a vida média dessas partículas.

Tabela 9- Partículas cósmicas mais comuns observadas na câmara de nuvens Nome Símbolo Massa (MeV/c2) Vida Média Elétron E 0,51 ∞ Múon  105 2,2 x 10-6 s Próton P 938  2,1 x 1029 anos Píon  139 2,6 x 10-8 s Fonte: Laganá (201, p.2)

A figura 41 traz o registro de um rastro que apresenta característica de partículas alfa, sendo visualizada no produto aplicado. Enquanto a figura 42 mostra o rastro das partículas alfa detectadas por Manzaneda, Garcia e Monasterios (2018) em uma câmara de nuvens. De acordo com Manzaneda, Garcia e Monasterios (2018) as partículas alfas do gás radônio-222 presentes no ambiente são facilmente detectadas, pois são muito massivas e consequentemente os rastros deixados por elas são curtos, grossas e mais brilhantes. Ao comparar a figura 30 e 31 percebe-se que apresentam as mesmas características.

Figura 30- Registro de um rastro com características de partículas alfa

Fonte: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Jul. 2019

Figura 31- Momento que foram registrados rastros da partícula alfa na câmara de nuvens

Fonte: Manzaneda, García e Monasterios (2018, p.4)

Na figura 32 percebe-se um rastro fino e longo, característico dos rastros deixados pelos elétrons ou pósitrons de alta energia. Para Manzaneda, Garcia e Monasterios (2018) os elétrons ou pósitrons de alta energia ionizam as moléculas, deixando um traço reto e fino

sem serem espalhados. O rastro da figura 33 apresenta a mesma característica do rastro observado na figura 32, podendo ser pósitrons ou elétrons de alta energia.

Figura 32- Registro de um rastro fino e longo

Fonte: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Jul. 2019

Figura 33- Rastro deixado por elétrons ou pósitrons muito energéticos

Fonte: Manzaneda, García e Monasterios (2018, p.4)

Na figura 34 foi registrado um rastro espesso e longo apresentando as mesmas características dos rastros deixados pelos múons, observado na figura 35. Segundo Manzaneda, Garcia e Monasterios (2018) os rastros deixados pelos múons são muito parecidos com os rastros produzidos pelos elétrons, pois são longos e além de serem mais espessos devido sua massa ser de aproximadamente 207 vezes mais massivos que o elétron.

Figura 34- Registro de um rastro espesso e longo

Fonte: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Jul. 2019

Figura 35- Registro do múon na câmara de nuvens

Fonte: Manzaneda, García e Monasterios (2018, p.4)

Alguns rastros característicos de algumas partículas como: elétrons e pósitrons de baixa energia, prótons, ou até mesmo diferenciar as anti-partícula, não foram observados nesse experimento, no entanto serão caracterizadas.

Segundo Manzaneda, Garcia e Monasterios (2018) os elétrons e pósitrons de baixa energia cinética geram trajetórias irregulares, pois são propensas a espalhar por repulsão eletromagnética com elétrons presentes no meio, como apresentado na figura abaixo.

Figura 36- Rastros de elétrons e pósitrons de baixa energia

Fonte: Manzaneda, García e Monasterios (2018, p.5)

Para Manzaneda, Garcia e Monasterios (2018, p.5) “se uma partícula tem energia suficiente (> 1.022 [MeV]), pode criar um elétron e um pósitron. Fenômeno conhecido como criação de pares”, conforme a figura 37. Figura 37- Decaimento do múon e sua anti-partícula

Fonte: Manzaneda, García e Monasterios (2018, p.5)

Os rastros deixados pelos prótons na câmara de nuvens têm como características ser reto e extremamente forte. A figura 38 apresenta uma possível interação entre um nêutron cósmico e com um núcleo atômico, produzindo um próton que vai para baixo e uma partícula alfa que vai para a esquerda (LAGANÁ, 2011).

Figura 38- Rastro característico do próton e partícula alfa

Fonte: Laganá (201, p.5)

É importante salientar que a câmara construída é caseira e de cunho pedagógico, possibilitando ao estudante a visualização de apenas partículas subatômicas, facilitando sua compreensão dos conceitos.

6 ANÁLISE DOS RESULTADOS

Após a apresentação do projeto, os estudantes responderam um questionário diagnóstico (ver APÊNDICE A), que, além de observar o conhecimento prévio dos estudantes sobre o tema, tinha como principal objetivo induzi-los a iniciar uma discussão e questionamentos sobre radiação e a relação desta com seu cotidiano. No entanto, é importante salientar que essa análise é de cunho qualitativo, não sendo determinante para afirmar se a metodologia usada foi fator importante para que os estudantes respondessem corretamente as atividades do questionário teste. No questionário diagnóstico percebeu-se grande dificuldade em responder algumas questões, no entanto, houve muita discussão na sala entre os estudantes. Assim, na primeira atividade, quase todos responderam como sendo prótons, elétrons e nêutrons, com isso pode- se observar que os estudantes não conheciam outras partículas elementares. Algumas atividades não apresentaram respostas como a 2, 3 e 7, outras como a 4, 5, e 8, houve respostas incompletas, sendo essas relacionando radiação ao conhecimento empírico dos estudantes. Foi aplicado um teste conceitual (ver APÊNDICE D), sendo este aplicado na oitava aula. Como parte das notas dos estudantes dependiam desse questionário, todos os estudantes entregaram o questionário respondido, sendo que a porcentagem de acerto médio da sala foi de aproximadamente 85%. As questões foram de natureza qualitativa, nesse sentido o objetivo não é medir o conhecimento dos estudantes, pois seria um processo mais complexo e demandaria um tempo maior com novas atividades. Assim, os estudantes que erraram algumas questões podem ter compreendido os conteúdos tanto quanto aqueles que acertaram, no entanto, alguns podem cometer erros associados à interpretação de determinados conceitos das radiações ionizantes e suas aplicações ou até mesmo na observação dos rastros no próprio experimento. Foi aplicado também um questionário específico para o experimento Câmara de Nuvens (ver APÊNCE C), com as duas turmas somando 31 estudantes, nesse dia haviam faltado 2, pois as salas têm 33. O questionário tem 5 questões, onde 3 destas questões foram atividades descritivas, nas quais os estudantes tiveram a oportunidade de expor suas ideias em relação ao experimento Câmara de Nuvens, e duas questões foram atividades objetivas

sendo aqui os resultados apresentados por meio de gráficos. Não será usado todas as respostas deste questionário, apenas algumas respostas que englobam as respostas de todos. Primeira: O que pode ser observado com o experimento Câmara de Nuvens? Descreva-as. “Pode ser observado rastros provocados pela interação com a nuvem de álcool isopropílico’. “São observados radiações ionizantes, podem ser vistas por meio de rastros no vapor álcool”. “Pode se observar traços na nevoa de álcool isopropílico provocado pela radiação”. “No experimento podemos perceber a radiação ionizante através dos rastros, além de correntes de convecção provocados pela temperatura do aquecedor”. Percebe-se que ficou muito claro para os estudantes os rastros deixados pela radiação emitida pela areia monazítica. Na aplicação do experimento ficou evidente o entusiasmo dos estudantes, por meio de questionamentos e contribuições, criando um ambiente propício ao aprendizado. Segunda questão: Você conseguiu observar a ionização do vapor de álcool isopropílico? Descreva-as. Grande parte dos estudantes responderam “Sim, foi possível observar traços de radiação ionizante aparecendo no vapor de álcool isopropílico”. No entanto teve 5 estudantes que não conseguiu visualizar no experimento real, sendo importante o vídeo para complementar os conceitos trabalhados. A terceira atividade tem seu resultado aqui representado por um gráfico das respostas dos estudantes relacionadas à seguinte questão: Marque a alternativa que melhor descreve a relação proposta pelo experimento ao estudo realizado sobre radiações. As alternativas eram: não conseguiu relacionar; relacionou parcialmente; relacionou totalmente. Através do gráfico 1 percebe-se que os estudantes conseguiram relacionar o experimento Câmara de Nuvens ao estudo das radiações, onde 74% indicaram que relacionou completamente e 26% afirmaram que relacionou parcialmente.

Gráfico 1- Relação proposta pelo experimento ao estudo sobre radiações

26%

Não conseguiu relacionar Relacionou parcialmente 74% Relacionaou totalmente

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Nov. 2019.

Quarta questão era discursiva: As situações apresentadas e estudadas através do experimento se assemelham ao cotidiano? Quais? As respostas de alguns estudantes serão transcritas abaixo, representando todas as respostas da turma. “Sim, pois com o conteúdo e o experimento foi possível associar ao dia a dia, como sabemos muitos são as aplicações da radiação (aplicação na medicina, produção de energia e etc.) e tal como seus perigos”. “Sim, como raio-X, radioterapia’. “Sim, em tratamentos de doenças e na agricultura a radiação é de suma importância”. “Sim, pois podemos observar na prática em laboratório o que acontece em alguns momentos do nosso cotidiano, através da observação da radiação, no entanto em nosso cotidiano estamos sujeitos a radiação e não conseguimos visualizar”. “Não consigo perceber a relação com meu cotidiano”. Observa-se que a maioria dos estudantes conseguiram associar e identificar as aplicações das radiações desde seu uso na medicina, na produção de energia. No entanto, teve um estudante que não conseguiu perceber essa relação e aplicação. Contudo os resultados foram satisfatórios.

O gráfico 2 abaixo traz o resultado do seguinte questionamento: O experimento Câmara de Nuvens facilitou o estudo das radiações ionizantes, tornando-a visível? Foi solicitado que os estudantes atribuíssem uma nota de 0 a 10 para essa associação.

Gráfico 2- Experimento Câmara de Nuvens como facilitador no estudo das radiações

6 7% 8 0 26% 2

10 4 67% 6 8 10

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Nov. 2019.

Para observar a aceitação da sequência didática entre os estudantes, foi realizado uma pesquisa de opinião, (ver APÊNDICE E), com 27 estudantes. As salas têm normalmente 33 estudantes, mas no dia haviam faltado 6 deles. Eles não precisavam colocar seus nomes no questionário. Os estudantes responderam seis questões, analisando e demonstrando sua opinião sobre a metodologia usada. Além disso, puderam descrever em que a sequência contribuiu para seu aprendizado e seu cotidiano. A questão inicial faz uma abordagem em relação à quantidade de aulas experimentais na disciplina de Física. As possíveis respostas eram nunca, às vezes, sempre e todas as aulas. O gráfico 3 apresenta resultado importante, pois as práticas experimentais não são usadas em todas as aulas, no entanto a reposta predominante foi às vezes, caracterizando poucas práticas experimentais nas aulas de Física. Como as práticas experimentais são importantes para que o estudante consiga compreender os conceitos físicos. Segundo Cebaro (2009, p.1119) dos recursos utilizados pelo professor a experimentação é muito importante, pois

associa a realidade, favorecendo o entendimento de leis e conceitos. De acordo com o gráfico 4, percebe-se que deveriam ser trabalhadas com maior frequência.

Gráfico 3- Frequência de aulas experimentais na disciplina de Física

sempre Nunca 4% 0%

Nunca às vezes sempre todas as aulas

às vezes 96%

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Nov. 2019.

A segunda questão era aberta e os estudantes teriam que responder: As associações dos experimentos reais e virtuais ao vídeo ajudaram na compreensão dos conteúdos apresentados? Justifique. Todos os estudantes tiveram respostas afirmativas, demonstrando que experimentos reais e virtuais associados à vídeos contribuem para a compreensão dos conceitos. Aqui são apresentadas as respostas mais comuns de alguns estudantes, sendo que talvez não estejam escritos com mesmas palavras, mais tem o mesmo significado. “Sim, essa forma dinâmica fez com que os alunos tivessem mais interesse pelo assunto”. “Sim, pois através desse método associamos cada vez mais a disciplina com o cotidiano, garantindo maior aprendizado”. Sim, pois através destes meios aprendemos na teoria e podemos observar na prática como funciona”. Sim, pois através dos mesmos conseguimos associar de maneira mais clara ao conteúdo que foi dado, no caso radiações”. Sim, pois com os experimentos foi possível visualizar a radiação ionizante com trabalhado em sala”. Sim, através dos experimentos ficou mais claro as explicações”. Sim, as aulas prática mostrou como realmente acontece e assim podemos associar com a vida real”.

Sim, pois a associação com os experimentos reais e virtuais contribuem para compreender de forma prática os conteúdos apresentados”. As respostas apresentadas mostram a importância de dinamizar as aulas, não apresentar uma forma de fazer a abordagem dos conceitos; nesse sentido o uso de experimentos virtuais e reais associados aos vídeos foram fundamentais para que os estudantes conseguissem associar o conteúdo apresentado ao seu cotidiano, passando para o campo da compreensão dos conceitos. Outra resposta que chamou a atenção foi, “ foi possível visualizar radiação ionizante”, mostrando a importância do experimento físico para que os estudantes conseguissem visualizar o que foi apresentado por meio de vídeos e conceitos teóricos. Na terceira questão os estudantes teriam que dar uma nota de 0 a 10 para a seguinte afirmação: As aulas contribuíram para compreender conceitos de radiações ionizantes e não ionizantes? O gráfico 2 apresenta resultado satisfatório, pois a grande maioria respondeu com notas 8 e 10, o que demonstra a grande contribuição das aulas para a compreensão dos estudantes de conceitos abstratos como da Física nuclear em especial das radiações. Das respostas obtidas, 54% consideraram que as aulas contribuíram para compreensão dos conceitos, atribuindo nota 10, ou seja, para esses estudantes, o método possibilitou um melhor aprendizado, 38% das respostas consideraram importante mencionando a nota 8. Tivemos um estudante que não deixou sua resposta e 8% das respostas consideraram uma nota 6. Nota-se que a grande maioria conseguiu perceber a importância da sequência didática implementada por nós.

Gráfico 4- As aulas contribuíram para compreender conceitos de radiações ionizantes e não ionizantes

8%

0 2 54% 38% 4 6 8 10

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Nov. 2019.

A quarta questão também era aberta e trazia a seguinte abordagem: Através das aulas foi possível compreender o surgimento da Física Moderna e Contemporânea e associar ao desenvolvimento tecnológico da humanidade? Todas as respostas foram afirmativas. No entanto, não foi pedido para que as justificassem, mas assim mesmo, grande parte dos estudantes apresentaram uma justificativa. As respostas a seguir, descrevem o que a maioria dos estudantes disseram. “Sim, tanto por meio das atividades práticas e dos materiais didáticos”. “Sim, visto que vimos desde o surgimento da radiação a descoberta dos raios cósmicos e o uso de radiação principalmente aplicado à medicina ”. “Sim, pois foi realizado uma contextualização dos processos científicos que à Física Moderna’. “Sim, pois consegui conhecer alguns conceitos que não tinha nem ideia”. “Sim, no decorrer das aulas eu adquiri muito conhecimento sobre o conteúdo”. A quinta questão foi a última aberta e tinha como abordagem: Após a realização das aulas, você compreende quais benefícios e malefícios causados pelas radiações? Novamente todas as respostas foram sim, além disso os alunos apresentaram algumas justificativas, sendo estas descritas abaixo: “Sim, pois agora sabemos que existe radiações alfa, beta, raio X que podem nos prejudicar ou nos ajudar e que existe radiação que não interage com a matéria, não fazendo mal”. “A radiação pode ter seu lado benéfico, como por exemplo a utilização em aparelhos de raio X”. “Sim, pois através dela podemos obter a energia (solar e nuclear) necessária para diversas atividades. No entanto, quando mal manipulada, pode causar danos enormes”. “Sim, as radiações fazem parte do nosso dia a dia mesmo não percebendo”. “Sim, pois é possível usa-las para procedimentos médicos e também podemos observar que ela causa vários danos quando não utilizada corretamente’. Pode perceber a preocupação dos estudantes em relação à forma em que a radiação é aplicada, no entanto, todos conseguem perceber sua importância desde seu uso na medicina à produção de energia, por meio das usinas nucleares. Alguns comentaram a importância da energia solar como sendo fundamental para a existência de vida na Terra. Além disso, identificaram que as radiações ionizantes são as mais perigosas, pois interagem com a matéria.

A sexta atividade fala sobre o quadro apresentado na última aula, onde os estudantes teriam que atribuir uma nota de 0 a 10 para seguinte situação: O quadro de doses de radiação ionizante possibilitou compreender as situações reais e as radiações que estamos submetidos em nosso dia a dia e compara-las. Foi apresentado um quadro de radiações em que era mostrado como as pessoas eram submetidas às radiações no seu dia a dia, desde andar de avião, passando por tirar um raio X até uma exposição de radiação por dez minutos ao lado do reator de Chernobyl. Pode-se perceber o envolvimento dos estudantes com a situação proposta. As respostas à pergunta são apresentadas no gráfico 5. Pelas respostas, pode-se perceber que grande parte dos estudantes consideraram que foi possível associar a radiação ionizante a situações reais do cotidiano. Nesse sentido, 58% das respostas atribuíram 10, 27% atribuíram 8, 11% atribuíram 6 e apenas um atribuiu 4, ou seja, pouca relevância no quadro. Além disso, um estudante não respondeu a atividade.

Gráfico 5- Quadro de doses de radiação com situações reais no qual estamos expostos no dia a dia

4 6 4% 11%

4 10 8 6 58% 27% 8 10

Autor: Devacir V. de Moraes. UFMT. Campus Barra do Garças.MT. Nov. 2019.

Salienta-se aqui a importância da sequência didática para que os estudantes conhecessem conceitos importantes sobre radiações ionizante e não ionizantes, o surgimento da FMC, a aplicação da radiação e as doses na qual estamos sujeitos todos os dias. Além de possibilitar associar ao cotidiano, desmistificando os pré-conceitos sobre radiação, pois esta sempre está associada à uma imagem negativa provocada pelos acidentes nucleares.

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A aplicação do produto teve como principal objetivo trabalhar os conceitos de radiações ionizantes e não ionizantes, além de apresentar para os estudantes o surgimento de uma nova área da Física, já que alguns fenômenos observados, como a radiação do corpo negro e a temperatura do mesmo não eram explicados pela Física Clássica. Nesse sentido, surge a FMC, que além de explicar esse fenômeno, mostrou-se extremamente importante para o desenvolvimento tecnológico da humanidade, dando infinitas possibilidades para estudos. Contudo, quando falamos de FMC, imagina-se equipamentos caros e laboratórios sofisticados para que sejam estudados ou detectados. No entanto, através da sequência didática apresentada e em especial da Câmara de Nuvens caseira e acessível (com custo de aproximadamente 200 reais) foi possível observar, detectar e estudar os fenômenos radioativos, mostrando que é necessário somente disponibilizar tempo e vontade para tornar conceitos tão abstrato em concreto para os estudantes. O produto foi capaz de despertar a curiosidade e o interesse dos estudantes em FMC, mostrando para eles novas possibilidades e perspectivas de conhecimento, pois ficou evidente através da quantidade de questionamentos propostos. Permitiu também quebrar algumas barreiras existente entre estudantes e conceitos relacionados a radiação, pois a maioria imaginava que radiação era algo maléfico, não imaginando os benefícios que ela traz para a sociedade, desde sua aplicação na conservação de alimentos, usando radiação gama, seu uso na medicina, até o motivo de ter vida na Terra devido a radiação térmica que vem do Sol por meio de ondas eletromagnéticas. Nessa perspectiva, é importante salientar que o produto promoveu quebra de paradigma, proporcionado aos estudantes irem além do entendimento e conhecimento de conceitos físicos, pois a maioria conseguiu associar os malefícios e benefícios ao seu cotidiano, favorecendo não só os mesmos, mas todos que estão a sua volta. A maior dificuldade encontrada ao trabalhar o produto foi na preparação das aulas, já que a maioria dos livros de Física do ensino médio faz uma abordagem superficial do assunto, sendo necessário pesquisar apostilas do Conselho Nacional de Energia Nuclear (CNEN) e da United Nations Environment Programme (UNEP), sendo realizada pesquisas até em livros de nível superior como é o caso de Halliday e Resnick e adapta-las para o

ensino médio. Assim, foi necessário realizar uma transposição didática dos materiais consultados para que o tema da radiação pudesse ficar mais acessível ao ensino médio. Com o desenvolvimento das aulas, pode-se observar a importância de usar os três momentos pedagógicos adaptados de Paulo Freire, pois ao realizar a problematização inicial do tema, os estudantes tiveram a oportunidade de expor o que eles conheciam ou imaginavam que eram corretos sobre as radiações ionizantes, não ionizantes e FMC. Pude perceber receio, pois as percepções dos mesmos estavam associadas aos acidentes nucleares, no entanto, tinham muitas dúvidas sobre o tema. No segundo momento da sequência didática, foi inserido o conhecimento cientifico, importante para compreender os conteúdos, além disso, ao final da sequência didática foi possível perceber o quanto conheciam sobre os temas, sendo eles capazes de compreender e discutir seus malefícios e benefícios e sua importância para a humanidade. Nesse sentido, os três momentos pedagógicos constituem-se uma ferramenta importante para a aplicação dos conceitos de radiação e compreensão de FMC, pois usando essa organização os conteúdos deixam sua abstração e torna-se concretos para os estudantes. Considerando todos os desafios encontrados, o desenvolvimento do produto foi muito produtivo, pois é satisfatório quando conseguimos perceber crescimento dos estudantes, mostrando assim, que a inserção de novas metodologias pode quebrar barreiras que inicialmente parecem intransponíveis. Um ensino eficaz depende do professor e dos estudantes, pois se estiverem motivados o aprendizado se tornará mais prazeroso. Nesse sentido acredito que o produto educacional alcançou os objetivos propostos com a maioria dos envolvidos.

8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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APÊNDICE A: QUESTIONÁRIO DIAGNÓSTICO APLICADO

Instituto Federal de Educação Ciência, e Tecnologia de Mato Grosso Campus – Confresa

1) O átomo constitui toda a matéria do Universo, mas o que constitui os átomos? ______

2) O que é radiação? ______

3) Qual a diferença entre radiação ionizante e radiação não ionizante? ______

4) Descreva os malefícios que podem ser causados pelas partículas radioativas alfa, beta e gama? ______

5) Você já ouviu falar em acidentes envolvendo algum tipo de material radioativo? Quais? ______

6) A radiação pode ser usada para tratamento de doenças? Caso a resposta seja afirmativa descreva-as. ______

7) Qual a relação entre radiação e partículas cósmicas? ______

8) Descreva situações do nosso cotidiano que podemos identificar radiação? ______

APÊNDICE B: SUGESTÃO PARA QUESTIONÁRIO DIAGNÓSTICO

Instituto Federal de Educação Ciência, e Tecnologia de Mato Grosso Campus – Confresa

1) O átomo constitui toda a matéria do Universo, mas quais partículas constitui os átomos? Marque as alternativas que jugar corretas.  Prótons  Núcleo  Nêutrons  Força  Elétrons

2) Você já ouviu falar em radiação? Tente descreve-la em uma única frase: ______

3) As radiações podem ser: ionizante ou não ionizante. Nesse sentido, classifique as alternativas abaixo, sendo: (I) PARA IONIZANTE e (NI) PARA NÃO IONIZANTE. ( ) Micro-ondas ( ) Ultra Som ( ) Radiação Alfa ( ) Ondas de Radio ( ) Radiação Beta ( ) Radiação Infravermelho ( ) Radiação Gama ( ) Raios X

4) Ao falar em radiação, você conclui que traz para a humanidade: malefícios, benefícios ou ambos. Justifique sua resposta. ______

5) Você já ouviu falar em acidentes envolvendo algum tipo de material radioativo? Quais? ______

6) A radiação ionizante pode ser usada para diagnóstico e tratamento de doenças. Marque as alternativas em que ocorre o uso de radiação das radiações ionizantes.

 Radiografia  Tomografia Computadorizada  Ressonância Magnética  Radioterapia  Diagnóstico de Diabetes  Exame de Gravidez  Dermatite Seborreica  Mamografia  Diagnóstico de Tireoide  Ultrassonografia

7) Ao afirmar que: “Partículas bombardeiam a Terra a todo instante” (NETO, 2008, p.1) . Marque a alternativa correta para que radiação o autor está falando: o Raios Cósmicos o Radiação Eletromagnética o Radiação Artificial o Micro-ondas o N. D.A.

8) Descreva situações do nosso cotidiano que podemos identificar radiação? ______

APÊNDICE C: QUESTIONÁRIO DO EXPERIMENTO CÂMARA DE NUVENS

Instituto Federal de Educação Ciência, e Tecnologia de Mato Grosso Campus – Confresa

1) O que pode ser observado com o experimento Câmara de Nuvens? Descreva as observações realizadas? ______

2) Você conseguiu observar a ionização do vapor de álcool isopropílico? Descreva-os. ______

3) Marque a alternativa que melhor descreva a relação proposta pelo experimento ao estudo realizado sobre radiações. ( ) Não conseguiu relacionar; ( ) Relacionou parcialmente; ( ) Relacionou totalmente.

4) As situações apresentadas e estudadas através do experimento se assemelham ao cotidiano? Quais? ______

5) Numa escala de 0 a 10 qual nota você daria para a seguinte situação: O experimento Câmara de Nuvens facilitou o estudo das radiações ionizantes, tornando-a visível. ( ) 0 ( )2 ( ) 4 ( ) 6 ( )8 ( )10

APÊNDICE D: TESTE CONCEITUAL

Instituto Federal de Educação Ciência, e Tecnologia de Mato Grosso Campus – Confresa Data: NOVEMBRO /2019 Turma: ______Professor: Devacir (Bruno de Brito) Estudante: ______

1. Escreva os quatro modelos atômico proposto

2. Explique o sentido da frase “A matéria é feita em grande parte de espaços vazios”.

3. Descreva o que é uma radiação ionizante e uma radiação não-ionizante.

4. Usando a equação postulada por Broglie, calcule o comprimento de onda de um elétron de massa 9,0x10-31 Kg que se move com velocidade de 100 m/s. Considere a constante de Planck: h = 6,6x10-34 J . s.

5. Sabemos que existem dois tipos de radioatividade, a natural e a artificial. Como é chamado os elementos naturais radioativos? Cite um exemplo. Como a radiação artificial é produzida?

6. Descreva os processos de fissão e fusão nuclear.

7. O que é uma Radiação de Fundo?

8. Qual é o equipamento mais usado hoje para medir a radiação de um corpo? Qual a unidade de medida?

9. Como um corpo negro reage a radiação?

10. Porque não somos bombardeados por partículas cósmicas? Cite os dois principais motivos de acordo com o método científico.

11. De acordo com o espectro eletromagnético a frequência é proporcional ao comprimento de onda ou inversamente proporcional? Justifique sua resposta.

12. Ao acessar um site na internet à procura de informações sobre radiações, um aluno encontrou a seguinte figura:

Descreva cada radiação apresentada acima? Qual das radiações é a menos e mais energética e como ela é chamada? 13. O Raio-X é uma faixa do espectro eletromagnético e é de grande utilidade na medicina. Como ele foi descoberto?

14. Porque uma mulher gravida não pode ser submetida ao Raio-X?

15. O contador Geiger é usado para qual finalidade? Explique seu funcionamento.

16. Cite ao menos dois acidentes radioativos que aconteceu no século XX.

17. Qual o maior desastre causado por reações nucleares no mundo?

18. A partícula alfa é constituída por:

19. Quais os benefícios que a energia nuclear pode trazer a sociedade hoje? Cite ao menos cinco exemplos.

20. Quais os malefícios que a energia nuclear pode trazer para a sociedade.

21. Uma determinada fonte gera 3600 ondas por minuto com comprimento de onda igual a 10 m. Determine a velocidade de propagação dessas ondas.

22. O som mais grave que o ouvido humano é capaz de ouvir possui comprimento de onda igual a 17 m. Sendo assim, determine a mínima frequência capaz de ser percebida pelo ouvido humano. Dados: Velocidade do som no ar = 340 m/s.

23. Sabemos que a Física clássica não foi capaz de resolver alguns problemas sobre o corpo negro. Em especifico, o que faltava que era essencial para resolver o problema. Qual nome do físico responsável pela descoberta?

24. Qual faixa do espectro eletromagnético é a principal para a vida na terra?

25. Essa afirmação está correta ou incorreta, “O fenômeno no qual determinadas substâncias liberam elétrons quando atingidas por radiação eletromagnética é chamado de efeito fotoelétrico”?

26. A constante de Planck é igual a 6,6x10-34 J.s. Calcule a energia do fóton correspondente a um comprimento de onda de 700 nm e a energia do fóton de comprimento de onda 400 nm. Considere n = 1.

27. (UFPR 2015 - C. Gerais) No final do século XIX e início do século XX, a Física se defrontou com vários problemas que não podiam ser explicados com as teorias e modelos aceitos até esse período. Um desses problemas consistia em explicar corretamente o fenômeno do Efeito Fotoelétrico. Sobre esse efeito, considere as seguintes afirmativas: 1. Esse efeito foi observado primeiramente por Henrich Hertz e sua explicação correta foi publicada em 1905 por Niels Bohr. 2. A explicação correta desse efeito utilizou uma ideia de Max Planck, de que a luz incidente não poderia ter energia com um valor qualquer, mas sim uma energia dada por múltiplos inteiros de uma porção elementar. 3. Segundo o modelo proposto, cada fóton, ao colidir com um elétron, transfere-lhe uma quantidade de energia proporcional a sua velocidade. Assinale a alternativa correta.

28. Calcule a frequência de um fóton que possui uma energia de 5,25x1012 J. Constante de Planck 6,6x10-34 J.s. n = 1.

29. O efeito fotoelétrico é caracterizado por arrancar prótons, elétrons ou nêutrons de uma placa metálica? Justifique sua resposta.

30. Por que o tungstênio é o filamento usado na máquina de Raio-X? Cite outro exemplo de onde esse filamento é encontrado.

31. Para o experimento da câmera de Wilson, o que é usado para ter uma variação de temperatura suficiente para acontecer a reação?

32. O que foi usado na câmera de Wilson que gerou a nuvem ou fumaça observada. Por que?

33. O Brasil possui quantas usinas nucleares ativas? Quais? Qual porcentagem de energia elétrica essas usinas produzem?

34. Como é descartado o lixo nuclear gerado por usinas nucleares?

35. Qual país que mais produz energia nuclear hoje?

36. Qual sua opinião sobre energia nuclear?

APÊNDICE E: QUESTIONÁRIO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA “ESTUDO DE RADIAÇÕES IONIZANTES E NÃO IONIZANTES UTILIZANDO COMO FACILITADOR A CÂMARA DE WILSON” E O USO DE EXPERIMENTOS.

Instituto Federal de Educação Ciência, e Tecnologia de Mato Grosso Campus – Confresa

1) Já tiveram aulas experimentais na disciplina de Física. Marque a alternativa que melhor adapta a questão: ( ) Nunca ( ) As vezes ( ) Sempre ( ) Todas as aulas

2) A associação dos experimentos reais e virtuais ao vídeo ajudaram na compreensão dos conteúdos apresentados? Justifique. ______

3) Numa escala de 0 a 10 qual nota você daria para a seguinte situação: As aulas contribuíram para compreender conceitos de radiações ionizantes e não ionizantes. ( ) 0 ( )2 ( ) 4 ( ) 6 ( )8 ( )10

4) Através das aulas foi possível compreender o surgimento da Física Moderna e Contemporânea e associar ao desenvolvimento tecnológico da humanidade? ______

5) Após a realização das aulas, você compreende quais os benefícios e malefícios causados pelas radiações? ______

6) Numa escala de 0 a 10 qual nota você daria para a seguinte situação: O quadro de doses de radiação ionizante possibilitou compreender as situações reais e as radiações que estamos submetidos em nosso dia-a-dia e compara-las. ( ) 0 ( )2 ( ) 4 ( ) 6 ( )8 ( )10

APÊNDICE F: SLIDES DAS AULAS DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA

Os slides (APENCE F) estão disponíveis no link: https://drive.google.com/file/d/1p23QIsWiCmwxShf4CrGVkHC682NL- slW/view?usp=sharing