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FÍSICA NUCLEAR, uma abordagem introdutória para o 9º ano do
Ensino Fundamental (Roda de Leitura e Jogo de tabuleiro)
Edgar Duarte da Silva
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.
Orientadora: Profª. Drª. Érica Cupertino Gomes.
Araguaína - TO Março - 2018
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FÍSICA NUCLEAR, uma abordagem introdutória para o 9º ano do
Ensino Fundamental (Roda de Leitura e Jogo de tabuleiro)
Edgar Duarte da Silva
Orientadora: Profª. Drª. Érica Cupertino Gomes.
Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física
Aprovada por:
Araguaína - TO Março - 2018
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Agradecimentos
Em primeiro lugar, venho professar a minha fé e gratidão ao Deus de Abraão, de
Isaac e de Jacó, por tamanha oportunidade e pelas bênçãos derramadas.
Agradeço...
À minha esposa Juracy F. da S. Duarte, pela tolerância nos momentos em que fui
falho para com ela e com nossos filhos, durante a busca pelos meus ideais. Pela
compreensão ou não nas noites de sono mal dormidas e o vazio na cama, durante as
minhas muitas madrugadas de estudo. Pelas muitas correções feitas aos textos deste
trabalho. Por ter sido minha sustentação mesmo sem saber ou querer.
Aos meus filhos que por muitas vezes me deram ânimo para continuar. Ao Deyvid
F. Duarte, pela companhia em muitos dos meus dias de aula e orientação, e também, por
ser um participante direto deste trabalho, como aluno do 9º ano. Ao meu pequeno, Danyel
F. Duarte, que sentado no chão do quarto com seu caderno a punho, copiava minhas
atividades de quântica rascunhadas no quadro branco, para depois mostrar à sua
professora da 2ª série. À minha linda e meiga princesa Dheyne F. Duarte, pelo conforto,
carinho e pelos muitos sorrisos, mesmo não tendo entendimento do mundo, mas servindo
como inspiração e motivação.
À minha irmã Cleusa D. da Silva, pelo apoio e pelos livros impressos sempre que
preciso.
Aos meus pais Adauto P. da Silva e Maria A. Duarte, pela criação e educação
que a mim puderam dar e, mesmo agora pela força e incentivo.
Á professora Dra. Erica C. Gomes, que aceitou o desafio de ser minha
orientadora, pela paciência e instrução em todos os momentos durante o curso do
mestrado e na elaboração do Produto Educacional e desta dissertação.
Aos meus colegas de mestrado pela ajuda e parceria durante as disciplinas, nos
grupos de estudo aos domingos e feriados, nos trabalhos em grupo e no vínculo da
amizade. São eles: Eli (que não pode ir conosco até o fim), Luiz, Alana, Antônio X, Joni,
Valmir, Donaldo, Sue, Marcelo e Ageu.
Ao meu diretor, diretor do Colégio Pré-Universitário de Araguaína, Jaldo C. de
Arruda, pela parceria e credibilidade. Pelo apoio em todos os momentos incentivando,
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demonstrando acreditar e apostar na melhoria do processo de ensino-aprendizagem.
Homem que abraçou a nossa causa sem medir esforços.
À equipe pedagógica do Colégio Pré-Universitário por todo o apoio nas
discussões sobre a inserção do conteúdo de Física Nuclear no currículo do nono ano.
Em especial à coordenadora e professora Sandra de Mello Valadares, pelo
incentivo e colaboração desde o início desta jornada. E também à coordenadora de
projetos e responsável pela biblioteca escolar, Allyne Ladislau (Tia Magaly), pelas ideias
e pela confecção dos murais e organização do ambiente para a realização das rodas de
leitura e aplicação dos jogos. Às demais coordenadoras: Neli, Alcilenes, Osanilba e
Valdânia.
À secretaria de nossa escola, Rosa de Lurdes.
Aos demais colegas de trabalho, professores que estão à frente da linha de
batalha, pelo apoio e ajuda no tocante à realização deste trabalho.
Em especial à Tia Josiany Castro e ao Tio Gilvandro, professores de Matemática
e Física nas turmas de nono ano, pelas aulas cedidas e a ajuda na aplicação do Produto
Educacional.
Às professoras Elaine e Sandra Borges, pela ajuda com a língua inglesa.
Aos meus alunos do Ensino Médio que sempre estiveram à disposição para os
debates sobre o conteúdo da Física, especialmente a Física Nuclear. Aos alunos das
turmas de nono ano, pela receptividade e participação neste trabalho.
À Sociedade Brasileira de Física – SBF, por idealizar o Mestrado Nacional
Profissional no Ensino de Física - MNPEF, que fora ofertado pela Universidade Federal
do Tocantins – UFT, que tornou um sonho distante em realidade à porta.
Àqueles que aqui não foram mencionados, mas, que foram importantes na
consolidação deste trabalho.
[...] e, àqueles que não acreditaram que eu iria conseguir.
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RESUMO
FÍSICA NUCLEAR, uma abordagem introdutória para o 9º ano do
Ensino Fundamental (Roda de Leitura e Jogo de tabuleiro)
Edgar Duarte da Silva
Orientadora:
Profª. Drª. Érica Cupertino Gomes.
Resumo da Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física
Neste trabalho sugerimos a introdução da Física Nuclear no nono ano do Ensino
Fundamental. Tomamos como base o fato de que o tema está sedo introduzido aos poucos
nos livros de Física. Destacamos ainda a necessidade de tal conhecimento para os alunos,
a fim de despertá-los para o mundo da ciência e suas aplicações no dia a dia. O produto
proposto é constituído de duas partes: a) sete folhetos sobre Física Nuclear e, b) um jogo
de tabuleiro sobre o tema. Apresentamos uma metodologia baseada na sequência de três
atividades envolvendo o tema Física Nuclear, sendo: 1. Uma aula expositiva; 2. Uma roda
de leitura e; 3. O jogo de tabuleiro – Mestre Nuclear. Na primeira etapa, a aula expositiva
foi ministrada de maneira a apresentar aos alunos a evolução histórica da Física Nuclear,
seus avanços e suas aplicações, uma vez que também foram dadas oportunidades para
que os alunos falassem sobre o assunto. Na segunda etapa, foi organizado um ambiente
externo, diferente da sala de aula e com a utilização dos folhetos produzidos sobre a Física
Nuclear numa roda de leitura. Um dos pontos importantes desta etapa está no papel do
professor mediador, o de conectar o aluno leitor ao tema proposto. Na terceira etapa, os
alunos foram organizados no pátio escolar, separados em grupos de quatro a sete
jogadores à roda de uma mesa, onde um dos participantes era o mestre nuclear que
comandaria o jogo fazendo as perguntas e direcionando as jogadas. Pudemos perceber
que durante a aula expositiva os alunos demonstravam algum conhecimento sobre o tema.
Haviam conhecimentos a serem trabalhados na estrutura cognitiva dos alunos. Durante a
roda de leitura, foi importante a participação do professor mediador no esclarecimento de
dúvidas e na arguição, formulando situações problemas para instigar o leitor a se apoderar
das informações apresentadas. O jogo de tabuleiro foi desenvolvido para que os alunos
pudessem utilizar o que fora aprendido fora da escola, visto na aula e lido na roda de
leitura. A sensação de vencer unida à euforia e adrenalina a cada rodada, foram as
expressões mais perceptivas durante a atividade.
Palavras-chave: Roda de Leitura; Jogo de Tabuleiro; Física Nuclear.
Araguaína - TO Março - 2018
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ABSTRACT
FÍSICA NUCLEAR, uma abordagem introdutória para o 9º ano do
Ensino Fundamental (Roda de Leitura e Jogo de tabuleiro)
Edgar Duarte da Silva
Orientadora:
Profª. Drª. Érica Cupertino Gomes. Abstract of master’s thesis submitted to Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), in partial fulfillment of the requirements for the degree Mestre em Ensino de Física. In this work we suggest an introduction of Nuclear Physics in the ninth year of Elementary
School. We took like base the fact that the theme is introduced gradually in the books of
Physics. Furthermore, we emphasized the needing for such knowledge for students, to
awaken them to the world of science and its applications in everyday life. The proposed
product is consisted of two parts: a) seven leaflets about Nuclear Physics and b) a board
game about the subject. We presented a methodology based on the sequence of three
activities that involving the Nuclear Physics theme: 1. A Nuclear Physics lecture; 2. A
reading wheel and; 3. The board game - Nuclear Master. In the first stage, the lecture was
given in such a way to present to the students the historical evolution of Nuclear Physics,
its advances and its applications, and the students had the opportunity to talk about the
subject. In the second stage, an external environment was organized, different from the
classroom and with the use of the leaflets produced about Nuclear Physics in a reading
wheel. One of the important points of this stage is the mediator teacher role, he/she should
connect the reader student to the proposed theme. In the third stage, students were
organized in the schoolyard, divided into groups of four to seven players around a table,
where one of the player was the nuclear master who would command the game by asking
questions and directing the game. We could see that during the lecture the students
demonstrated some knowledge about the subject. There was knowledge to be worked on
the students' cognitive structure. During the reading wheel, it was important the
participation of the mediator teacher in the clarification of doubts and in the argument,
formulating problems situations to instigate the reader to seize on the information
presented. The board game has been developed so that students could use their
background. And what they had seen in class and read on the reading wheel. The sensation
of winning linked with euphoria and adrenaline in each round were the most perceptive
expressions during the activity.
Keywords: Reading wheel; Board Game; Nuclear Physics.
Araguaína – TO March 2018
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Sumário Capítulo 1 Introdução ..................................................................................................... 1
Capítulo 2 Metodologia .................................................................................................. 5 2.1 Apresentação ......................................................................................................... 5 2.2 Roda de Leitura. .................................................................................................... 6 2.3 Jogo de Tabuleiro .................................................................................................. 7
Capítulo 3 Revisão de Literatura .................................................................................. 11
3.1 Um Breve Histórico da Física Nuclear ................................................................ 11 3.2 A Evolução dos Modelos Atômicos .................................................................... 13 3.3 As Partículas Nucleares ....................................................................................... 17 3.4 Número Atômico – Z ........................................................................................... 19 3.5 Massa Atômica – A ............................................................................................. 19
3.6 Isótopos ................................................................................................................ 20
3.7 Raio Nuclear ........................................................................................................ 21 3.8 Densidade Nuclear ............................................................................................... 21
3.9 Tabela Periódica .................................................................................................. 23 3.10 Tabela de Nuclídeos .......................................................................................... 24 3.11 Radiação Natural – Séries Radioativas .............................................................. 25 3.12 Decaimentos Nucleares ..................................................................................... 26
3.12.1 Radiação alfa – α........................................................................................ 27 3.12.2 Radiação beta – β ....................................................................................... 28
3.12.3 Radiação gama – γ ..................................................................................... 29 3.13 Reações Nucleares ............................................................................................. 31
3.13.1 Fissão Nuclear ............................................................................................ 31
3.13.2 Fusão Nuclear ............................................................................................ 32 3.14 Alguns Erros e Acidentes no Uso da Física ...................................................... 33
3.14.1 As Bombas Atômicas de Hiroshima e Nagasaki ......................................... 33 3.14.2 Acidente com Fonte de Cobalto – 60, México ............................................ 34
3.14.3 Acidente com Fonte de Césio – 137, Goiânia ............................................ 35 3.14.4 Usina Nuclear de Windscale, Inglaterra .................................................... 36
3.14.5 Usina Nuclear de The Miles Island - TMI, Estados Unidos ....................... 37 3.14.6 Usina Nuclear de Chernobyl, na Antiga União Soviética .......................... 38
3.14.7 Usina Nuclear de Fukushima, Japão ......................................................... 39 3.15 Aplicações da Física Nuclear ............................................................................ 40
3.15.1 Medicina ..................................................................................................... 40
3.15.2 Ciência - Datação por Carbono – 14. ........................................................ 41 3.15.3 Indústria ..................................................................................................... 42
3.15.4 Agricultura ................................................................................................. 43
3.15.5 Energia ....................................................................................................... 43
Capítulo 4 Descrição do Produto .................................................................................. 46 4.1 Os Folhetos .......................................................................................................... 46 4.2 O Jogo - Mestre Nuclear ...................................................................................... 46
Capítulo 5 Relato da Aplicação do Produto ................................................................. 48 5.1 Aula Sobre Física Nuclear ................................................................................... 48
5.2 Roda de Leitura ................................................................................................... 49 5.3 Jogo de Tabuleiro – Mestre Nuclear.................................................................... 51
Capítulo 6 Relato de Experiência ................................................................................. 53 Capítulo 7 Considerações Finais .................................................................................. 56 ANEXOS ........................................................................................................................ 58
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Anexo – I. Tabela Periódica - 2017 ............................................................................ 59
Anexo – II. Séries Radioativas Naturais .................................................................... 60 APÊNDICES .................................................................................................................. 61
Apêndice A: Folhetos ................................................................................................. 62
Apêndice B: Tabuleiro do jogo com exemplos de cartas bomba, bônus, perguntas e
fichas de regras do jogo .............................................................................................. 63 Apêndice C: Modelo das cartas de perguntas, cartas bônus e cartas bombas. ........... 64 Apêndice D: Plano de aula. ........................................................................................ 65 Apêndice E: Instruções do Jogo de Tabuleiro – Mestre Nuclear, e composição do
produto. ....................................................................................................................... 66 Referências Bibliográficas .............................................................................................. 69
Capítulo 1
Introdução
A designação de Física Moderna refere-se geralmente à Física que desabrochou
nos fins do século XIX e que amadureceu fundamentalmente na primeira metade do
século XX. Os fenômenos físicos que não foram explicados pela Física Clássica deram
origem, quase em simultâneo, a novas teorias: a Teoria dos Quanta, a Teoria da
Relatividade, a explicação do Efeito Fotoelétrico. Estas teorias, associadas à descoberta
do núcleo atômico e à formulação do modelo do átomo com um núcleo central rodeado
por elétrons, levaram ao desenvolvimento de novas áreas da Física, como: Teoria da
Relatividade, Mecânica Quântica, Física Nuclear, Física Atômica e Molecular, Física do
Estado Sólido, Física das Partículas Elementares, Óptica Quântica, Astrofísica, etc.
Dentre as muitas áreas de atuação da Física Moderna, neste trabalho procuramos destacar
a área da Física Nuclear, de forma mais simples e atraente, não nos enredando pelas
veredas da matemática pura, mas nos preocupando em contribuir de maneira significativa
com o currículo de Física do nono ano do Ensino Fundamental da rede estadual do
Tocantins.
O conteúdo de Física Nuclear não é contemplado no currículo de Física do nono
ano do Ensino Fundamental e também não consta no currículo de Física do Ensino Médio,
da rede estadual do Tocantins. Os livros didáticos tratam o tema, de maneira breve e
simplificada, demonstrando os primeiros passos dos modelos atômicos e quando muito,
algo sobre energia nuclear e um pouco de história, atribuindo estes assuntos à área da
Química. Pode-se citar os livros de Bemfeito e Pinto, 2015; Barros e Paulino, 2015;
Fukui, 2015; Gowdak, 2015. Para o Ensino Médio, raras exceções, o assunto é tratado na
1ª série – átomo e modelos atômicos e, na 2ª série – radiação e reações nucleares, também
no currículo de Química, como em: Lisboa, 2010; Antunes, 2013; Fonseca, 2016. Alguns
livros de Física têm trazido o assunto com maior profundidade no conteúdo de Física
Moderna na 3ª série, em destaque: Junior, 2009; Gaspar, 2013; Bonjorno, 2016; Gaspar,
2017.
Sabemos que o Ensino de Física para o nono ano do Ensino Fundamental, tem
como caráter apresentar para o aluno os conceitos básicos de Física, a fim de despertá-lo
2
para o mundo das Ciências e Tecnologias, bem como abrir os horizontes para o estudo
das disciplinas de Física ao entrarem no Ensino Médio.
De acordo com os PCN, o conhecimento de Física nas escolas deve “construir
uma visão da Física voltada para a formação de um cidadão contemporâneo, atuante e
solidário, com instrumentos para compreender, intervir e participar na realidade” (Brasil,
2002, pg. 59).
A Lei de Diretrizes e Bases Nacional Brasileira (Lei 9394/96 LDB), em seu Art.
22, afirma que a educação básica tem como objetivo principal: “Desenvolver o educando,
assegurar-lhe a formação indispensável para o exercício da cidadania e fornecer-lhe
meios para progredir no trabalho e em estudos posteriores”, direitos esses que por muitas
vezes são ignorados, mesmo se falarmos do ensino superior.
Não é difícil encontrarmos argumentos voltados ao Ensino de Física Nuclear em
muitos dos sites que falam de educação. Em um deles, de grande acesso por parte dos
alunos podemos ver que:
“Os atuais ramos de estudo da Física Nuclear são basicamente o núcleo
atômico e suas propriedades, pois esses núcleos possuem propriedades que
podem ser classificadas como estáticas e dinâmicas, sendo que são analisadas
através de modelos nucleares baseados na mecânica quântica, relatividade e
teoria quântica de campos. A descoberta de que os núcleos (prótons e nêutrons)
são, na realidade, sistemas compostos, redirecionou o interesse dos físicos
nucleares para a investigação dos graus de liberdade de quarks e, com isto,
atualmente os domínios de pesquisa da Física Nuclear e da Física das
Partículas Elementares se tornaram interligados.” Mundo Educação – O Estudo da Física Nuclear. Disponível em:
<http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/a-descoberta-nucleo-os-atuais-ramos-estudo.htm>. Acesso em: 09/09/2016.
Considerando que na atualidade, os jovens estão ligados e interligados com o
mundo da informação, incluir o conteúdo de Física Nuclear no segmento do nono ano do
Ensino Fundamental é um desafio que abrirá as portas para o estudo da Física Moderna
no Ensino Médio, uma vez que as informações e os conhecimentos adquiridos nesta área
lhe servirão para a vida e para a sociedade. Vale ressaltar que os nossos jovens estão
sendo bombardeados em todos os momentos pelo mundo cinematográfico, em séries e
filmes que tratam de mutantes, meta-humanos, aprimorados, rochas radioativas do
espaço, alienígenas radioativos e muitos outros, distorcendo a realidade. Cabe-nos de bom
grado trazer-lhes informações verdadeiras e de forma correta, fazendo-nos valer de
materiais adequados em conteúdo e qualidade para cada nível e série a ser ensinada.
Um estudo realizado por Pereira e Ostermann (2009) sobre a finalidade dos
trabalhos publicados na área de Ensino de Física Moderna e Contemporânea, destacam
3
quatro categorias para as publicações, sendo que uma delas diz respeito às bibliografias
de consulta direcionadas a professores de Física, tanto para nível Médio como
Universitário, incluindo textos de apoio, recursos didáticos, propostas de unidades
didáticas e divulgação científica.
Um dos cuidados que se buscou neste trabalho, foi com a metodologia e o nível
do conteúdo a ser aplicado, uma vez que trabalhamos com alunos entre 13 e 15 anos de
idade, objetivamos a construção da aprendizagem significativa. Segundo Moreira (2001),
a aprendizagem segundo o construto cognitivista encara a aprendizagem como um
processo de armazenamento e condensação de conhecimentos, que incorporados à
estrutura mental de uma pessoa, poderá ser utilizada e manipulada no futuro.
Na proposta deste trabalho há a apresentação do conteúdo da Física Nuclear na
forma de uma sequência didática formada de: 1) uma aula expositiva sobre Física
Nuclear; 2) uma roda de leitura sobre Física Nuclear e; 3) o jogo de tabuleiro sobre Física
Nuclear. Tal sequência busca fundar conhecimentos na estrutura mental dos alunos para
que sejam utilizados e fortalecidos no ensino médio, ensino superior e para o dia a dia.
Moreira (2001) argumenta que:
Os cognitivistas sustentam que aprendizagem de material potencialmente
significativo é, por excelência, um mecanismo humano para adquirir e reter a
vasta quantidade de ideias e informações de um corpo de conhecimentos. A
posse de habilidades que tornam possível a aquisição, retenção e aparecimento
de conceitos na estrutura cognitiva, é que capacitará o indivíduo a adquirir
significados. (MOREIRA, 2001).
Há uma intima relação entre a aprendizagem mecânica e a formação dos
conhecimentos prévios, que podemos relacionar à aula expositiva e à roda de leitura, uma
vez que os alunos poderão interagir de maneira dinâmica e espontânea (aluno ↔ aluno e
professor ↔ aluno).
Segundo Moreira (2001), “a aprendizagem mecânica é sempre necessária quando
um indivíduo adquire informação numa área de conhecimento completamente nova para
ele.”
Na apresentação de um mundo de informações e conhecimentos diferentes ou
parcialmente diferentes, a prática de rodas de leitura representa um bom caminho para
formar novos leitores, que mergulhem no mundo da curiosidade e da busca por respostas.
E o jogo de tabuleiro é uma atividade rica que responde às necessidades lúdicas,
intelectuais e afetivas, estimulando a vida e a interação social, tornando um importante
instrumento na aprendizagem e no compartilhamento das informações adquiridas.
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Partindo da ideia de que o jogo seria o ponto de aferimento da aprendizagem,
pudemos perceber que a atenção dos alunos estava voltada ao desejo de ser o vencedor.
Cada um buscava as respostas no fundo de sua mente, e a cada erro a expressão de
insatisfação tomava conta, a cada acerto a emoção de avançar uma casa reinava com
euforia, demonstrando ter havido aprendizagem.
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Capítulo 2
Metodologia
2.1 Apresentação
Este trabalho foi realizado no Colégio Pré-Universitário da rede estadual de ensino
de Araguaína, com as três turmas do 9º (nono) do Ensino Fundamental de 2017, num total
de 110 alunos.
Foram necessárias diversas fases de investigação.
Primeiro, para a escolha do tema, foi feita uma análise de conteúdos com
necessidade de novas abordagens e metodologias. Tal análise foi pautada nos anos de
experiência docente. Um dos fatores relevantes foi a constatação da falta de Física
Nuclear nos livros de Física, onde este conteúdo (no Ensino Fundamental) é trabalhado
na disciplina e em livros de Química.
Escolhido o tema (Física Nuclear), foi feito um levantamento sobre a maneira
como a Física Nuclear é abordada em livros do 9º (nono) ano do Ensino Fundamental.
Essa etapa foi fundamental para o escrutínio do conteúdo e escolha dos tópicos que seriam
abordados. A partir da escolha dos tópicos foi realizado o levantamento do referencial
bibliográfico a ser trabalhado. Em paralelo a tal atividade foi essencial a pesquisa da
metodologia de trabalho, e a escolha do jogo de tabuleiro como método de ensino.
A princípio o jogo educativo seria o produto dessa dissertação. No entanto, ouve
a necessidade de acrescentar a metodologia de roda de leitura. O motivo é que nem todos
os conteúdos de Física Nuclear são abordados nos livros didáticos adotados na escola.
Além disso, o tema não faz parte do currículo mínimo de Física do estado do Tocantins,
impossibilitando o estudo do tema em aulas regulares. Sendo assim, utilizou-se de um
projeto consolidado da escola, a roda de leitura, para trabalhar os conteúdos com os
alunos.
Foi utilizado também a aula tradicional, com recursos de Datashow e materiais
didáticos. Houve a necessidade de uma aula teórica e o motivo está explicitado no capítulo
6, tópico 6.1.
É possível resumir a metodologia usada na seguinte Sequência Didática: aula
expositiva, roda de leitura e jogo educativo.
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Neste trabalho não foi efetivada uma pesquisa quantitativa ou qualitativa da
eficiência e eficácia da metodologia adotada. Contamos com a ajuda dos professores de
física Gilvandro Santos e Josiany Castro, que colaboraram na aplicação do produto.
Foram realizadas observações, sempre na posição de professor mediador, acompanhando
o desenvolvimento dos alunos em cada etapa da aplicação.
Buscou-se através de uma sequência didática simples, a integração entre os alunos
e o material deste trabalho, promovendo em primeiro lugar o contato audiovisual com o
conteúdo na aula expositiva, e depois o contato físico na interação do aluno com os
materiais desenvolvidos para a roda de leitura e para o jogo educativo.
2.2 Roda de Leitura.
Um dos grandes problemas enfrentados no ambiente escolar e também na nossa
sociedade é a “falta de hábito” de leitura por parte das crianças, jovens e adultos. A leitura
tem sido considerada algo enfadonho e cansativo, tendo os textos dos livros sido
considerados, aterrorizantes e difíceis para muitos. É notório que enfrentamos o mundo
digital, o mundo da informação rápida e acesso fácil e muitos buscam resumos e resenhas
em sites de pouca credibilidade. Para aqueles que gostam de ler, não importando o veículo
de informação, a motivação é própria e a leitura prazerosa.
É possível trabalhar para formar alunos leitores a partir da roda de leitura, como
citado a seguir:
A prática de rodas de leitura configura um caminho atrativo para formar novos
leitores, pois tem como foco o prazer que nasce da leitura compartilhada, livre
de cobranças. Ao ser utilizado em sala de aula, por professores dispostos a
inovar metodologias de ensino proporciona um novo caminho para trabalhar a
leitura com os estudantes, já que não lhes é solicitado avaliações ou
questionários. (VICCINI, 2011).
“Entre as dificuldades que as escolas enfrentam atualmente no processo de ensino-
aprendizagem de seus educandos, a falta de concentração talvez seja uma das mais
importantes.” (SILVA, 2009).
Segundo as palavras de Viccini (2011), “Sentar para ler. Mas não uma leitura
individual, juntar cadeiras e opiniões, almofadas e leituras, unir leitores”, percebemos que
as rodas de leitura têm como objetivo despertar a competência leitora por meio do prazer
de ler. Ele diz ainda que o prazer de ler está no prazer em abrir um livro e se aventurar
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nas linhas e entrelinhas literárias, e que essa interação deve ser feita pelo professor
mediador, que tem como papel direcionar o leitor ao encontro do prazer de ler.
O prazer da leitura pode ser coletivo ou individual.
Ao compartilhar a leitura, cada pessoa pode experimentar um sentimento de
pertencer a alguma coisa, a esta humanidade, de nosso tempo ou de tempos
passados, daqui ou de outro lugar, da qual pode sentir-se próxima. Se o fato de
ler possibilita-se abrir-se para o outro, não é somente pelas formas de
sociabilidade e pelas conversas que se tecem em torno dos livros. É também
pelo fato de que ao experimentar, em um texto, tanto sua verdade mais intima
como a humanidade compartilhada, a relação com o próximo se transforma.
Ler não isola do mundo. Ler introduz no mundo de forma diferente. O mais
íntimo pode alcançar neste ato o mais universal. (PETIT, 2008).
Para Neitzel et al (2013), se a escola conseguir ampliar as possibilidades de
práticas leitoras, investindo na sensibilização do aluno para com o texto literário, tais
ações se tornarão em benefícios relacionados ao desempenho escolar, uma vez que a
leitura é o componente curricular que mobiliza diversos recursos cognitivos. Ele ainda
afirma que aos alunos deve-se propor uma leitura que venha a despertar a curiosidade, o
que depende do acervo literário disponível, de como ele é apresentado e do que se espera
desse encontro entre leitor e obra.
A disponibilização de um ambiente diferenciado e a apresentação do material de
modo que venha a facilitar a interação entre o leitor e a obra, podem fazer toda a diferença
no momento em que os alunos são convidados para a roda de leitura.
A leitura é uma atividade que exige do leitor não uma entrega ao texto, no seu
sentido hedonista, mas um embate com ele. A compreensão do texto se
constrói pelas vias sensoriais: pelo tato (ao pegar), pela audição (ao escutar um
texto), pela visão (ao ler o texto), enfim, pelo corpo. (NEITZEL et al, 2013).
2.3 Jogo de Tabuleiro
Neste trabalho faremos referência aos jogos físicos, nos quais os alunos interagem
com cartas, peões, tabuleiro e outras partes palpáveis, o que não quer dizer que
desconsideramos os jogos virtuais, apenas não faz parte do produto aqui apresentado.
Segundo Pereira et al. (2009), os jogos apresentam grande potencial para despertar
o interesse dos alunos pelos conteúdos de Física, uma vez que estes conteúdos estarão em
um ambiente lúdico, propício a uma melhor aprendizagem, diferindo do ambiente
rotineiro da sala de aula que limita a participação e interação dos mesmos.
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O jogo é uma atividade rica e de grande efeito que responde às necessidades
lúdicas, intelectuais e afetivas, estimulando a vida social e representando,
assim, importante contribuição na aprendizagem. Uma das características mais
importantes é a sua separação da vida cotidiana, constituindo-se em um espaço
fechado com regras próprias definidas, mas mutáveis, onde os participantes
atuam de forma descompromissada em uma espécie de “bolha lúdica, que
durante o jogo, não tem consequências no mundo exterior; porém, essa
experiência enriquecedora é absorvida pelos participantes e podem refletir no
mundo exterior de maneira muito positiva. (PEREIRA et all, 2009).
Lopes (2001) cita que o jogador se torna sujeito ativo e participativo do processo,
o que nos leva a acreditar que se torna mais prazeroso o aprendizado através dos jogos.
Ainda segundo Pereira et all (2009):
Normalmente utiliza-se o lúdico porque o prazer lhe é decorrente e, por essa
razão, é bem recebido pelas crianças, pelos jovens e muitas vezes pelo próprio
adulto. Envolvendo a Física nesse ambiente lúdico de um jogo de tabuleiro,
podemos propiciar uma sensação de se estar em oposição a uma situação
formal de aprendizado. A situação de prazer, tensão e alegria colaboram com
o processo educacional porque coloca o aluno em uma situação de potencial
receptividade, uma vez que o imerge numa situação que geralmente gosta,
onde há pouca dispersão e, principalmente, onde pode-se potencializar sua
concentração para aproveitar ao máximo estes momentos.
É difícil encontrarmos jogos específicos relacionados à Física que possam ser
aplicados em sala de aula de maneira a acompanhar o conteúdo proposto no currículo
escolar, e às vezes nem mesmo o conteúdo é contemplado. Pereira et al. (2009), cita que
“Quando professores procuram por alguma prática de Física, eles procuram práticas
que, de fato, assegurem a aprendizagem dos conceitos.”, busca que pode não ter sucesso,
visto a dificuldade de elaboração e adequação de um conteúdo e seu nível de
aplicabilidade. Cita ainda que “Muitos, porém, procuram procedimentos que, poderiam
melhorar o rendimento do aluno. Porém, isso não é trivial, incluindo os jogos
educativos”.
Já Fialho (2008) argumenta que:
Os jogos educativos com finalidades pedagógicas revelam a sua importância,
pois promovem situações de ensino-aprendizagem e aumentam a construção
do conhecimento, introduzindo atividades lúdicas e prazerosas, desenvolvendo
a capacidade de iniciação ação ativa e motivadora.
Há uma necessidade de se observar a abordagem teórica e metodológica de um
jogo educativo, antes de simplesmente levá-lo para a sala de aula. De acordo com Pereira
et al. (2009), a não observação dos objetivos e da metodologia, pode ter como efeito o
9
fato de conseguirmos motivar os alunos, levando-os a pensar que não passa de uma
maneira de “matar aula”, o que pode interferir de forma negativa nos resultados esperados
para esse recurso.
Infelizmente, estudos e brincadeira ainda ocupam momentos distintos na vida
de nossos alunos. O recreio foi feito para brincar e a sala de aula para estudar.
Dessa forma, o lúdico perde seus referenciais e seu real significado,
acompanhando, as exigências de um currículo a ser cumprido. (FIALHO,
2008).
O jogo educativo pode ser uma ferramenta utilizada para que o conteúdo visto seja
retomado ou fortalecido de outra maneira, buscando a interação do aluno com a estrutura
cognitiva, processo no qual ele pode fixar conhecimentos e fortalecer conhecimentos pré-
existentes, garantindo assim a possibilidade de uma aprendizagem concreta.
“Sozinho, seu potencial educacional é baixo, entretanto, quando aliado a outras
práticas pedagógicas (aulas expositivas, trabalhos em grupos, monitorias, etc), seu
potencial verdadeiro é revelado.” (PEREIRA et all, 2009)
Em um jogo, o participante trilha o desafio em dois caminhos distintos, o de
vencedor ou de perdedor. Para o jogo educativo, o participante se entrega para o desafio
de mostrar o que aprendeu sobre o conteúdo e consequentemente ser o campeão. Para
Pereira et al. (2009), “o medo de errar e ser rotulado também tem importância, tanto para
processo de ensino-aprendizagem quanto para o processo psicológico.”
O ato de ser participante do jogo educativo torna o jogador mais participativo na
sociedade, desenvolvendo o caráter de argumentador sobre o tema a ser abordado.
A inclusão de jogos em contextos educacionais ainda gera muita polêmica
entre professores em praticamente toda a sociedade. Vistos como atividade
lúdica, os jogos são bem aceitos em ambientes educacionais como recreação e
para o desenvolvimento de habilidades, principalmente, psicomotoras.
(ATAIDE, 2012)
“Os jogos instigam o interesse do jogador e apresentam desafios que o motivam a
conhecer seus limites e as possibilidades de superá-los. Busca-se a vitória; todos querem
vencer o desfio imposto pelo jogo.” (ATAIDE, 2012)
Estamos certos de que sempre haverá em um jogo algo que incentive o jogador,
uma situação na qual ele se apegue para chegar à vitória – uma situação problema. Tal
situação leva o jogador do objetivo para o resultado do jogo, através de passos que
delimitaram cada ação durante toda a partida.
10
Por meio de atividades lúdicas o professor pode colaborar com a elaboração de
conceitos; reforçar conteúdos; promover a sociabilidade entre os alunos;
trabalhar a criatividade, o espírito de competição e a cooperação. O jogo exerce
uma fascinação sobre as pessoas, que lutam pela vitória procurando entender
os mecanismos dos mesmos, o que constitui de uma técnica onde os alunos
aprendem brincando; no entanto, queremos deixar claro, que os jogos devem
ser vistos como apoio, auxiliando no processo educativo (FIALHO, 2008).
Um grande desafio para se trabalhar com jogos educacionais, sejam eles de físicos
ou virtuais, é a sua inserção em meio a prática educacional, o que de fato requer dos
professores um trabalho além do seu planejamento costumeiro e de sua responsabilidade
do dia a dia. O fato de ter que elaborar uma aula diferenciada, pode trazer certo incômodo
para muitos dos nossos professores, seja a componente curricular que se escolher, mas:
Sabemos que uma aula mais dinâmica e elaborada requer também
mais trabalho por parte do professor; por outro lado, o retorno pode ser bastante
significativo, de qualidade e gratificante quando o docente se dispõe a criar
novas maneiras de ensinar deixando de lado a “mesmice” das aulas rotineiras
(FIALHO, 2008).
O autor ressalta ainda “o cuidado que se deve ter com o jogo antes de levá-lo
para a sala de aula, testando-o previamente e fazendo-se uma síntese do conteúdo nele
envolvido.”
O jogo é uma atividade de ocupação voluntária, exercida dentro de curtos e
determinados limites de tempo e espaço, segundo regras livremente concedida,
mas absolutamente obrigatórias, dotadas de um fim em si mesmo
acompanhado de um sentimento de tensão, de alegria, e de uma consciência de
ser diferente da vida cotidiana. (HUIZINGA, 1980 apud, SILVA, 2009).
Almeida (2004) relata que:
Jogos orientados podem ser feitos com propósitos claros de promover o acesso
à aprendizagem de conhecimentos específicos como: matemática, linguísticos,
científicos, históricos, físicos, estéticos, morais e etc. E um outro propósito é
ajudar no desenvolvimento cognitivo, afetivo, social, físico-motor, linguístico
e na construção da moralidade (nos valores).”
Os jogos educacionais, sendo físicos ou virtuais, tem um caráter complementar
em relação ao conteúdo a ser ministrado pelo professor, em observância à sua componente
curricular. É necessário que o professor tão somente entenda o valor agregado a essa
atividade e que consiga transmitir esses valores aos alunos que desafiados, são os
protagonistas do processo ensino-aprendizagem.
11
Capítulo 3
Revisão de Literatura
3.1 Um Breve Histórico da Física Nuclear
Segundo Porto (2013) os gregos desde o século V a.c. já discutiam a constituição
da matéria. Demócrito acreditava num mundo material composto de infinitos entes
minúsculos, incriáveis e indestrutíveis, denominados átomos, que se movem por um
vazio.
As bases da moderna teoria atômica foram lançadas no final do séc. XVIII e
no séc. XIX na tentativa de compreender as propriedades químicas da matéria.
Duas das quantidades fundamentais da Física Atômica e Nuclear – o peso
atômico e o número atômico – tiveram suas origens na correlação dos
resultados de experiências químicas e na sistematização das propriedades dos
elementos químicos. As leis das combinações químicas foram unificadas no
início do séc. XIX pela teoria atômica de Dalton, que introduziu o conceito de
peso atômico. (KAPLAN, 1978)
CHUNG (2001), diz que a Física Nuclear é uma área importante da Física
Contemporânea, por constituir um rico campo de aplicações das ideias quânticas.
A Física Nuclear é a parte da Física que estuda os fenômenos microscópicos ao
nível nuclear considerando seus graus de liberdade.
Podemos começar a contar a moderna história da Física Nuclear muito
provavelmente com o trabalho de Rutherford em 1911. Analisando dados
experimentais obtidos por Geiger e Marsden, a partir do espalhamento
Coulombiano de partículas α (núcleos de hélio) em cima de finas folhas de
ouro, Rutherford propôs pela primeira vez a existência do núcleo atômico. Esta
teoria foi amplamente confirmada por outros experimentos posteriores,
conduzidos pelos mesmos autores, Geiger e Marsden em 1913, estabelecendo
o chamado modelo do átomo nuclear, em que o átomo é representado por um
núcleo no seu centro, com os elétrons movendo-se em volta. Tal modelo veio
derrubar o chamado modelo de “pudim de ameixas” (devido a J. J. Thomson),
segundo o qual os prótons e os nêutrons, misturados, ocupariam um único
volume com as dimensões do próprio átomo. (CHUNG, 2001)
De acordo com HELENE (1996) e OKUNO (2007), as atividades nucleares
começaram a ser estudadas por Antoine Henri Bequerel (1896), estudando as emissões
espontâneas do sal de urânio. No ano seguinte Marie Curie inicia sua tese de doutorado
sob o tema “raios de Bequerel”, estudando Urânio e Tório. Tempos depois, Marie Curie
isolou o elemento Rádio a partir do minério chamado pechblenda.
Rutherford percebeu que a energia liberada pelo núcleo das substâncias
radioativas era complexa, sendo constituída por dois tipos de radiação, sendo um deles
12
facilmente absorvido e menos penetrante, e o outro, muito mais penetrante, e sofrem
desvio em sentido oposto quando submetidos a campos magnéticos. Ele as chamou de
“radiação alfa” e “radiação beta”, respectivamente. No ano seguinte, Paul Villard
identificou um novo tipo de radiação que foi chamada de “radiação gama” que não sofria
desvio quando submetidas a campos magnéticos. Como mencionado por HELENE
(1996) e OKUNO (2007).
O núcleo do átomo é constituído de partículas de carga positiva, chamadas
prótons, e de partículas de mesmo tamanho, mas sem carga, denominadas
nêutrons. Os prótons têm a tendência de se repelirem, porque têm a mesma carga
(positiva). Como eles estão juntos no núcleo, comprova-se a existência de
energia nos núcleos dos átomos com mais de uma partícula: a energia de ligação
dos núcleos ou energia nuclear. (CARDOSO, 2012)
Após a descoberta dos prótons, pensava-se que serie esse o único constituinte do
núcleo atômico. De acordo com CHUNG (2001), foi em 1932 que Chadwick descobriu a
existência de uma nova partícula nuclear, o nêutron, com massa próxima à massa do
próton e de carga elétrica nula.
A descoberta do núcleo levantou, na época, uma questão importante: Que força
é essa que consegue manter os prótons e os nêutrons confinados no núcleo?
Com efeito, como a região de confinamento é pequena, da ordem apenas de
10-12 cm, esta força deve ter intensidade extremamente elevada, a fim de poder
contrabalançar a forte repulsão eletrostática entre os prótons. Se for assim,
então, ela deve ser diferente da força gravitacional, que apresenta intensidade
muitíssimo menor. Por outro lado, como o nêutron não tem carga elétrica, ela
não deve ser de natureza eletromagnética. Em vista disso, esta nova força,
responsável pela existência dos núcleos, foi batizada de força nuclear, que se
trata de uma manifestação particular da chamada interação forte. (CHUNG,
2001) Para Palandi e colaboradores (2010), as interações básicas da matéria a nível
microscópico, podem ser descritas em termos das quatro forças de interações
fundamentais, sendo elas e suas respectivas ordens de grandeza: Nuclear Forte - 1;
Eletromagnética - 10−2; Nuclear Fraca - 10−14; Gravitacional - 10−37.
Segundo Gaspar (2013), após a descoberta da energia dos núcleos, passou-se a
utilizá-la com o objetivo de se obter energia, e o primeiro teste de controle nas reações
que liberam a energia do núcleo atômico foram pelo físico italiano Enrico Fermi e seus
colaboradores no Projeto Manhattan, nos Estados Unidos da América, no período da
Segunda Guerra Mundial.
No Brasil, segundo Carvalho (2012), a história da energia nuclear teve início na
década de 1930, com o apoio do governo à pesquisa na recém-criada Universidade de São
Paulo, e em 1935, alavancou com a criação do Instituto de Energia Nuclear – IEA.
13
Em 1949, César Lattes contribui para a criação do Centro Brasileiro de
Pesquisas Físicas – CBPF. Este instituto polarizou e agasalhou iniciativas
como a da formação do Instituto de Matemática Pura e Aplicada, a da Escola
Latino-Americana de Física, o Centro Latino-Americano de Física, e ainda se
destacava pelas atividades de pesquisas em nível internacional, pelas medidas
de modernização dos currículos de ensino da Física e pelas atividades de
formação do pessoal que constitui hoje parcela ponderável da liderança
científica atuante na Física brasileira. Cesar Lattes foi também um dos
colaboradores na descoberta do méson pi. (CBPF, 2012)
Segundo Carvalho (2012), no Brasil as pesquisas tem avançado na área de
utilização da energia nuclear para indústria, medicina, agricultura e na geração de energia
elétrica. Nesta última o Brasil consta com duas usinas termonucleares em funcionamento
- Angra I e Angra II, situadas no complexo de Angra dos Reis no Rio de Janeiro.
De acordo com a revista Brasil Nuclear (2014, pg 16-19), em janeiro de 2015 teria
início a montagem eletromecânica da usina de Angra III que terá duração de 58 meses,
com testes de operação previstos para 2018.
Helene (1996), Okuno (2007), Palandi (2010), afirmam que a energia dos
radioisótopos (núcleos instáveis) pode ser utilizada em vários setores da sociedade e que
o uso inconsciente e irresponsável dessa energia pode trazer graves consequências para
humanidade.
Segundo Cassedy e Grossman (1990), no ano de 1950, o futuro da energia nuclear
parecia promissor com o lançamento do programa norte-americano Átomos para a paz,
ação que contrastou com as terríveis consequências das bombas atômicas lançadas sobre
as cidades japonesas em 1945. Precisamente no ano de 1945 a humanidade testemunhou
o limite das atrocidades advindas do mau uso do conhecimento sobre a recém-descoberta
Física Nuclear. O mundo estava em guerra, era a Segunda Guerra Mundial e, os Estados
Unidos da América se empenhavam em encerrar as batalhas que consumiam vidas e
dinheiro. Como forma de pressionar o governo japonês, os EUA lançaram duas bombas
atômicas sobre as cidades de Hiroshima e Nagasaki, conseguindo assim a rendição.
Desde então a Física Nuclear tem sido largamente estudada para utilização
pacífica e em prol da humanidade.
3.2 A Evolução dos Modelos Atômicos
Uma pergunta que paira no universo do conhecimento humano é – O que
realmente é a matéria e qual sua constituição fundamental? Muitos pensadores tentaram
14
convencer-nos de que a matéria é algo sólido e palpável, outros, no entanto, não criam
nesta ideia de constituinte fundamental.
Desde o século V a.C. os gregos já discutiam a constituição da matéria. Para
Demócrito, o mundo material é composto de infinitos entes minúsculos,
incriáveis e indestrutíveis, denominados átomos, que se movem
incessantemente por um vazio e não possuem outras propriedades além de
tamanho e forma geométrica. Nessa concepção, os objetos que se colocam
diante de nossos sentidos são, na realidade, formados pela combinação de
muitos desses átomos. (PORTO, 2013)
O termo átomo provém do grego a = não e tomos = partes, significando que esta
porção de matéria seria a menor em escala, pois, não seria possível dividi-la.
Como apontado por Bem-Dov (1996), os átomos escapam dos nossos sentidos e
não conseguimos perceber o mundo real, e sim um mundo irreal. Um mundo formado por
combinações de átomos imutáveis, que constroem matéria e se decompõem. As variações
e mudanças na matéria formada se devem a seus movimentos e suas uniões, ou seja, nas
relações que mantem um com o outro e estes com o espaço. Para Platão, os átomos
existiam dotados de formas geométricas diversas, Aristóteles por sua vez negava a
existência de tais entidades considerando o espaço vazio ocupado por um continuum
material divisível ao infinito, e que Descartes também negava a existência do átomo e do
vazio. Já no pensamento de Epicuro de Samos, por volta do século IV a.C. era a alma
humana, como todos os demais abjetos, formados de átomos que acabam se combinam e
se separam.
Dalton propôs que a matéria era formada por partículas distintas denominadas
átomos. Ele concebia os átomos como esferas maciças, indivisíveis e
indestrutíveis. Segundo ele a matéria era descontínua, pois entre os átomos que
a constituíam havia espaços vazios. (LISBOA, 2010)
“Em 1803, John Dalton descobriu que elementos químicos diferentes se associam
sempre entre si segundo múltiplos inteiros de pesos elementares fixos.” (BEN-DOV,
1996)
As bases da teoria de Dalton podem ser apresentadas de acordo com BEMFEITO
& PINTO (2015).
“Dalton acreditava que nas diversas combinações dos átomos – ainda tidos
como partículas fundamentais e indivisíveis – estariam a origem da diversidade
das substâncias conhecidas. Formulou então explicações para suas
observações, que ficaram conhecidas como teoria atômica de Dalton, as quais
citamos a seguir. I) Todos os átomos de determinado elemento são idênticos;
II) Os átomos de diferentes elementos apresentam massas diferentes; III) um
composto é originado de uma combinação específica de átomos de mais de um
elemento; e IV) Numa reação química, os átomos não são destruídos nem
15
criados, simplesmente se rearranjam, originando novas combinações
químicas.”
De acordo com Kaplan (1978), foi em 1897 que J. J. Thomson através de
experimentos direcionados confirmou a ideia de que os raios catódicos eram constituídos
de partículas carregadas com cargas negativas, conseguindo estabelecer a razão
carga/massa = e/m para essas partículas. Demonstrando que as partículas dos raios
catódicos se moviam em altas velocidades, cerca de 1/10 da velocidade da luz. Ao
comparar o valor de e/m para as partículas dos raios catódicos com os encontrados para
os íons de Hidrogênio na eletrólise, viu-se que eram cerca de 1800 vezes maior. Chegando
em fim à massa do elétron, que foi indicado como parte constituinte de todos os átomos.
O elétron passou a ser considerado como uma partícula fundamental, e de massa com
cerca 1800 vezes menor que a massa do próton. E a prova final da natureza atômica ou
corpuscular da eletricidade assim como a primeira determinação realmente precisa do
valor da carga elementar veio através do trabalho de Robert Andrews Millikan.
Segundo Avancini (2009), foi no ano de 1897, J. J. Thomson teria descoberto o
elétron, sendo que suas carga e massa foram posteriormente determinadas. O mesmo
Thomson observou que essas partículas eram importantes na constituição do átomo.
[...] J. J. Thomson propôs uma tentativa de descrição, ou modelo, de um átomo,
segundo o qual os elétrons carregados negativamente estariam localizados no
interior de uma distribuição contínua de carga positiva. Supôs-se que a forma
da distribuição de carga positiva fosse esférica, com um raio da ordem de
grandeza conhecida do raio de um átomo, 10-10 m. (Este valor pode ser obtido
a partir da densidade de um sólido típico, de seu peso atômico e do número de
Avogadro.) Devido à repulsão mútua, os elétrons estariam uniformemente
distribuídos na esfera de carga positiva. Em um átomo que esteja em seu estado
de menor energia possível, os elétrons estariam fixos em suas posições de
equilíbrio. Em átomos excitados (por exemplo, átomos em um material a alta
temperatura), os elétrons vibrariam em torno de suas posições de equilíbrio.
Como a teoria do eletromagnetismo prevê que um corpo carregado acelerado,
como um elétron vibrando, emite radiação eletromagnética, era possível
entender qualitativamente a emissão de radiação por átomos excitados com
base no modelo de Thomson. No entanto, faltava concordância quantitativa
com os espectros observados experimentalmente. (EISBERG e RESNICK,
1979. p. 123).
Para Brennan (2003) e Kaplan (1978), o modelo atômico proposto por Thomson
era constituído de uma massa de cargas positivas com cargas negativas encrustadas,
conhecido como “pudim de ameixa” ou “pudim de passas”. Mas esse modelo não
poderia explicar o caso particular do espalhamento de partículas α, que determinou o
conceito de átomo nuclear.
16
Ainda segundo os autores, Brennan (2003) e Kaplan (1978), Rutherford propôs
uma nova teoria do espalhamento de partículas α pela matéria. No ano de 1911, ele baseou
sua teoria num novo modelo atômico compatível aos resultados experimentais, sugerindo
que o desvio de uma partícula α num ângulo de espalhamento muito grande podia ser
causado pelo encontro único com um átomo, ao contrário do que se propunha no caso do
espalhamento múltiplo. Sugeriu a existência de uma porção central, na qual está
concentrada toda a massa do núcleo, e que a carga negativa se localiza distribuída no
espaço que corresponde ao de raio do raio atômico.
Kaplan (1978), explica que a teoria nuclear do espalhamento de partículas α de
Rutherford foi testada ponto a ponto em 1913 por Geiger e Marsden, e que o
espalhamento depende de:
i) Ângulo de espalhamento;
ii) Espessura do material;
iii) Energia ou velocidade das partículas;
iv) Carga nuclear.
A notável concordância das previsões da teoria de Rutherford e os resultados
experimentais foram interpretados como uma confirmação do conceito de
átomo nuclear. Portanto em 1913, o átomo tem sido considerado como
consistindo de um pequeno núcleo carregado positivamente, ao redor do qual
é distribuída, de alguma maneira, uma carga oposta na forma de elétrons.
(KAPLAN, 1978).
Franco e desinibidos, pisando calos sem ver a quem, Ernest Rutherford
irrompeu no cenário da física na virada do século XX e se manteve no centro
do palco por 30 anos. Seu trabalho marca o início da era da Física Nuclear
(BRENNAN, 2003).
Em 1913, Niels Bohr propôs que os elétrons se moviam em orbitas bem
particulares e discretas, demonstrando os subníveis de energia, aperfeiçoando o modelo
planetário proposto por Ernest Rutherford, que explicava a anomalia dos elétrons e
estabelece a base para teoria do quanta, explicam os autores Bem- Dov (1996) e Brennan
(2003).
Tudo se encaixava perfeitamente não fosse uma questão simples, mas
fundamental: as mesmas forças eletromagnéticas que mantêm os elétrons em
volta do núcleo devem causar uma violenta repulsão entre prótons dentro do
núcleo, já que estes ocupam um volume muito menor que o volume do átomo
como um todo. A resposta óbvia é que prótons e nêutrons devem sentir dentro
do núcleo uma força suficientemente forte para evitar a repulsão entre os
prótons e ao mesmo tempo esta força deve ser de curto alcance, ou seja, deve
agir apenas para distâncias da ordem do tamanho do núcleo, já que elas são
imperceptíveis no nosso dia a dia do mundo macroscópico, ao contrário do que
ocorre com as forças eletromagnéticas, de longo alcance e responsáveis por
toda estrutura molecular que constitui a matéria tangível. (AVANCINI, 2009).
17
O modelo desenvolvido por Bohr apresentava concordância quantitativa precisa
com quando comparado aos dados espectroscópicos. Vejamos a seguir os postulados de
Bohr, citados por Eisberg e Resnick (1979).
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 ћ (a constante de Planck dividida
por 2ᴨ).
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 a se mover em uma órbita de energia total Ef. A frequencia da
radiação emitida v é igual à quantidade (Ei – Ef) dividida pela constante de
Planck h.
As ideias de Bohr revolucionaram o entendimento do átomo para sua época e suas
contribuições matemática eram coerentes com os dados experimentais.
3.3 As Partículas Nucleares
O núcleo atômico pode ser entendido como sendo o centro do átomo, com
dimensões matemáticas de um ponto, denso e coeso. Tal coesão nuclear intrigava muitos
estudiosos, pois, como poderiam partículas de mesma carga estarem tão próximas, o
ignoraria a lei de repulsão coulombiana.
O núcleo é constituído de partículas de carga positiva, chamadas prótons, e de
partículas de mesmo tamanho, mas sem carga denominadas nêutrons. Como
eles estão juntos no núcleo, comprova-se a existência de energia nos núcleos
dos átomos com mais de uma partícula: a energia de ligação dos núcleos ou
energia nuclear. (CARDOSO, 2012)
18
De acordo com Avancini (2009), as partículas nucleares se interagem através da
força forte ou força bariônica (uma vez que os prótons e os nêutrons são bárions).
Prótons e nêutrons têm massas aproximadamente iguais. A diferença de massa,
a favor do nêutron, é de apenas 1,2933 MeV, cerca de 0,1% da massa de cada
um deles, mas é o fato dessa diferença ser não-nula que permite o decaimento
do nêutron livre. Tanto próton como nêutron são elementos constituintes do
núcleo. Graças a essas características, eles podem ser encarados como
partículas idênticas, diferindo apenas quanto ao estado de carga (um tendo
carga, outro não). Esta é a razão por que eles são chamados genericamente de
nucleons. (CHUNG, 2001)
Avancini (2009), diz ser comuns prótons e nêutrons serem diferenciados por seu
isospin. Sendo esse número quântico definido como I = ½ para o nucleons, possuindo
duas projeções possíveis: I = + ½ para o próton e I = - ½ para o nêutron.
Na verdade, a forma que usamos para descrever um núcleo depende
basicamente da faixa de energia em que o fenômeno estudado ocorre, ou seja,
como o núcleo atômico é investigado principalmente através de sua interação
com outras partículas de dimensões semelhantes ou ainda menores.
Dependendo da energia destas partículas, os detalhes da estrutura nuclear se
revelam mais ou menos detalhadas. Para energias da ordem de alguns poucos
milhões de elétron-volts (eV), é suficiente uma descrição baseada nestes dois
tipos de partículas apenas. Se aumentarmos esta faixa de energia de
aproximadamente cem vezes, graus de liberdade associados ao aparecimento
de mésons podem começar a ficar importantes; e, se subirmos ainda mais em
energia (de um fator 1000 ou mais) teremos que recorrer provavelmente a uma
estrutura mais fundamental, como a dos quarks.
A melhor oportunidade que temos de observar a estrutura de um objeto
microscópico como o núcleo é através de experimentos de espalhamento, do
tipo utilizado no trabalho pioneiro de Rutherford. A ideia consiste em preparar
um feixe de partículas com energia conhecida, os quais podem ser facilmente
acelerados se as mesmas possuírem carga elétrica (como partícula α ou um
elétron). Tal feixe incide sobre um alvo conhecido e mede-se, então, a razão
entre o número de partículas espalhadas por unidade de tempo em uma dada
direção e o fluxo de partículas incidentes. Isto é o que chamamos de secção de
choque diferencial ou simplesmente secção de choque. A secção de choque
pode, por sua vez, ser calculada usando técnicas dadas pela Mecânica
Quântica, utilizando-se de algum tipo de modelo para descrever o alvo (no
caso, o núcleo) ou pode ser escrito em termos de alguns parâmetros fisicamente
escolhidos, os quais são, então, ajustados para reproduzir a secção de choques
experimental. (AVANCINI, 2009)
De acordo com Gaspar (2013), antes da descoberta de James Chadwick em 1932,
acreditava-se que o núcleo atômico era composto pelo par próton-elétron cuja
estabilidade era impossível. A descoberta do nêutron levou muitos físicos a crer que com
essa nova configuração próton-nêutron no núcleo atômico, o problema da instabilidade
estava resolvido.
19
3.4 Número Atômico – Z
Para Bemfeito & Pinto (2015), o número de prótons foi definido como uma das
principais características que diferenciam um átomo do outro, sendo esse número
chamado de número atômico (Z). Por esse pressuposto, é possível afirmar que átomos
com números de prótons diferentes pertencem obrigatoriamente a elementos químicos
diferentes.
Em 1869, o químico russo Dmitri Ivanovitch Mendeleyev (1834-1907) havia
organizado uma tabela de elementos químicos (uma precursora da tabela
periódica atual) na qual os elementos estavam dispostos em ordem crescente
de massa atômica. Mendeleyev afirmava (com razão) que as propriedades dos
elementos não eram aleatórias, ou seja, dependiam da estrutura do átomo, e
sugeriu que essa variação ocorria com a massa atômica de um modo regular
e/ou periódico. Apesar de seu trabalho trazer uma luz sobre a variação das
propriedades dos elementos, havia várias exceções à regra que eram difíceis de
explicar. Mendeleyev percebeu que essas exceções desapareciam quando
certos pares de elementos deixavam de ficar dispostos pela ordem crescente de
suas massas atômicas. Aos elementos assim dispostos na tabela foram
atribuídos números de ordem, ou de posição, de 1 até 92. Esses números – que
não cresciam necessariamente com as massas atômicas – foram chamados
números atômicos e simbolizados por Z, porém não tinham nenhum outro
significado que não fosse um simples número de ordem na tabela. Em 1913, o
físico inglês Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887- 1915) estava trabalhando
com espectros de raios X dos elementos quando verificou que a raiz quadrada
da frequência dos raios X produzidos pela emissão do núcleo atômico de um
elemento era diretamente proporcional ao número atômico (Z) desse elemento.
Moseley supôs então que o número atômico (Z) representava o número de
cargas positivas do núcleo de cada átomo e, portanto, estava relacionado às
propriedades dos átomos. Essa hipótese – conhecida atualmente por lei de
Moseley – foi confirmada em 1920 pelo físico inglês sir James Chadwick
(1891-1974), que fazia parte da equipe de pesquisas de Rutherford, por meio
de medidas das cargas nucleares de vários elementos químicos, através de
experimentos com os raios canais. (FONSECA, 2016)
3.5 Massa Atômica – A
A massa atômica é definida como a somatória das massas dos prótons e nêutrons
contidos no núcleo atômico. Segundo Avancini (2009), o próton e o nêutron têm massa
aproximada e da ordem de 10-24 g. A massa atômica pode ser expressa em termos de seu
equivalente em energia, energia de repouso, de acordo com a relação de Einstein, relação
massa energia, E = m.c2.
Chung (2001, p. 40), cita que “A importância provém do fato de que, pela teoria
da relatividade especial, massa é essencialmente igual à energia.”
Assim, como citado por Chung (2001) e Avancini (2009), obtemos os valores
939,566 MeV para a massa de repouso do nêutron e 938,272 MeV para a massa de
20
repouso próton. A massa atômica pode ainda ser expressa em unidade de massa atômica
(u.m.a. ou simplesmente u), cuja equivalência em energia é 1 u = 931,494 MeV.
Fonseca (2016), diz que massa atômica oficial de cada elemento químico pode ser
obtida pela média ponderada das massas atômicas dos isótopos naturais do elemento.
3.6 Isótopos
O número de nêutrons no núcleo pode ser variável, de acordo com Cardoso (2012),
pois estes não têm carga elétrica. Podendo um mesmo elemento químico ter massas
diferentes. Avancini (2009), diz que com mesmo Z e valores de A diferente, tais nuclídeos
são chamados de isótopos.
Kaplan (1978, p. 164), menciona que “Soddy, em 1913, sugeriu como nome para
eles a palavra isótopos, significando o mesmo lugar na tabela periódica.”
A palavra isótopo provém do grego e significa o mesmo lugar, isto é, que ocupa
o mesmo lugar na Tabela Periódica de elementos químicos. Os isótopos
possuem propriedades químicas similares e são classificados em radioisótopos
e isótopos estáveis, dependendo de eles serem radioativos ou não. Existem na
natureza três isótopos de hidrogênio (H): o H-1, o H-2, comumente chamado
hidrogênio pesado ou deutério (D), e o H-3, também chamado trítio (T). O
trítio possui um próton e dois nêutrons no núcleo e é um radioisótopo de
hidrogênio, pois emite partícula beta e sua meia-vida física é de 12,26 anos.
(OKUNO, 2007)
Depois que a existência de isótopos foi demonstrada para elementos
radioativos, Thomson (1913), por experiências de deflexão com raios
positivos, provou que também ocorrem isótopos entre os elementos comuns.
O trabalho de Thomson foi estendido e melhorado por Aston, que desenvolveu
um novo tipo de aparelhagem de raios positivos que chamou de espectrógrafo
de massa. Aston mostrou que a maior parte dos elementos são misturas, tendo
em alguns casos até nove ou dez isótopos. Ele também foi capaz de obter
medidas muito precisas das abundancias relativas dos isótopos dos diferentes
elementos. Os usos mais importantes aos quais o espectrógrafo de massa foi
aplicado por Aston e outros foram a identificação dos isótopos e a
determinação precisa de suas massas. A massa isotópica é uma das quantidades
que podem ser mediadas diretamente, fato essencial à compreensão do núcleo
atômico, e tornar-se-á evidente a importância de medidas bastante precisas
desta quantidade. (KAPLAN, 1978, p. 165)
De acordo com Cardoso (2012), o Urânio, cujo número atômico é 92 possui 3
isótopos naturais:
U – 234, com 142 nêutrons (em quantidade desprezível);
U – 235, com 143 nêutrons (0,7%);
U – 238, com 146 nêutrons no núcleo (99,3%).
21
Kaplan (1978) cita como exemplo os elementos alumínio, berílio e outros,
que possuem apenas uma forma estável na natureza e por isso, são chamados
de nuclídeos estáveis e não de isótopos estáveis, uma vez que o termo indica a
existência de mais de um nuclídeo.
3.7 Raio Nuclear
Chung (2001), diz que o espalhamento Rutherford ou espalhamento Coulombiano
foi o processo utilizado para chegar ao modelo de núcleo atômico. No qual Rutherford
utilizou originalmente partículas alfa (2α4) para bombardear núcleos de ouro (Au79).
No espalhamento Coulombiano, o raio nuclear é definido como a distância de
máxima aproximação para uma dada energia E da partícula incidente. Em
outras palavras, se considerarmos o núcleo agora como uma esfera de raio R,
ao invés de um simples ponto, é de se esperar então que, para ângulos de
espalhamento e energias incidentes em que o parâmetro de impacto b < R, a
fórmula de Rutherford deixa de ser verdadeira, visto que o potencial aí não será
puramente Coulombiano. Forças nucleares já deverão começar a atuar, e neste
caso R passa a dar uma medida do alcance das forças nucleares. (Chung, 2001,
p. 28).
Com a análise dos resultados experimentais, foi verificado que o raio nuclear
depende de A (massa atômica), o que pode ser demonstrado por uma expressão bem
simples:
R = r0A⅓,
sendo r0 a constante do raio (cujo valor está relacionado à densidade dos núcleos no estado
fundamental).
r0 = 1,16 fm
Este valor equivale ao raio médio do volume esférico ocupado por cada núcleon
dentro do núcleo.
Avancini (2009) explica que o raio nuclear pode variar de 2x10-13 cm a 6x10-13 cm
(2 fm a 6 fm), sendo uma grandeza bem conhecida atualmente.
Para Cohen (1971) e Avancini (2009), os dados experimentais de Rutherford
mostram que o raio do núcleo é cerca de 10.000 vezes menor que o raio atômico.
3.8 Densidade Nuclear
Podemos afirmar que foram os experimentos de Rutherford em 1911 que
fundamentaram a existência do núcleo átomo, com dimensões entre 10-14 a 10-15 m. Tais
22
núcleos podem ser estudados pelo bombardeamento com partículas, uma vez que essas
partículas tenham um comprimento de onda menor que as dimensões do núcleo.
As partículas mais utilizadas para bombardear o núcleo são: alfa, prótons,
nêutrons e elétrons. É importante mencionarmos, que quando são utilizados
elétrons, o estudo do espalhamento deve ser feito utilizando as forças
eletromagnéticas entre os elétrons e os prótons do núcleo, e assim calculando
a distribuição de cargas dos prótons no núcleo. Quando são utilizadas as
partículas alfa, prótons ou nêutrons, deve-se analisar o estudo do espalhamento
medindo o potencial nuclear médio. O valor da constante r0 varia entre 1,0 fm
e 1,4 fm, dependendo da definição do raio medido. Através do estudo do
espalhamento das partículas utilizadas para bombardear o núcleo é possível
chegar aos seguintes resultados para a constante r0: quando as partículas
utilizadas são elétrons o valor encontrado é r0 = 1,0 fm; quando as partículas
utilizadas são alfa, prótons ou nêutrons, o valor encontrado é r0 = 1,4 fm, por
conveniência. (FERNANDES, 2004)
Uma das grandezas física atribuída à matéria é a densidade, uma vez que, a matéria
possui massa e ocupa lugar no espaço. Assim definimos a densidade de um corpo como
a razão entre sua massa e seu volume. Se considerarmos a massa do núcleo com sendo A
e o seu volume dado por V= 4π(r0)3/3.
Assim, a densidade nuclear será dada por:
𝜌 =𝐴
𝑉 → 𝜌 =
𝐴
(43⁄ )𝜋𝑟0
3 , em nucleons/cm3
Avancini (2009), diz que a densidade média encontrada para o átomo é da ordem
de 1014 g/cm3. Se tomarmos o número de nucleons (prótons e nêutrons) e como unidade
de medida o fermi – fm (10-15 metros), verifica-se uma densidade média equivalente a ρ
≈ 0,153 núcleons/fm3. Considerou ainda que o núcleo atômico é algo extremamente denso
e por isso um sistema bastante complexo.
De acordo com Kaplan (1978), o núcleo atômico era tido como algo de difícil
compreensão e análise pelos métodos experimentais comuns, como citado abaixo:
A densidade de matéria no núcleo oferece um indício da fonte das dificuldades
das dificuldades. [...] densidade do núcleo é de pelo menos 1012 g/cm3. Uma
densidade desta magnitude é inconcebivelmente grande, e torna-se claro que
no núcleo atômico a matéria é agrupada de uma maneira que talvez não possa
ser submetida a métodos de análise experimentais e teóricos comuns.
Consequentemente, a interpretação das propriedades nucleares dos átomos em
termos de uma teoria de estrutura nuclear apresenta grandes problemas.
Os átomos são caracterizados pelo número de prótons (P) e nêutrons (N), contidos
em seu núcleo. Sendo prótons e nêutrons que determinam toda a massa atômica (A = P +
N), uma vez que a massa dos elétrons é desprezível.
Os núcleos são objetos de uma densidade extremamente alta, como já citado, na
ordem de 1012 g/cm3. No entanto, é possível encontrar objetos que cuja densidade se
aproxima da densidade do núcleo atômico, como no caso das estrelas de nêutrons. “Elas
23
têm raio aproximadamente de 10 km, massa total da ordem da massa do Sol e uma
composição química fortemente dominada por nêutrons.” (Chung, 2001, p. 37)
3.9 Tabela Periódica
Lisboa (2010) explica que até o final do século XVIII, somente 33 elementos
químicos eram conhecidos. Em função das descobertas do XIX, houve a necessidade de
agrupar esses novos elementos segundo suas propriedades. Em 1817, o alemão Johann
Wolfgang Dӧbereiner, tentou estabelecer uma correlação entre a massa e as propriedades
de alguns elementos, colocando-os em ordem crescente de massa atômica. Ao conjunto
formado por três elementos com propriedades semelhantes ele chamou de tríade. Em
1862, o geólogo e mineralogista francês Alexandre de Chancourtois, organizou os
elementos em ordem crescente de massa atômica em um espiral. Esse modelo de
organização ficou conhecido como parafuso telúrico, onde cada volta difere em 16
unidades de massa. Em 1863, o químico inglês John Alexander Reina Newlands reuniu
56 elementos em 11 grupos, ele notou propriedades similares em pares de elementos que
diferiam em oito unidades. Suas ideias não foram bem aceitas devido ao grande número
de exceções à regra e por estar baseada com intervalos de escala musical.
Em 1869, o químico russo Dmitri Mendeleev (1834-1907) começou
a organizar seu conhecimento a respeito dos elementos químicos buscando
algum padrão de propriedades que pudesse agrupar elementos similares.
Escrevendo esses elementos em uma folha de papel, ele compreendeu que,
quando eram listados pelo peso atômico, suas propriedades se repetiam numa
série de intervalos periódicos. Assim, surgiu a tabela periódica dos
elementos.
Valendo-se desse conhecimento, o cientista conseguiu classificar os
63 elementos então conhecidos em uma tabela, prevendo a existência de
elementos ainda não identificados. Isso foi possível porque, na tabela de
Mendeleev, alguns lugares ou “quadrinhos” ficaram vazios. Quando o
elemento químico gálio foi identificado, todas as suas características já haviam
sido previstas pelo cientista russo. Foi só encaixar na tabela um cartão com os
dados do novo elemento.
Em 1913, o cientista britânico Henry Moseley (1887-1915),
aprofundando vários estudos, concluiu que o número de prótons no núcleo do
átomo de determinado elemento químico (número atômico ou Z) era sempre
um critério de organização dos elementos químicos: “As propriedades dos
elementos são uma função periódica de seus números atômicos”. A tabela
classificatória dos elementos químicos de Mendeleev, aperfeiçoada por Henry
Moseley, deu origem à tabela periódica atual. (BEMFEITO & PINTO, 2015,
p. 239)
A simples localização de um elemento químico na tabela periódica
pode indicar diversas características específicas desse elemento. Os elementos
são distribuídos na tabela em ordem crescente, da esquerda para a direita, em
linhas horizontais, de acordo com o número atômico (Z) de cada um, que fica
acima de seu símbolo. Na tabela, há sete linhas horizontais, que são
24
denominadas períodos. Os períodos indicam o número de camadas ou níveis
eletrônicos que o átomo possui. (BEMFEITO & PINTO, 2015, pp. 243/244).
A tabela periódica é constituída de 18 colunas verticais, as quais representam as
famílias ou grupos de elementos químico, nas quais seus elementos estão agrupados de
acordo com suas propriedades físicas e químicas semelhantes e, última camada com
mesmo número de elétrons. Possui ainda sete linhas horizontais que indicam os períodos
dos elementos químicos, correspondendo ao número de camadas eletrônicas preenchidas
para cada átomo. Segundo a IUPAC (sigla em inglês para – International Union of Pure
and Applied Chemistry. Traduzindo: União Internacional de Química Pura e Aplicada),
a tabela periódica atual (2017), possui 118 elementos conhecidos (ANEXO – I).
3.10 Tabela de Nuclídeos
Na tabela de nuclídeos, os elementos químicos conhecidos, estáveis e instáveis,
são dispostos tomando o número atômico Z, distribuído no eixo das ordenadas e número
de nêutrons distribuídos no eixo das abscissas.
Tabela de nuclídeos. Disponível em:
<http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/45/073/45073466.pdf >
Acessado em 25 de março de 2018.
25
É observado que os elementos de número de massa pequeno, possuem o número
de prótons igual ou próximo do número de nêutrons, e à medida que o número de massa
aumenta, o número de nêutrons aumenta relativamente, chegando a ser quase 40% maior
para os últimos elementos da tabela.
3.11 Radiação Natural – Séries Radioativas
Podemos considerar o fato de que na natureza existem elementos encrustados na
crosta terrestre, cujos núcleos ativos (radioativos) emanam quantidades de radiação
diferentes para cada elemento e local do planeta. Também podemos perceber que estamos
sujeitos a grande quantidade de radiação proveniente do espaço, a radiação cósmica.
Grande parte da irradiação a que estamos submetidos deve-se à exposição
externa, da qual cerca da metade se deve à radiação cósmica e a outra metade,
a radionuclídeos naturais. A radiação cósmica primária provém do espaço
interestrelar e no topo da atmosfera é constituída de prótons (85%), partículas
alfa (14%) e núcleos de número atômico entre 3 e 26 (1%). A intensidade da
radiação cósmica a 2.000 e 3.000 m de altitude é, respectivamente, cerca de
duas a três vezes maiores que aquela ao nível do mar. Portanto, a intensidade
da radiação cósmica varia de local para local, dependendo da latitude e da
altitude, porém parece ter se mantido constante durante milhares de anos, para
um dado local da Terra. A quantidade de radiação gama proveniente de
radionuclídeos naturais existentes na crosta terrestre e que contribui para a
exposição externa, também varia muito de local para local. (OKUNO, 2007).
Sabemos que na natureza existem elementos radioativos e que, ao longo do tempo
realizam transmutações ou “desintegrações” sucessivas, emitindo radiação alfa, beta ou
gama, até que o núcleo atingir uma configuração estável.
Em cada decaimento, os núcleos emitem radiações dos tipos alfa, beta e/ou
gama e cada um deles é mais “organizado” que o núcleo anterior. Essas
sequências de núcleos são denominados: séries radioativas ou famílias
radioativas naturais. No estudo da radioatividade, constatou-se que existem
apenas 3 séries ou famílias radioativas naturais, conhecidas como: série do
urânio, série do actínio e série do tório. A série do Actínio, na realidade, inicia-
se com o Urânio-235 e tem esse nome, porque se pensava que ela começava
pelo Actínio-227. As três séries naturais terminam em isótopos estáveis do
chumbo, respectivamente: chumbo – 206, chumbo – 207 e chumbo – 208.
(CARDOSO, 2012, p. 21).
A cada emissão alfa ou beta, segundo Kaplan (1978) e Cardoso (2012), há uma
variação do número de prótons no núcleo, isto é, o elemento se transforma ou se transmuta
em outro, de comportamento químico diferente ou se torna um isótopo do elemento
original.
Um nuclídeo inicial (núcleo pai) sofre decaimento e se torna um nuclídeo diferente
(núcleo filho), também radioativo, que por sua vez sofre decaimento e se torna um novo
26
nuclídeo e assim, após sucessivos decaimentos, chega a um nuclídeo estável finalizando
a série de atividade radioativa.
Cardoso (2012) sugere que o termo mais apropriado é decaimento radioativo,
indicando a diminuição gradual de massa e atividade. Os núcleos instáveis de uma espécie
denominados radioisótopos sofrem decaimentos sucessivos e não instantâneos. As
emissões de radiação são feitas de modo imprevisto não sendo possível determinar o
momento em que determinado núcleo irá emitir radiação. Haja visto que para uma grande
quantidade de átomos existentes em uma amostra de material radioativo podemos esperar
um certo número de emissões ou transformações em cada segundo, temos uma maior
probabilidade de tal emissão ocorrer. A essa “taxa” de decaimento é denominada
atividade da amostra.
A atividade de uma amostra radioativa é o número de desintegrações nucleares de
seus átomos na unidade de tempo, e diminui para a metade do valor anterior a cada meia-
vida física. A unidade de atividade de uma amostra no SI, é o Becquerel (Bq). A unidade
anteriormente utilizada era o curie (Ci), definido como sendo a atividade de 1 g de rádio:
1Bq = 1 desintegração/segundo e, 1 Ci = 3,7.1010 desintegrações/segundo.
Os elementos radioativos naturais ou artificiais sofrem decaimento radioativo a
uma taxa que lhe é característica, sendo a meia-vida para este elemento o tempo
necessário para que sua atividade seja reduzida à metade da atividade inicial.
Como resultado das pesquisas físicas e químicas sobre os elementos
radioativos que ocorrem na natureza, provou-se que cada nuclídeo radioativo
é um membro de uma de três longas cadeias, ou séries radioativas, que se
estendem através da última parte da tabela periódica. Estas séries são chamadas
de série do urânio, actínio e tório, respectivamente, nomes que correspondem
aos elementos no topo da série, ou nas suas proximidades. Existem três séries
radioativas naturais. (KAPLAN, 1978, p. 206).
No anexo II, estão representadas as três séries radioativas naturais, a saber: a série
do Urânio – 238, a série do Tório-232 e a série do Actínio-(Urânio-235).
3.12 Decaimentos Nucleares
As mudanças (decaimentos) que ocorrem com o núcleo radioativo determinam
suas novas propriedades, pois a cada transformação sofrida tem-se um novo elemento ou
um isótopo mais estável do núcleo pai. Dependendo de sua energia o núcleo pode ser
mais ou menos instável, o que determina o tipo de decaimento que ele sofrerá.
As propriedades das radiações das substâncias radioativas têm sido
cuidadosamente estudadas desde a descoberta da radioatividade. O interesse
27
inicial nestas radiações estava relacionado com as séries de transformações do
uranio, tório e actínio. Este interesse foi estendido às informações que as
radiações dão sobre o núcleo e as mudanças de energia em suas
transformações. Medidas precisas das energias das radiações emitidas pelos
radionuclídeos naturais levaram à ideia de estados nucleares de energia
análogos aos estados atômicos de energia, e o estudo das radiações emitidas
tanto pelos radionuclídeos naturais como artificiais resultou na acumulação de
uma grande quantidade de informações sobre níveis nucleares. Teorias da
emissão de raios α, β e γ foram desenvolvidas, e a combinação de
conhecimento experimental e teórico destes processos forma um dos grandes
ramos da física nuclear. (KAPLAN, 1978, p. 253).
3.12.1 Radiação alfa – α
Constituindo uma das formas de estabilização do núcleo atômico, as partículas
alfas (α) são constituídas por dois prótons e dois nêutrons e, de uma energia associada à
sua emissão.
De acordo com Cardoso (2012), “São as radiações alfa ou partículas alfa, na
realidade núcleos de Hélio (He), um gás chamado “nobre”, por não reagir quimicamente
com os demais elementos.” Segundo o autor, as partículas alfa são as radiações mais
ionizantes por terem carga +2 e, por ter maior massa, seu poder de penetração na matéria
é bem pequena, sendo bloqueada por um fina folha de papel ou alguns centímetros no ar.
Okuno (2007), diz que as partículas alfa conseguem atingir apenas a superfície da
pele humana. A autora afirma ainda que:
Entretanto, a ingestão ou a inalação de radionuclídeos emissores de partículas
alfa pode trazer sérias consequências ao ser humano, uma vez que elas
produzem alta densidade de ionização, isto é, sua deposição de energia por
unidade de comprimento é muito grande. (OKUNO, 2007)
Kaplan (1978), cita que as partículas alfa são facilmente absorvidas e que, as
partículas emitidas por uma fonte, no ar, podem ser contadas pelo números de cintilações
percebidas numa tela de sulfeto de zinco, a partir das quais descobre-se que o seu número
dessas cintilações permanece praticamente constante até uma certa distância R da fonte,
caindo rapidamente a zero. Isto mostra o alcance (R) das partículas, que está relacionada
com sua energia inicial. O autor afirma que as “Partículas alfa perdem uma grande fração
de sua energia em ionização ao longo de suas trajetórias”.
A taxa de ionização causada por uma partícula alfa depende do número de
moléculas e da maneira que ela atinge em sua trajetória.
Com mais detalhes Kaplan (1978, pp. 257/258), cita que:
28
Um elétron e o íon positivo que resulta da sua remoção de um átomo formam
um par de íons, e a intensidade da ionização causada pelas partículas é expressa
pela ionização específica, definida como o número de pares de íons formados
por milímetro de trajetória do feixe.
Em relação à constante de desintegração das partículas alfas, o autor afirma que:
[...] a constante de desintegração varia de maneira extremamente rápida devido
a pequenas mudanças na energia. Os nuclídeos de vida mais longa emitem as
partículas α menos energética, enquanto que os nuclídeos de vida mais curta
emitem as partículas α mais energéticas. (KAPLAN, 1978).
A energia de uma partícula alfa emitida por um nuclídeo, está inversamente
proporcional à meia-vida radioativa desse nuclídeo emissor.
3.12.2 Radiação beta – β
Como resultante da conversão de um nêutron em próton, o núcleo atômico pode
se estabilizar pela emissão de uma partícula negativa, um elétron (-1), chamada de
partícula beta (β).
As partículas beta, assim denominadas para indicar a origem nuclear, são
elétrons (beta menos) e pósitrons (beta mais). Estes últimos são partículas
idênticas ao elétron, exceto no sinal da carga elétrica, que é positivo. Uma
partícula beta é mais penetrante, produz uma densidade de ionização menor e
possui um alcance maior que uma partícula alfa de mesma energia. (OKUNO,
2007).
Cardoso (2012), diz que “No caso de existir excesso de carga positiva (prótons),
é emitida uma partícula beta positiva, chamada pósitron, resultante da conversão de um
próton em um nêutron”.
Ainda segundo o autor, podemos distinguir as partículas betas emitidas pelo
núcleo. “Portanto, a radiação beta é constituída de partículas emitidas por um núcleo,
quando da transformação de nêutrons em prótons (partícula beta) ou de prótons em
nêutrons (pósitrons)”.
“Descobriu-se nas primeiras experiências que as partículas β emitidas pelos
nuclídeos radioativos naturais podem ter velocidades de até 0,99 da velocidade da luz.”
(KAPLAN, 1978, p. 238)
Se comparadas com as partículas alfas, as partículas betas têm maior poder de
penetração e menor poder de ionização.
29
“Dependendo de sua energia, a maioria das partículas beta, que são elétrons de
origem nuclear, podem percorrer até poucos metros no ar e têm um poder ionizante bem
menor do que as partículas alfa”. (CARDOSO, 2012, p. 23).
Em geral, as energias das partículas β, tanto positivas como negativas, são
menores que as das partículas α emitidas pelos nuclídeos radioativos. A maior
parte das partículas β tem energias menores que 4 MeV, enquanto quase todas
as partículas α têm energia superior a 4 MeV. Com a mesma energia cinética,
a partícula β, por causa de sua massa muito menor, se desloca muito mais
rapidamente que a partícula α. Uma partícula α com uma energia de 4 MeV tem
uma velocidade de cerca de 1/20 da velocidade da luz, mas um elétron de 4
MeV pode ter uma velocidade próxima de 0,995 da velocidade da luz.
(KAPLAN, 1978, p. 283).
De acordo com Kaplan (1978), as partículas β devem ser estudadas do ponto de
vista relativístico, devido suas grandes velocidades.
Em relação ao princípio da conservação da energia no decaimento beta, postulou-
se a existência de uma partícula de massa extremamente pequena e carga nula, o neutrino.
Kaplan (1978, pp. 298/299), fala sobre a teoria de Fermi para o decaimento beta,
como citado a seguir:
A teoria de Fermi do decaimento β e suas extensões, baseadas na hipótese do
neutrino, obtiveram sucesso ao explicar todas as características do decaimento
β. A teoria de Fermi está baseada nas seguintes ideias. Quando um núcleo
emite uma partícula β, sua carga muda de uma unidade, enquanto que sua
massa praticamente não muda. Quando a partícula β ejetada é um elétron, o
número de prótons no núcleo aumenta de um, e o número de nêutrons decresce
de um. Na emissão de pósitrons, o número de prótons decresce de um e o
número de nêutrons aumenta de um. Transformações beta podem então ser
representadas pelos seguintes processos:
β- -emissão: 0n1 1H1 + -1e0 + v,
β+ -emissão: 1H1 0n1 + 1e0 + v,
onde v representa o neutrino.
A hipótese do neutrino e a teoria desenvolvida por Fermi se aplicam também
ao processo da captura de elétron orbital, que pode ser representada pela
equação,
1H1 + -1e0 0n1 + v. De acordo com Chung (2001, p. 211), “A teoria de Fermi para o decaimento beta
tem por base a teoria da perturbação, o que permite a aplicação imediata da famosa regra
de ouro de Fermi.” (Grifo nosso)
3.12.3 Radiação gama – γ
A radiação gama é uma das radiações mais penetrantes, embora seu poder de
ionização seja relativamente baixo se comparados com as partículas alfa e beta.
Cardoso (2012), explica que,
Geralmente, após a emissão de uma partícula alfa (α) ou beta (β), o núcleo
resultante desse processo, ainda com excesso de energia, procura estabilizar-
30
se, emitindo esse excesso em forma de onda eletromagnética, da mesma
natureza da luz, sem carga elétrica, mas com energia muito maior, denominada
radiação gama (γ).
Okuno (2007), explica que as ondas eletromagnéticas são constituídas de campos
elétricos e magnéticos oscilantes que se propagam no vácuo à velocidade da luz, sendo
exemplos de tais ondas: ondas de rádio, TV, micro-onda, radiação infravermelha, luz
visível, radiação ultravioleta, raios X e raios gama. Diferindo entre si pela frequência e
com comprimento de onda.
A energia de uma onda eletromagnética é quantizada, isto é, ela só pode
assumir valores discretos. Na interação da radiação eletromagnética com a
matéria, a absorção e a emissão de energia só ocorrem em quantidades
discretas de energia denominadas quanta ou fótons. A energia E de um fóton é
dada por:
E = hf,
onde h é uma constante universal chamada constante de Planck e vale 4,14.10-
15 eV.s e f é a frequência da onda eletromagnética. (OKUNO, 2007).
De acordo com Chung (2001), a energia de excitação de um núcleo pode ser
definida como:
Eexc = E* - E0.
Onde; E* equivale à energia do núcleo excitado, E0 equivale à energia do núcleo
no estado fundamental e Eexc equivale à energia de excitação.
“Em geral, como a energia necessária para emissão de partículas é da ordem
da energia de separação de nêutron ou próton (aproximadamente 8 MeV), a
desexcitação do núcleo se faz mais facilmente via decaimento gama, com a
emissão de um ou vários gamas.” (CHUNG, 2001, p. 179) A emissão de raio gama pode realizar-se de uma estado excitado inicial de energia
para um estado excitado final de energia, assim:
ΔE = Ei - Ef.
Onde: Ei equivale à energia de um estado excitado inicial, Ef equivale à energia
de um estado excitado final e ΔE equivale à energia disponível para o decaimento.
De acordo com Kaplan (1978, p. 352), “A emissão de um elétron de conversão
interna após o decaimento radioativo implica que a reorganização do núcleo produtos
ocorre depois que o processo de decaimento ocorreu.” O autor cita ainda que:
Provou-se sem sombra de dúvida que a energia liberada na conversão interna
é a mesma que a liberada na emissão de um raio γ, de modo que ambos os
processos representam a mesma reorganização do núcleo produto, e a emissão
do raio γ deve portanto seguir a da partícula α e β. (p. 352) Vale ressaltar que as emissões não ocorrem de maneira individual e sim, de
maneira conjugada. Sempre após uma emissão de partícula, seja alfa ou beta, ocorre a
emissão de energia na forma de radiação gama.
31
3.13 Reações Nucleares
3.13.1 Fissão Nuclear
“A descoberta da fissão nuclear foi um dos resultados das tentativas de se fazer
elementos transurânicos de número atômico maior que 92 por meio de reações seguidas
do decaimento β do núcleo produto.” (KAPLAN, 1978)
É definida como a divisão de um núcleo atômico pesado, por exemplo, do urânio-
235 ou plutônio-239, em núcleos menores, ao serem atingidos por um nêutron, liberando
grande quantidade de energia.
“Se todos os núcleos de 1 quilograma de urânio-235 se desintegrassem pela fissão,
seria liberada mais de um milhão de vezes a quantidade de energia produzida na queima
de 1 quilograma de petróleo.” (HELENE, 1996)
Cardoso (2012), explica que “em cada reação de fissão nuclear resultam, além dos
núcleos menores, dois a três nêutrons, como consequência da absorção do nêutron que
causou a fissão.”
A reação em cadeia ocorre mediante a liberação sucessiva de nêutrons por cada
núcleo fissionado, que irá fissionar um novo núcleo que, por sua vez liberará outros
nêutrons e assim, sucessivamente.
“A forma de controlar a reação em cadeia consiste na eliminação do agente
causador da fissão: o nêutron. Não havendo nêutron não há reação de fissão em cadeia.”
(Cardoso, 2012). O autor (p. 13) cita ainda que:
Os elementos químicos, como o boro, na forma de ácido bórico ou de metal, e
o cádmio, em barras metálicas, têm a propriedade de absorver nêutrons, porque
seus núcleos podem conter ainda um número de nêutrons superior ao existente
em seu estado natural, resultando na formação de isótopos de boro e de cádmio.
De acordo com Helene (1996), nos EUA, num laboratório em Chicago, o físico
italiano Enrico Fermi conseguiu liberar a energia nuclear de uma amostra de Urânio-235.
O processo envolveu o bombardeamento da amostra com nêutrons velozes, o deu início
à reação em cadeia. Junior (2009) cita que:
O reator era abastecido com urânio natural embebido em blocos de grafite,
tendo a fissão ocorrido no isótopo do urânio-235. A partir daí, viabilizou-se a
construção das letais bombas atômicas, lançadas contra Hiroxima e Nagasaki,
em agosto de 1945, com as terríveis consequências que temos pleno
conhecimento.
32
Kaplan (1978), diz que a energia dos nêutrons velozes necessária para fissionar o
núcleo de U235 ou U238 devem ser maiores que 1 MeV. É comum o uso de nêutrons velozes
no bombardeio de núcleos, a fim de fissioná-los, mas é possível o uso de partículas alfa
de grande energia, prótons, dêuterons e raios γ.
3.13.2 Fusão Nuclear
A reação de fusão constitui uma união de núcleos em altíssimas temperaturas, com
a liberação de colossal quantidade de energia.
Em relação à conservação das massas durante a fusão, Junior (2009), cita que:
“Verifica-se que a massa do núcleo (mnúcleo) é menor que a soma das massas individuais
dos núcleons (Σ mnúcleons) que o formam. Assim, a diferença entre essas massas é dada
por: Δm = Σ mnúcleons - mnúcleo.”
O autor refere ainda que,
“A energia de ligação do núcleo pode, então, ser calculada pela equação de
Einstein: ΔE = Δm.c2.”
Por conseguinte, quando núcleons se juntam e se fundem para formar um
núcleo mais pesado, há liberação de energia, que corresponde à energia de
ligação, isto é, à energia que o núcleo formado deveria receber para que fossem
liberados os núcleons originais. No processo que ocorre no Sol, núcleos de
hidrogênio unem-se para formar núcleos de hélio e, como subproduto dessa
reação nuclear, é liberado uma enorme quantidade de energia. A reação nuclear
que ocorre no Sol pode ser escrita simplificadamente do seguinte modo:
4 1H1 2He4 + 2 e+ + 26 MeV.
Em princípio, parece simples. Entretanto uma reação desse tipo exige pressões
extremamente altas e temperaturas da ordem de 20 milhões de Kelvins. Essa é
umas das razões pelas quais as usinas nucleares ainda não se utilizam da fusão
nuclear. Nos procedimentos experimentais, o gasto de energia para se obterem
as condições necessárias à realização do processo é maior que a quantidade de
energia obtida dele. (JUNIOR, 2009).
Para que ocorra a fusão de dois núcleos atômicos, os mesmos devem vencer em
primeiro lugar a força de repulsão coulombiana, que é a força de repulsão elétrica entre
as cargas positivas do núcleo que forma uma espécie de barreira. A “altura da barreira
coulombiana” depende da carga e do raio desses núcleos e, para vencê-la deve-se
aumentar a temperatura para que os núcleos adquiram energia suficiente.
De acordo com Chung (2001) a obtenção da energia limiar por exigir altas
temperaturas incorrem em dois sérios obstáculos experimentais. A saber: 1º) A energia
injetada no processo é maior que a energia extraída dele e, 2º) Como manter o processo
estável a tão altas temperatura.
33
Chung (2001) cita ainda que estabilidade do processo de fusão pode ser
conseguido de duas maneiras distintas, por confinamento magnético e confinamento
inercial. O primeiro é conseguido com o uso de super magnetos e, o segundo por um feixe
de laser de alta potência que aquece e comprime a amostra (prótons por exemplo) antes
que ocorra separação. Este segundo caso se processa continuamente no interior do sol sob
ação da gravidade.
O processo de fusão ainda requer tecnologia adequada e aperfeiçoamento, para
que possa gerar mais energia do que requer para sua efetivação.
3.14 Alguns Erros e Acidentes no Uso da Física
Existem dois pontos de grande relevância ao se tratar da Física Nuclear em sala
de aula: o primeiro diz respeito à construção de artefatos bélicos (bombas nucleares) e o
segundo, está relacionado aos acidentes envolvendo material radioativo ou fontes
radioativas. Tais assuntos são fonte de grande curiosidade por parte de alguns alunos e
também aguçam a curiosidade e o interesse de outros alunos, levando-os a participarem
de forma mais efetiva. Assim, não poderiam estar à parte deste trabalho.
“Um acidente é considerado nuclear, quando envolve uma reação ou equipamento
onde se processe uma reação nuclear. Um acidente com uma fonte radioativa, como o do
césio – 137 é um acidente radioativo.” (Cardoso, 2012)
3.14.1 As Bombas Atômicas de Hiroshima e Nagasaki
Com a descoberta do poder da energia contida nos núcleos atômicos e o possível
controle dessa energia deu-se início à construção de uma arma de destruição em massa, a
bomba atômica. Para que a bomba nuclear possa explodir, é necessário que ela seja feita
com material físsil (núcleos mais instáveis possíveis de serem quebrados), no qual se
desenvolve uma reação em cadeia que deve ser rápida, e se for de urânio deve conter uma
quantidade muito concentrada, contendo o isótopo do urânio–235, enriquecido acima de
90%.
A bomba de Urânio-235 recebeu o nome de “Little Boy” (pequeno garoto)
e a bomba de Plutônio-239, recebeu o nome de “Fat Man” (homem gordo).
34
No dia 5 de agosto de 1945, a Little Boy embarcou no avião B – 29, batizado de Enola Gay, que decolou da base de Tinan. “O esquadrão que voaria para Hiroshima, arriscando suas vidas em nome dos Estados Unidos, de Deus e da Paz, compartilham a mesma crença dos japoneses que morreram e mataram durante a mesma guerra em nome de seu imperador, personificação de seu deus e de seu país. [...] O autoritarismo imposto àqueles que cumpriam ordens com excelência se dava por meio da ideologia de que lutavam por algo divino contra o mal e a favor da paz. (NAKAGAWA, 2014)
Segundo Nakagawa (2014), no dia 6 de agosto de 1945, às 8:15 h, um avião
norte americano, denominado Enola Gay deixa cair sobre a cidade de Hiroshima
a bomba de Urânio-235, com cerca de 15 kilotons (1 kiloton = 1.000 toneladas
de dinamite). Ela caiu por cerca de 43 segundos e explodiu nos ares a cerca de
600 metros de altura do solo, potencializando sua força destrutiva. A explosão
gerou uma grande bola de fogo, um minissol, emitindo uma luz intensa, muito
calor (cerca de 3.500°C no epicentro) e uma forte onda de choque. O rastro de
destruição se alastra por quilômetros, sendo destruição e incineração total num
raio de 2 km do epicentro da explosão, vitimando cerca de 80.000 mil vidas. Em
9 de agosto de 1945, a bomba de plutônio-239 com cerca de 20 kilotons, é
lançada sobre a cidade de Nagasaki, escolhida pelas condições climáticas
favoráveis. Semelhantemente à bomba de Urânio-235, foram vitimadas cerca de
70.000 vidas.
Milhares de pessoas morreram instantaneamente, outros milhares nas
primeiras horas e ainda milhares no tempo futuro, vítimas dos efeitos da radiação
sobre o organismo. A vitória americana e a rendição japonesa marcaram uma
nova era para a humanidade em termos de paz e guerra.
3.14.2 Acidente com Fonte de Cobalto – 60, México
Este acidente foi semelhante ao de Goiânia, ocorrera quatro anos antes, levando
as autoridades a preocupar-se no México e nos Estados Unidos.
Okuno (2007), relata que em 1983 uma fonte contendo 6.010
micrométricas pastilha de cobalto-60 proveniente de um aparelho de
radioterapia, em Juarez no México, foi levada para um ferro-velho onde foi
desmontado e separadas as suas partes. As sucatas foram levadas para duas
fundições no México e uma nos EUA para serem transformadas em barras de
35
aço. O material produzido e comercializado foi rastreado e recolhido. A atividade
dessa fonte era de 450 Ci.
[...] o aparelho foi levado de um depósito hospitalar a um ferro-velho, onde foi desmantelado, todas as pastilhas espalhadas. [...] Felizmente, nesse acidente não houve nenhuma morte, e em outubro de 1987, um rapaz, ainda jovem, trabalhador do ferro-velho, continuava estéril, e três mulheres irradiadas na época deram nascimento a crianças saudáveis. (OKUNO, 2007)
Tal situação decorreu diretamente do erro no descarte do equipamento
contendo a fonte de Cobalto-60, que não deveria estar em lugar desapropriado.
3.14.3 Acidente com Fonte de Césio – 137, Goiânia
No século passado, os brasileiros sentiram o drama do efeito radioativo
no coração do país, precisamente na cidade de Goiânia estado de Goiás. De
acordo com Okuno (2007), a “Sociedade Brasileira de Física formou uma
Comissão de Acompanhamento da Questão nuclear”, para apurar as
informações sobre esse acidente, agregando dados sobre causas e efeitos,
respostas que ficaram cargo da CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear).
O acidente em si, não foi de grandes proporções geográficas, mas as
perdas humanas tiveram grande significado e seu impacto pode ser sentido,
conforme os relatos a seguir:
No dia 1º de outubro de 1987, os brasileiros tomaram conhecimento de um
acidente radioativo ocorrido na cidade de Goiânia, Estado de Goiás, através
dos jornais. Um aparelho de radioterapia em desuso tinha sido levado no dia
13 de setembro por dois catadores de papel de um prédio abandonado e, 6 dias
depois, vendido a um ferro-velho. O acidente não teria sido tão trágico se a
fonte de Césio-137, um cilindro metálico de 3,6 cm de diâmetro por 3,0 cm de
altura, contida no aparelho, não tivesse sido violada. No interior do cilindro
havia pó de cloreto de césio empastilhado juntamente com um aglutinante e a
atividade da fonte, na época da violação, era de 1.375 curies.
No dia 13 de setembro um dos catadores de papel teve vômito que ele mesmo
atribuiu ao fato de ter comido manga com coco, e no dia 15 ele procurou
assistência médica por causa de queimaduras na mão e no braço. No dia 23,
esse rapaz foi internado no Hospital Santa Rita onde permaneceu durante 4
dias, quando foi transferido para o Hospital de Doenças Tropicais. O outro
catador de papel também teve vômitos no dia 13, e no dia 14 do mês seguinte
teve que amputar o antebraço direito.
Os dois catadores de papel venderam parte do equipamento por Cz$ 1.500,00,
no dia 19 de setembro, ao dono de um ferro-velho, que levou a maior parte da
fonte para a sala de sua casa no dia 21 de setembro. Uma luz azulada,
proveniente do misterioso pó contido na fonte, encantou as pessoas que a
36
violaram. O dono do ferro-velho distribuiu um pouco desse pó que parecia
purpurina a parentes e amigos, dando início à contaminação pelo césio–137 de
aproximadamente 250 pessoas e uma dezena de localidades. O dono do ferro-
velho afirmou em uma de suas primeiras entrevistas que esteve com a fonte
durante 8 dias.
Maria Gabriela, a esposa do dono do ferro-velho, teve a intuição de que o mal-
estar que seus familiares também passaram a sentir poderia ser devido ao
pedaço da fonte guardado dentro de sua casa. Auxiliada, então, por um dos
empregados do ferro-velho, levou o pedaço da fonte dentro de um saco
plástico, em um ônibus, para o Centro de Vigilância Sanitária, no dia 28 de
setembro, dizendo: “Meu povo está morrendo”. O médico do Centro, após
vários diagnósticos, solicitou a presença de um físico, desconfiando que os
sintomas descritos fossem consequência de contaminação por material
radioativo.
No dia 29 de setembro, às 15 horas, a Comissão Nacional de Energia Nuclear
(CNEN) foi avisada do acidente, logo após a confirmação da suspeita. O
diretor do Departamento de Instalações Nucleares da CNEN chegou à Goiânia
na madrugada do dia 30, juntamente com mais dois técnicos da CNEN,
acionando, a partir de então, um plano de emergência. No dia 1º de outubro,
seis pacientes foram enviados ao Hospital Naval Marcílio Dias no Rio e
Janeiro, e no dia 3, mais quatro.
A primeira vítima, Maria Gabriela Ferreira, com 37 anos de idade, que havia
entrado em contato com o césio-137 pela primeira vez no dia 21 de setembro,
quando foi examinada em um hospital porque estava com diarreia e vômitos,
morreu no dia 23 de outubro de 1987. No mesmo dia, horas mais tarde, foi a
vez de sua sobrinha, Leide das Neves Ferreira, uma menina e apenas 6 anos,
que passou a purpurina pelo corpo e ingeriu um pouco do pó de césio-137, ao
segurar o pão que comia com a mão contaminada, no dia 24 de setembro. Nos
dias 27 e 28 de outubro morreram, respectivamente, Israel Batista dos Santos
(22 anos) e Admilson Alves de Souza (18 anos), funcionários do ferro-velho,
que manusearam o equipamento no dia 19 de setembro (OKUNO, 2007. Pg.
1-3).”
Diferentemente do caso mexicano, o do Brasil produziu vítimas diretas e indiretas.
Mediante o trabalho realizado pela equipe do CNEN, meses depois todo material
contaminado havia sido removido e/ou confinado em túmulos de concreto. Os cidadãos
puderam voltar à vida normal, não havendo riscos para o ambiente e para as pessoas na
região próxima ao local do acidente.
3.14.4 Usina Nuclear de Windscale, Inglaterra
A usina nuclear de Windscale localizada no Reino Unido, possuía um reator com
núcleo de grafite e sistema de refrigeração a ar. O incêndio começou durante a operação
normal do reator, pelo superaquecimento do núcleo de grafite.
De acordo com Okuno (2007), foi em 1957, ao se tomar a medida dos níveis de
radiação, que foram detectadas anormalidades no reator militar nº 1 de Windscale. A
concentração de radionuclídeos estava 10 vezes maior que o normal. Houve a liberação
para atmosfera de cerca de 32.000 Ci de atividades. Os radionuclídeos liberados: Iodo: I
37
- 131 e Telúrio: Tl - 131.
Segundo Xavier et al (2007, pg 85), também foram liberados radionuclídeos de
césio-137. Os autores citam ainda que “felizmente, devido ao decaimento natural da
radiação depositada, a terra hoje não apresenta contaminação detectável”.
3.14.5 Usina Nuclear de The Miles Island - TMI, Estados Unidos
A usina nuclear de Three Mile Island está localizada no rio Susquehanna, na
Pensilvânia, EUA, próxima à capital Harrisburg. Neste acidente nuclear não houve
vítimas humanas e a quantidade de material liberado para a atmosfera foi pequeno, mas
suficiente para colocar as autoridades em alerta.
Segundo dados da Agência Internacional de Energia Atômica – AIEA (2018), A
usina conta com duas unidades de 900 MW com reatores a água pressurizada. O acidente
tem início por volta das 4:00 da manhã na quarta-feira, 28 de março de 1979, quando
ocorreu perda do abastecimento de água para os geradores de vapor. Devido a um erro de
manutenção, as válvulas de conexão entre as bombas e os geradores de vapor estavam
fechadas, mas deveriam abrir. A imagem mental que os operadores tinham da situação
não era real, mas as decisões e ações foram tomadas com base nessa imagem mental.
Como o sistema de resfriamento primário e do sistema de resfriamento do núcleo estavam
completamente desligados, isso levou o núcleo do reator a acumular grande quantidade
de calor causando a ebulição da água de resfriamento e, não havendo reposição de água
do sistema de resfriamento a temperatura do revestimento do núcleo chegou a 1300 °C.
Neste momento houve vazamento de produtos de fissão de combustível para o sistema
primário e de lá para a contenção. Finalmente foi declarado um estado de emergência.
Apesar da situação catastrófica e a significativa transferência de radioatividade para a
contenção, as consequências radiológicas imediatas na área circunvizinhas foram
minimizadas, observando-se que de fato a contenção cumpriu seu papel. O material
radioativo lançado no fora da contenção se deve ao fato de terem sido ligadas as bombas
de transferência, ainda que por curto espaço de tempo. Este lançamento foi estimado em
13 milhões de Curies de Xenônio e cerca de 10 Curies de Iodo, com consequências
limitadas.
Embora não tenham sido registradas doenças ou mortes devido a este acidente,
gerou grande preocupação em relação à segurança das usinas nucleares de
potência por parte do público norte-americano. Como resultado, nenhum novo
38
reator de potência foi instalado nos EUA desde este período. (XAVIER et al,
2007)
Vale considerar que o acidente nuclear de TMI se deu por falha operacional e
técnica, uma vez que os equipamentos apresentavam leituras falsas.
3.14.6 Usina Nuclear de Chernobyl, na Antiga União Soviética
O acidente ocorrido na usina nuclear de Chernobyl, pode ser considerado o
acidente de maior proporção da história das usinas nucleares de todo o mundo, uma vez
que suas consequências alcançaram proporções continentais, contando com uma grande
quantidade de material radioativo liberado para a atmosfera.
No ano de 1986, segundo Cardoso (2012), o reator nuclear a baixa potência da
usina de Chernobyl entrou em colapso logo após um superaquecimento. Testes eram
realizados sem que o sistema de segurança estivesse funcionando, o sistema de
refrigeração não foi suficiente para manter a refrigeração dos elementos combustíveis.
Helene (1996), afirma que a água do sistema de refrigeração na forma de vapor
vazou para o núcleo do reator, entrando em contato com o combustível superaquecido.
Houve a decomposição das moléculas de água liberando hidrogênio. Devido a interação
do hidrogênio em alta temperatura com o gás oxigênio, seguiu-se uma grande explosão
liberando imensa quantidade de poeira radioativa para a atmosfera.
Como se não bastasse, um grande incêndio se iniciou devido ao grafite
superaquecido que entra em combustão espontânea, contribuindo para emissão de
material radioativo para a atmosfera, semelhante ao que ocorreu na usina de Windscale,
visto que em Chernobyl houve uma grande explosão.
No acidente do reator número 4 da central nuclear de Chernobyl foram
liberados na atmosfera radionuclídeos com mais de 43 milhões de curies de
atividade, contaminando quase toda a Europa. Após o acidente, o prédio do
reator foi todo concretado e acabou transformando-se em um mausoléu.
Através de alimentos importados, as consequências desse acidente acabaram
também por nos atingir. (OKUNO, 2007) Mais de 40 radionuclídeos diferentes escaparam do reator em consequência
do incêndio nos primeiros 10 dias após o acidente, entre eles elementos e
compostos altamente voláteis, como iodo (I-131), sais de césio (Cs -137) e
estrôncio (Sr-90). Césio radioativo, com meia-vida de 30 anos, foi o isótopo
disperso mais perigoso, tendo contaminado uma região entre 125.000 e
146.000 km2. (XAVIER et al, 2007)
39
Mais uma vez podemos associar falha humana com falha de equipamentos, à
semelhança do acidente na usina de TMI, em Chernobyl a falha humana foi fator
limitante, diferenciando na proporção dos danos e das vítimas.
3.14.7 Usina Nuclear de Fukushima, Japão
Sabemos que o Japão é um país formado por inúmeras ilhas, e está situado na
linha de instabilidade, conhecida como linha de fogo do pacífico, sujeito a grandes
terremotos causados por abalos sísmicos na calha oceânica.
No ano de 2011, a costa japonesa foi atingida por uma sequência de ondas de
grande proporção - tsunami, que foram formadas por causa de um abalo sísmico ocorrido
a cerca de 30 Km abaixo da calha oceânica. A região na qual está localizada a usina de
Fukushima foi a que sofreu maior impacto devido aos estragos causados em suas
instalações.
Os danos causados pelos tsunami, de acordo com Cardoso (2012) e Schimidt
(2018), acarretaram falha no sistema de refrigeração dos reatores, o que causou fusão
parcial dos núcleos, expondo ao ambiente grande quantidade de material radioativo.
Schimidt (2018), chama a atenção para o fato de que “o acidente de Fukushima em
2011 acendeu o alerta quanto à segurança e à confiabilidade das usinas nucleares. Boa
parte dos países que usam a tecnologia reviram suas políticas de segurança.”
Por medida de segurança, de forma gradual, o Japão começou, a partir daquele episódio, a desligar seus reatores comerciais. Segundo a World Nuclear Association (WNA), em 2010, a energia nuclear correspondia a 29,2% da matriz energética do país, índice que caiu para 18,1% em 2011 e despencou para 2,1% em 2012; em 2013 caiu para 1,7%, até chegar a zero em 2014. Contudo, a queda gerou um déficit energético e o Japão precisou importar energia. (SCHIMIDT, 2018)
Considerando as ocorrências de acidentes em usinas nucleares pelo
mundo, podemos notar que o homem não está preparado para lidar com as
forças da natureza. No caso de Fukushima, mesmo tendo previsto terremotos
(neste caso chegou a 8,9 na Escala Richter) e tsunamis (ondas com mais de 10
metros de altura), não puderam prever suas proporções.
40
3.15 Aplicações da Física Nuclear
3.15.1 Medicina
Uma das áreas mais promissoras para a sociedade é a medicina, diretamente ligada
à área da saúde. É comum ouvirmos pessoas próximas e até mesmo noticiários que falem
sobre as aplicações da Física Nuclear na área médica.
A medicina nuclear é a área da medicina onde são utilizados os radioisótopos,
tanto em diagnósticos como em terapias.
De acordo com Cardoso e colaboradores (2018), os avanços na área da medicina
nuclear têm sido significativos, em especial na área de diagnósticos e terapias com
radioisótopos. Ao serem administrados aos pacientes, os radioisótopos se depositam em
tecidos específicos que são mapeados a partir das radiações emitidas.
São exemplos práticos desta aplicação.
Iodo-131 – utilizado para radiodiagnóstico da tireoide.
Tecnécio-99 – utilizado para obtenção de mapeamentos de órgãos como: rins,
cérebro, fígado-bílis, pulmões, ossos e placenta.
Samário-135 – utilizado como paliativo para dor.
Para diagnóstico de tireoide, o paciente ingere uma solução de Iodo–131, que
vai ser absorvido pela glândula. “Passando” um detector pela frente pescoço
do paciente, pode-se observar se o iodo foi muito ou pouco absorvido em
relação ao normal (padrão) e como se distribui na glândula. (CARDOSO,
2012)
A radioterapia utiliza a radiação no tratamento de tumores, baseando-se na
destruição do tumor pela absorção da energia da radiação. Esse método tem dado a muitos
pacientes melhor qualidade de vida e até mesmo a cura de tumores malignos.
A radioterapia teve origem na aplicação do elemento rádio pelo casal Curie,
para destruir células cancerosas, e foi inicialmente conhecida como
“Curieterapia”. Posteriormente, outros radioisótopos passaram a ser usados,
apresentando um maior rendimento.
Fontes radioativas (= fontes de radiação) de césio – 137 e cobalto – 60 são
usadas para destruir células de tumores, uma vez que estas são mais sensíveis
à radiação do que os tecidos normais (sãos). Um objeto ou o próprio corpo,
quando irradiado (exposto à radiação) por uma fonte radioativa, não fica
radioativo. (CARDOSO, 2012)
Gomes (2011, pg. 14), ao citar os procedimentos de radioterapia explica que:
1. Dá-se o nome de braquiterapia ao processo de inserção de isótopos radioativos
dentro do corpo do paciente, diretamente em contato com o tecido tumoral que vai receber
a radiação ionizante, mediante fontes seladas emissoras de raios gama ou beta, causando
41
o mínimo efeito colateral em órgãos e tecidos anexos à região irradiada. Para esse
tratamento podem ser utilizadas as fontes de Co60, Ra226, Cs137, Ir192 e Sr90.
2. Dá-se o nome de teleterapia ao processo de irradiação no qual o paciente é
submetido a uma fonte radioativa externa ao seu corpo. Tais como: aceleradores lineares
(AL), máquinas de raio-X e os equipamentos com fontes de radioativas (geralmente
Co60).
Quando um corpo é irradiado ele não se torna uma fonte radioativa. O que lança
por terra a crença infantil de podemos criar um incrível Hulk, que emana radiação gama,
ou mesmo um super-herói mutante. Tudo não passa de ficção.
3.15.2 Ciência - Datação por Carbono – 14.
A técnica de datação por carbono-14 (C-14) é utilizada para estimar a idade de
fósseis orgânicos, sendo a técnica mais divulgada nos meios de comunicação que muitas
vezes está acompanhada do termo arqueologia.
O C – 14 resulta da absorção contínua dos Nêutrons dos raios cósmicos pelos
átomos de nitrogênio nas altas camadas da atmosfera. Esse isótopo radioativo
do carbono se combina com o oxigênio, formando o CO2, que é absorvido pelas
plantas. Fósseis de madeira, papiros e animais contém C – 14, cuja meia-vida
é de 5.600 anos. Isso significa que, a cada 5.600 anos, a atividade do C – 14 é
reduzida à metade. Medindo-se a proporção de C – 14 que ainda existe nesses
materiais é possível saber a idade deles. (CARDOSO, 2012)
No método do carbono radioativo, a quantidade restante de nuclídeos P
(espécie atómica caracterizada pelo número de prótons, nêutrons e estado
energético do núcleo) é obtida medindo-se a atual taxa de atividade das
partículas-β, que é proporcional ao número de P. Este resultado é comparado
ao valor inicial de nuclídeos pais, P0, assim, o tempo t passado desde o início
do decaimento é calculado pela equação 𝑃 = 𝑃0𝑒-λ𝑡, onde e é o número
neperiano e equivale, aproximadamente, 2,72. (HAMADA, 2016)
De acordo com Xavier et al (2007) temos no Brasil, um importante laboratório de
datação por 14C, na cidade de Piracicaba, São Paulo. Localizado no CENA/USP, foi
implantado no início de 1990 e teve êxito com estudos de intercomparações de resultados
com laboratórios do Canadá e dos Estados Unidos.
Os equipamentos básicos para a datação das amostras constituem uma linha de
síntese para a transformação da amostra sólida em benzeno e três
espectrômetros de cintilação líquida de baixo nível de radiação de fundo para
as contagens do 14C natural. A principal linha de pesquisa deste laboratório
consiste na aplicação dos isótopos do carbono dos solos nos estudos de
paleovegetações, desde a região sul do Brasil até a região amazônica.
(XAVIER et al, 2007, pg. 89) Segundo Hamada (2016), as rochas não podem se datadas pela técnica do C-14,
sendo para isso empregadas outras técnicas como: Potássio/Argônio (K/Ar);
42
Argônio/Argônio (40Ar/39Ar) e, Urânio/Chumbo (U/Pb). Essas técnicas são bases para o
estudo da geocronologia.
Graças as aplicações da Física Nuclear podemos determinar a idade de coisas
antigas, sendo elas de origem orgânica ou não, bastando adaptar a técnica de acordo com
os casos específicos.
3.15.3 Indústria
As indústrias metalúrgicas de peças e estruturas utilizam-se da radiação gama para
verificar a existência de falhas, bolhas, rachaduras ou qualquer outra avaria que possa
comprometer a estrutura em questão.
Para a indústria a gamagrafia é um processo de grande importância pois, consiste
na impressão de radiação gama sobre peças metálicas no intuito de detectar falhas ou
fadigas nos lugares de maior esforço e nas soldas, explica Cardoso (2012), sendo que na
aviação, os pontos mais importantes são asas e turbinas.
O autor cita ainda que a utilização de radioisótopos pela indústria farmacêutica
deu origem à produção dos radiofármacos utilizados na medicina. E que a radiação gama
pode também ser utilizada no processo de esterilização industrial de produtos como: luvas
descartáveis, gaze, material cirúrgico e de consumo em hospitais.
A aplicação de radioisótopos é muito importante industrialmente pelo fato de
estar voltada a várias áreas diferentes, tais como desenvolvimento de processos
e irradiação com aceleradores industriais de elétrons e irradiadores gama,
radioesterilização, desinfestação e preservação de alimentos e produtos
agrícolas, beneficiamento e análise de pedras preciosas irradiadas, tratamento
de efluentes industriais e lixo hospitalar, desenvolvimento de irradiadores,
equipamentos e dispositivos de irradiação, desenvolvimento de detectores e
sensores de radiação, análise e caracterização de materiais poliméricos, cura,
reticulação, enxertia, processamento e desenvolvimento de novos materiais
poliméricos por meio de modificações induzidas pela radiação,
desenvolvimento de embalagens para alimentos processados por radiação,
desenvolvimento e produção de fontes radioativas para radioterapia, processo
de radioesterilização para banco de tecidos biológicos, aplicação de
radioisótopos na hidrologia e no controle de processos industriais, dosimetria
industrial, produção de fontes radioativas seladas para gamagrafia industrial,
entre outras atribuições. (XAVIER et al, 2007, pg. 90)
Sabemos que a preservação de alimentos por ionização pelo uso de radiação, pode
evitar a deterioração precoce, pois eliminando fungos, bactérias e outros microrganismos,
sem causar qualquer dano às pessoas que consumirem esses alimentos.
43
3.15.4 Agricultura
O metabolismo das plantas está relacionado com os elementos necessários para
seu desenvolvimento, que elas extraem do solo, absorvem do ar atmosférico ou pelo
contato das folhas, o que permite fazer um controle rigoroso e preciso desse processo.
Segundo Cardoso (2012) o mentalismo de uma planta pode ser estudado com a
utilização de traçadores radioativos, que são absorvidos palas raízes e pelas folhas. O
local onde se deposita do elemento na estrutura da planta, pode ser obtido através de uma
“radiografia da planta como um todo”.
Devido às infestações de certas pragas específicas das lavouras, é possível
determinar o tipo de traçador que será utilizado, que se deposite na raiz, no caule, nas
folhas ou nas flores e frutos, servindo assim ao proposito que leva ao inseto ou grupo de
insetos que se deseja estudar.
A análise de comportamento, metabolismo e hábito alimentar de um inseto pode
ser determinado a partir dos marcadores que foram administrados na planta, que por sua
vez foram ingeridos pelos insetos através da alimentação. Os radioisótopos ingeridos
emitem radiação detectável, permitindo assim a identificação de ninhos e locais de
aglomeração. Esse tipo de estudo pode ajudar ainda na eliminação de pragas nas lavouras,
uma vez que o uso de traçadores pode revelar o seu predador natural para determinado
inseto, permitindo assim um controle natural e ecologicamente viável.
3.15.5 Energia
A construção dos primeiros reatores nucleares teve como intuito a produção de
plutônio-239 para fabricação de bombas atômicas, como mencionado por Xavier et al
(2007, pg. 86). Hoje, a aplicação de maior significado no mundo pode ser a utilização dos
reatores nucleares para conversão da energia nuclear em energia elétrica.
“Fermi projetou o primeiro reator nuclear que funcionou satisfatoriamente em 2
de dezembro de 1942.” (HELENE, 1996). Na obtenção da energia nuclear, o isótopo de
urânio usado é o urânio-235. Para ser usado em certo tipo de reator nuclear, o urânio deve
ser enriquecido. Os isótopos do urânio encontrados na natureza têm abundância de 0,7%
de urânio-235 e 99,3% de urânio-238. Frequentemente o enriquecimento é de 4%, isto é,
4% de urânio-235 e 96% de urânio-238. Como nas usinas nucleares, a concentração de
urâno-235 e de apenas 4%, os reatores não explodem.
44
A usina de Angra I, tem capacidade de geração de 627 megawatts (1 megawatt
= 1 milhão de watts), o suficiente para iluminar a cidade do Rio de janeiro. O
reator de Angra I abriga material radioativo com atividade de cerca de 1 bilhão
de curies. (HELENE, 1996)
“Embora reatores nucleares gerem eletricidade por 25 a 40 anos, seu legado
radioativo permanecerá por centenas de milhares de anos.” (LENSSEN, 1992)
Um dos grandes problemas da utilização da energia nuclear para todas as nações,
são os resíduos produzidos no processo de fissão nuclear. Uma vez que podemos defender
a dificuldade de se armazenar e descartar o “lixo nuclear”, necessitamos mesmo é de
desenvolver de novas tecnologias para o reaproveitamento desse “resíduo radioativo”,
que possui ainda atividade possível de ser utilizada.
Não precisamos recorrer a literatura especializada, pesquisas ou estudos
aprofundados para perceber que há divergência entre cientistas e ambientalistas quanto à
instalação de centrais termonucleares, quer por interesses, quer por falta de conhecimento.
No Brasil, o espaço da energia nuclear encontra-se na pesquisa científica, nas
aplicações biomédicas, industriais e agrícolas – e na propulsão naval. Além
disso, em 1997 o Brasil aderiu ao tratado de Não Proliferação de Armas
Nucleares, renunciando a qualquer tipo de atividade relacionada à produção e
emprego da energia nuclear para fins bélicos. (CARVALHO, 2012)
Houve por parte do governo brasileiro, investimentos no setor nuclear para a
produção de energia elétrica.
No Brasil, o programa nuclear teve início em 1969, quando o governo assinou
contrato com a “NUS Corporation”, para assessoramento na implantação de
uma usina nuclear. Em junho de 1970, Furnas convidou empresas estrangeiras
para propor a instalação da nova usina nuclear e, no ano seguinte, os projetos
foram analisados. A usina de Angra l, do tipo água pressurizada, foi comprada
da Westinghouse (EUA), com capacidade de produção de 626 MW (5% da
capacidade instalada de Itaipu), sem haver transferência de tecnologia. A usina
foi instalada em Angra dos Reis na praia de Itaorna, que significa “pedra-
podre” em tupi-guarani. Angra I foi apelidada de “vagalume”, tal é a incidência
de problemas técnicos que obriga que seja desligada com uma frequência
maior que a normal. Em 1975, o Brasil assinou um acordo nuclear com a
Alemanha, através da Siemens. Previa-se, inicialmente, a construção de oito
usinas, com transferência de tecnologia. Apenas as obras de Angra ll e lll foram
iniciadas e somente a usina Angra II foi concluída. Angra II começou a operar
somente em 2000, após quase 20 anos de construção, a um custo de cerca de
US$ 10 bilhões. O Conselho Nacional de Política Energética (CNPE), através
da resolução nº 8 de 17 de Setembro de 2002, autorizou a Eletronuclear a adotar
as medidas necessárias à retomada do empreendimento de Angra III.
(XAVIER et al, 2007, pg. 87)
Segundo dados do Ministério de Minas e Energia (BRASIL, 2017), a Oferta
Interna de Energia – OIE, em 2016 ficou em torno de 288,3 milhões de toneladas
45
equivalentes de petróleo (tep). Desse total de energia aproximadamente 163,0 milhões de
tep, cerca de 56,5% equivalem às fontes não renováveis (petróleo e derivados, carvão e
derivados, urânio – U-308 e derivados entre outras fontes) e, 125,3 milhões de tep, cerca
de 43,5% equivalem às fontes renováveis (hidráulica e eletricidade, lenha e carvão
vegetal, derivados da cana de açúcar entre outras). Dentre as fontes não renováveis
podemos destacar a energia nuclear advinda da utilização do U-308, com 4,2 milhões de
tep, cerca de 1,5% do total ofertado. Tomando como referência apenas as fontes não
renováveis, a maior representação é o óleo com 64,6 %, sendo que a nuclear representa
apenas 2,6%.
Em relação à geração de energia elétrica, podemos perceber que a base
hidroelétrica corresponde à maior oferta do setor, com 380.911 GWh (61,5%), seguida
por gás natural (9,1%), importação (6,6%), bagaço de cana de açúcar (5,7%), eólica
(5,4%), carvão (2,7%), outras fontes renováveis (2,6%), nuclear 15.864 GWh (2,6%),
óleo (92,0%), outras fontes não renováveis (1,9%) e solar (0,014%). Dentre as fontes não
renováveis podemos destacar que a energia elétrica advinda do uso do urânio representa
14% da oferta.
Podemos observar que a energia liberada pelos núcleos atômicos, pode ser
utilizada para fins pacíficos em prol da humanidade, nas mais diversas áreas e que, o
desenvolvimento de novas tecnologias para aplicação e utilização dessa energia é apenas
uma questão de tempo, uma vez que estamos nos aproximando do primeiro centenário da
Física Nuclear.
46
Capítulo 4
Descrição do Produto
Foram elaborados sete folhetos sobre a Física Nuclear para serem utilizados na
roda de leitura com os alunos e um jogo de tabuleiro para que os alunos possam de forma
divertida testar seu aprendizado. Observamos que os folhetos, o jogo de tabuleiro e as
cartas do jogo se encontram em documento à parte deste trabalho, estando nos apêndices
A, B e C, apenas imagens ilustrativas.
4.1 Os Folhetos
Foram editados em: modelo – folheto informativo, tamanho - folha A4, formato –
pdf.
Contemplando de forma breve e objetiva os seguintes temas:
1. História da Física Nuclear.
2. Evolução dos Modelos Atômicos.
3. As Partículas Nucleares.
4. Notação e Terminologia.
5. O Átomo e a Energia Nuclear.
6. Erros e Acidentes da Física Nuclear.
7. Algumas Aplicações da Física Nuclear.
4.2 O Jogo - Mestre Nuclear
É composto de:
1. Um Tabuleiro de tamanho 60 cm x 60 cm, impresso em lona, para três
jogadores e um mestre da mesa (Mestre Nuclear).
2. 120 Cartas de perguntas sobre os temas dos folhetos. As cartas foram
editadas em tamanho 6 cm x 9 cm, sendo 4 cartas a cada folha A4.
3. 36 Cartas bônus, editadas em tamanho 6 cm x 9 cm, sendo 4 cartas a
cada folha A4. Elas se dividem em:
3.1. Avançar uma casa - 12 cartas.
3.2. Eu Respondo - 3 cartas.
47
3.3. Ajuda - 6 cartas.
3.4. Carta Bomba - 6 cartas.
3.5. Bloqueio de Carta Bomba - 6 cartas.
3.6. Neutralizar - 3 cartas.
4. 12 Cartas Bombas, editadas em tamanho 6 cm x 9 cm, sendo 4 cartas a
cada folha A4. Elas se dividem em:
4.1. Passou a Vez - 6 cartas.
4.2. Cartas Aprisionadas - 3 cartas.
4.3. Volte 1 casa - 3 cartas.
5. Instruções do jogo MESTRE NUCLEAR, editadas em folha A4, num
total de 3 páginas, apêndice D.
Observamos que os peões que se deslocam na trilha do jogo podem ser
providenciado de acordo a imaginação e disponibilidade de aquisição do professor. Neste
trabalho foram utilizadas tampas de pincel atômico, em cores diferentes – vermelho, preto
e azul.
Todo o material pode ser impresso em preto e branco sem que haja perda de
qualidade gráfica, caso o professor não disponha de condições para fazer uma impressão
colorida.
48
Capítulo 5
Relato da Aplicação do Produto
5.1 Aula Sobre Física Nuclear
Para introdução do conteúdo de Física Nuclear nas turmas de nono ano, se fez
necessário ministrar aula expositiva sobre o tema (plano de aula no apêndice E), com a
finalidade de direcionar os alunos no grande e parcialmente conhecido mundo da Física,
com a abordagem breve dos tópicos a serem trabalhado nos folhetos da Roda de Leitura
e nas perguntas do Jogo de Tabuleiro.
Nesta oportunidade também foram esclarecidas as etapas das atividades e seus
objetivos.
Verificou-se que os alunos têm grande interesse e especial curiosidade pelo
assunto da Física Nuclear, no tocante às catástrofes, acidentes, bomba nuclear, aplicações,
etc., e que eles também trazem consigo uma base de ideia sobre o assunto, sendo em
alguns casos com fundamentos e argumentos sólidos, mas em sua maioria superficial e
fictício (ideia cinematográfica/fantasiosa).
Percebeu-se também que durante a aula os alunos, como reflexo da sociedade, não
têm conhecimento dessa área de pesquisa e tecnologia e de suas aplicações em nosso país,
em nosso cotidiano, pensando tratar-se de algo do estrangeiro.
Figura 01. (Fonte do autor: Aulas de introdução à Física Nuclear nas turmas do nono ano, abordagem
histórica e contemporânea.)
49
5.2 Roda de Leitura
O ambiente para leitura foi organizado utilizando-se mesas de plástico com
cadeiras, toalhas para forrar as mesas, mural informativo, tabela periódica à disposição e
o próprio pátio para os alunos que preferissem uma leitura mais reservada, sentado sobre
a calçada. Buscou-se um ambiente modificado para que se tivesse maior conforto e
liberdade, diferindo do âmbito de sala de aula.
Figura 02. (Fonte do autor: Ambiente organizado para Roda de Leitura com as turmas do nono ano.)
Com o ambiente organizado e os folhetos sobre as mesas, cada aluno teve
oportunidade de escolher o folheto que iria começar a ler, sendo por aquele que lhe
chamasse primeiro a atenção ou não, lendo posteriormente os demais folhetos. Assim
todos os alunos tiveram a oportunidade e tempo para ler os sete folhetos, sendo observado
que o assunto contido em cada um deles seria importante para o próximo passo – o Jogo
de Tabuleiro.
Este trabalho não teve como objetivo a pesquisa qualitativa e quantitativa, sendo
os dados apresentados fruto da observação do professor mediador da metodologia.
Observou-se que cerca de 80% dos alunos se entregaram à leitura, sendo
diferenciada em cada grupo pela metodologia escolhida. Podemos citar:
Leitura individual – alguns alunos buscaram um canto mais reservado para
ler e optaram por não entrar em debate com os outros, achando ser o
melhor para a concentração e aprendizado.
Leitura compartilhada – um dos alunos iniciava a leitura e os demais ficava
como ouvinte, atento às informações e aos pontos para debate posterior,
mudado o leitor a cada tópico ou folheto escolhido.
50
Leitura coletiva com debate – os alunos de posse do mesmo folheto liam
e debatiam os pontos fortes simultaneamente, proporcionando, segundo
eles, uma melhor oportunidade para entender o que estavam lendo.
Durante a leitura individual ou conjunta, os alunos tiveram a oportunidade e a
necessidade de tirar dúvidas, uma vez que estavam adentrando a um campo de
conhecimento novo, totalmente desconhecido para alguns, valendo neste momento o
papel do professor quanto mediador da aprendizagem. Os alunos tiveram informações
adicionais no mural e na tabela periódica, cada grupo foi instruído a buscar e observar os
recursos disponíveis sempre que surgissem dúvidas.
Foi disponibilizada uma tabela periódica no pátio para que os alunos pudessem
consultar os elementos químicos e de forma interativa, identificar aqueles que eram
encontrados nos folhetos e que lhe chamavam a atenção. Eles investigaram
individualmente e também em grupos pequenos, debatendo e observando a organização
da tabela periódica e a posição dos elementos em famílias e períodos.
Figura 03. (Fonte do autor: Dinâmica da Roda de Leitura com as turmas do nono ano.)
51
5.3 Jogo de Tabuleiro – Mestre Nuclear
O material do jogo de tabuleiro foi produzido em cinco kits, para atender cinco
grupos de jogadores, num total de 20 alunos participando diretamente e os demais como
ajudadores para que não houvesse aluno disperso.
Os alunos foram organizados de forma que todos pudessem participar na
atividade. Um aluno, escolhido entre eles ficou como mestre do jogo, responsável por
fazer as perguntas e coordenar o andamento do jogo e, três alunos ficaram como jogadores
posicionados frente às três trilhas do tabuleiro. Os alunos que não estivessem participando
ativamente, ficariam como ajudante aos que estavam à frente do duelo, mediante carta
bônus de ajuda. Caso contrário ficariam em silêncio observando cada jogada e
aguardando a oportunidade de dar sua opinião.
52
Figura 04. (Fonte do autor: Aplicação do Jogo – Mestre Nuclear, para as turmas do nono ano.)
Percebemos que os alunos que começaram a jogar “meio que sem querer e um
pouco tímidos”, à medida que o jogo avançava começavam a participarem mais
ativamente. Era notória a satisfação de cada um deles ao acertar uma pergunta e avançar
para casa seguinte.
O tempo disponibilizado para a atividade do jogo foi equivalente ao de duas aulas
de 50 minutos, totalizando 01h40minh para a efetiva atividade. Após os primeiros 50
minutos de aula, percebeu-se que os alunos que estavam na posição de mestre queriam
participar ativamente como jogador. Eles pareciam desejar o direito de serem testados.
Houve então uma reordenação de jogadores em todos os grupos. Essa reordenação
incentivou os alunos ao desafio de serem jogadores e outros ao desafio de fazer as
perguntas e comandar as jogadas.
53
Capítulo 6 Relato de Experiência
Percebemos que ao abordar com os alunos um tema novo, pôde instigá-los ao livre
pensamento sobre o mundo que o cerca e o meio social que o rodeia. Haja vista que, todos
já ouviram falar sobre energia nuclear e/ou radiação, mesmo que nos hospitais, cinemas
ou TV.
A aula de Física Nuclear foi ministrada em 50 minutos, com a utilização de data
show para projeção de imagem e desenhos. Os alunos queriam participar ativamente,
dando testemunho, contando histórias que leram ou assistiram sobre o assunto. Ao
falarmos de acidentes com materiais radioativos, alguns queriam contar sobre sua
experiência de ter ido a Goiânia e ter passado próximo do local do acidente do Césio-137.
Ao falarmos de energia nuclear, alguns dos alunos queriam explicar sobre Hiroshima e
Nagasaki, falar dos 70 anos da bomba atômica.
Uma aluna chegou a relatar “que durante o intervalo de uma semana entre a aula
e a roda de leitura, ela assistiu vários vídeos e visitou vários sites da internet que
tratavam do assunto”.
Algo que chamou a atenção foi que os nossos alunos desconhecem a existência de
usinas termonucleares no Brasil. Fato que se estende à população e até mesmo aos colegas
professores. Visto que o projeto nuclear brasileiro não é divulgado na mídia comum,
circulando em sua maior parte em literatura específica como por exemplo, a revista Brasil
Nuclear, informativo da Associação Brasileira de Energia Nuclear.
Foi realizada uma parceria com os outros professores da disciplina de Física, das
turmas de nono ano do ensino fundamental, na aplicação do produto educacional. A
professora Josiany Castro auxiliou nas três etapas da aplicação do produto educacional
para duas turmas do turno vespertino e, o professor Gilvandro Santos, auxiliou na
ministração da aula e aplicou a Roda de Leitura e o Jogo de Tabuleiro, na turma do nono
ano matutino.
A parceria com tais professores foi fundamental para uma avaliação crítica da
metodologia utilizada para o ensino de Física Nuclear. As contribuições e relatos
favoráveis foram um grande incentivo para a utilização posterior de tais métodos de
ensino.
54
O professor Gilvandro Santos teve a oportunidade de aplicar o jogo – Mestre
Nuclear, na turma do nono ano matutino, na qual ele ministra a disciplina de Física.
Dentre outras observações, vale destacar o que foi dito pelo professor:
“Foi uma grande experiência poder participar deste projeto, a aplicação do jogo
foi legal, os alunos se divertiram, ocorreu tudo bem e alguns, gostaram tanto que jogaram
duas vezes seguidas”.
O professor destaca ainda que não houve dificuldade na organização dos grupos e
na aplicação das regras do jogo, pois estavam bem definidas e de fácil entendimento.
Os professores Gilvandro Santos e Josiany Castro, que participaram da aplicação
do produto, chegaram a pedir aos seus alunos que fizessem um relatório contando como
havia sido a experiência, que posteriormente seria contado como atividades para sua
disciplina. O material recebido pelos professores foi disponibilizado por eles para
enriquecimento deste trabalho, uma vez que não objetivamos a cobrança de testes,
questionários ou relatórios. Vale citar o que foi escrito por seis alunos:
Aluno 1.
“No dia 04 de dezembro de 2017, os professores aplicaram um jogo de tabuleiro
onde os alunos teriam que responder perguntas sobre física nuclear, que os alunos teriam
que responder para avançarem de casa e chegarem em seu destino final. Durante o
percurso os mesmos receberiam cartas que favoreceriam sua trajetória e atrapalharia a
ida de seus demais adversários. Aula bem educativa e divertida, espero repetir.”
Aluno 2.
“Em minha opinião achei um máximo e agradeço ao professor (...) e a todos os
responsáveis por se esforçarem tanto para nos ensinar dessa forma, que nos estimula a
querer saber mais.”
Aluno 3.
“Na aula tivemos uma introdução na sala de aula sobre o que é, e como funciona
a FÍSICA NUCLEAR e depois tivemos a oportunidade conhecer mais sobre a FÍSICA
NUCLEAR nos panfletos que foram distribuídos, para nos aprofundarmos nos
conhecimentos do assunto. Já no dia 4 de dezembro foi dado aos alunos um jogo de
tabuleiro com perguntas para avançar e chegar ao final, com o assunto só sobre FÍSICA
55
NUCLEAR além de nos divertir aprendemos muito sobre o assunto. Na minha opinião
foi muito bom aprender um pouco mais sobre física nuclear, agradeço aos professores
pela ação, que foi muito legal pois conheci um pouco sobre o assunto que acho muito
interessante.”
Aluno 4.
“Concluindo, tudo isso nos ajudou demais, fez com que eu (...), e meus colegas de
sala aprendêssemos mais o conteúdo de física de um maneira legal, extrovertida e
animada, talvez isso tenha despertado em alguns jovens a vontade de aprender mais.”
Aluno 5.
“Esse jogo, essa roda, foi muito bom, aprendemos muito nela, espero que no 1º
ano do ensino médio também tenha algo parecido.”
Aluno 6.
“No dia 28, foi o dia de jogar, o jogo era de tabuleiro de cartas. Tínhamos que
acertar as perguntas feitas na qual iriamos subindo de nível. Eu quase cheguei em
primeiro, com muita diversão aprendemos um pouco da física nuclear.”
56
Capítulo 7 Considerações Finais
O produto foi aplicado em três turmas de nono ano, sendo duas turmas do período
vespertino e uma turma do período matutino. Foi notória a participação ativa de mais de
85% dos alunos, considerando a concentração e o empenho durante a aula introdutória,
as atividades da roda de leitura e o momento esperado por todos - o Jogo. Assim pode-se
concluir que os objetivos com o produto foram atingidos com êxito e satisfação.
Percebeu-se que durante a aula expositiva os olhares estavam voltados ao
conteúdo novo, diferente, ainda pouco conhecido ou mesmo desconhecido. Foram
necessárias intervenções para que alguns alunos segurassem o entusiasmo, enquanto que
os outros estavam atentos às histórias a serem contadas.
O que mais chamou a atenção na roda de leitura, foi o fato de que alguns alunos
formaram grupos de preparo, fazendo leitura compartilhada e jogo de perguntas e
respostas sobre o assunto ora lido, no intuito de se prepararem para o jogo de tabuleiro.
Ainda que houvesse organização de grupos de leitura e debate, percebeu-se que cinco
alunos preferiram desenvolver a leitura de forma silenciosa e individual, colocando-se à
parte.
Durante o jogo de tabuleiro, percebeu-se que o medo de errar estava estampado
nas atitudes da maior parte dos alunos, ainda nos primeiros minutos. Observou-se que o
tempo de 140 minutos para o jogo se tornara de certa forma insuficiente, pois os alunos
queriam estar na posição de jogador e de mestre da mesa. Houve uma forma de incentivo
próprio logo que iniciaram a partida do jogo, os alunos que ora estavam temerosos,
demonstravam desejo de vencer e o mais importante da atividade, todos estavam atentos
às perguntas e se testavam quanto à resposta.
Mediante a ação, foi possível perceber que os alunos aprenderam ao ouvir as
perguntas, ao fazerem as perguntas e ao responderem as perguntas, quer acertando ou
errando. O erro não era mais um obstáculo, e sim, uma forma de aferir o conhecimento e
agora, não mais esquecer. O que fora percebido também pelo professor que nos auxiliou,
aplicando o produto na turma de nono ano do período matutino.
57
Muitos dos alunos vieram a comentar sobre as descobertas que fizeram a respeito
da Física Nuclear, no tocante ao cotidiano, em salas de hospitais, consultórios
odontológicos, tratamentos de radioterapia, entre outros. Fato que nos leva à defesa da
inserção do tema Física Nuclear no Nono Ano do Ensino Fundamental, como forma de
mostrar aos alunos, informações e conhecimentos úteis e importantes para a vida.
58
ANEXOS
59
Anexo – I. Tabela Periódica - 2017
Disponível em: www.tabelaperiodica.org
Acessado em: 19/09/2017.
60
Anexo – II. Séries Radioativas Naturais
(Adaptadas pelo autor - 2017)
61
APÊNDICES
62
Apêndice A: Folhetos
63
Apêndice B: Tabuleiro do jogo com exemplos de cartas bomba, bônus, perguntas e fichas de regras do jogo
64
Apêndice C: Modelo das cartas de perguntas, cartas bônus e cartas bombas.
65
Apêndice D: Plano de aula.
66
Apêndice E: Instruções do Jogo de Tabuleiro – Mestre Nuclear, e composição do produto.
67
68
69
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