fÍsica moderna: uma abordagem prÁtica · compreende à câmara de wilson, uma grande vantagem...
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CINTIA SCHMITH
FÍSICA MODERNA: UMA ABORDAGEM PRÁTICA
CANOAS, 2010
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CINTIA SCHMITH
FÍSICA MODERNA: UMA ABORDAGEM PRÁTICA
Trabalho de conclusão apresentado para a banca examinadora do curso de Física Licenciatura do Centro Universitário – Unilasalle, como exigência parcial para a obtenção do grau de licenciado em Física.
Orientação: Prof.. Me. Anderson Beatrici
CANOAS, 2010
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CINTIA SCHMITH
FÍSICA MODERNA: UMA ABORDAGEM PRÁTICA
Trabalho de conclusão aprovado como
requisito parcial para a obtenção do grau
de licenciada em Física pelo Centro
Universitário La Salle – Unilasalle.
Aprovada pelo avaliador
__________________________________
Prof°. Me. Anderson Beatrici
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Aos meus pais, Julio e Neusa, e aos meus
familiares e amigas (os), que foram eternos
incentivadores para minha conquista e
idealização.
5
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, padrinhos e familiares pelo constante apoio e
principalmente a minha mãe, Neusa.
As minhas amigas e amigos, que sempre me apoiaram para esta conquista.
Em especial: Caroline Briese, Fernanda Novo Machado, Patricia Vianna.
Ao professor Anderson Beatrici, orientador desta ilustre monografia, pela
compreensão, colaboração, paciência e confiança.
A Deus, por ter me imposto este objetivo e de forma direta ou indireta
colaborou para a obtenção desta habilitação, e também por ter me garantido a
presença de todos citados acima para que hoje eu pudesse agradecê-los.
6
“Mesmo que se compreenda que o significado de um
conceito jamais será definido com precisão absoluta,
alguns conceitos são parte integrante dos métodos da
ciência, pelo fato de representarem, pelo menos por
algum tempo, o resultado final do desenvolvimento do
pensamento humano desde um passado assaz remoto;
eles podem mesmo ter sido herdados e são, qualquer
que seja o caso, instrumentos indispensáveis na
execução do trabalho científico em nosso tempo.”
(Werner Heisenberg)
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RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo focar na atividade experimental no
aprendizado de Física no Ensino Médio, o qual consiste basicamente em aulas
expositivas. De forma que, possa-se inovar a metodologia de ensino, desmistificando
a Física Moderna de forma sistemática para um bom rendimento disciplinar.
Em evidência a contextualização do módulo de ensino e aprendizagem no âmbito
escolar, com ênfase na Física Moderna, na construção de uma câmera de neblina
com o objetivo de visualizar os raios cósmicos e partículas elementares.
Palavras-chave: Abordagem experimental. Física Nuclear. Câmara de
neblina/Wilson.
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ABSTRACT
This paper aims at focusing on experimental activities when learning Physics in High
School, since nowadays the classes are basically lectured. Thus, the objective is to
provide an innovative teaching method demystifying Modern Physics in a systematic
way so that students have a better school performance. Another objective is to
contextualize teaching and learning at school, emphasizing Modern Physics in order
to build a mist chamber to visualize cosmic rays and elementary particles.
Key words: Experimental Approach. Nuclear Physics. Cloud Chamber/Wilson.
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO............................................................................................................................. 10
1.1 Contextualização .................................................................................................................... 11
1.2 Definição Do Problema .......................................................................................................... 11
1.3 Objetivos ................................................................................................................................. 11
1.3.1 Geral...................................................................................................................................... 11
1.3.2 Específicos ............................................................................................................................ 12
1.4 Hipótese ................................................................................................................................. 12
1.5 Relevância Do Estudo .......................................................................................................... 12
2 REFERÊNCIA TEÓRICO – PARTE 1 ........................................................................................ 14
2.1 Física Nuclear ......................................................................................................................... 14
2.2 Particular Fundamentais (Elementares) ............................................................................. 16
2.2.1 Átomo ..................................................................................................................................... 16
2.2.2 A descoberta do elétron ........................................................................................................ 22
2.2.3 A descoberta do próton....................................................................................................... 22
2.2.4 A descoberta do nêutron ...................................................................................................... 23
2.2.5 A descoberta do Raio X....................................................................................................... 24
3 REFERENCIAL TEÓRICO – PARTE 2 ..................................................................................... 27
3.1 Câmara De Neblina ................................................................................................................. 27
3.1.1 Câmara de neblina simplificada............................................................................................ 28
3.1.1.1 .Montagem para realização de experimento..................................................................... 31
3.1.1.2 Resultados .. .................................................................................................................... 32
3.1.2 Radiação alfa (α)................................................................................................................... 34
3.1.3 Radiação beta (β)................................................................................................................. 35
3.1.4 Radiação gama (γ)............................................................................................................... 35
3.1.5 Premio Nobel ........................................................................................................................ 36
4 METODOLOGIA ......................................................................................................................... 37
4.1 Experimento Em Laboratório .................................................................................................. 37
5 CONCLUSÃO ............................................................................................................................... 55
REFERÊNCIAS................................................................................................................................ 57
ANEXO A – Modelos atômicos ......................................................................................................
. 60
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1 INTRODUÇÃO
A Física Moderna constitui uma das grandes conquistas da humanidade seja
na compreensão da natureza seja na compreensão do próprio ser humano. Não
obstante, já ser de conhecimento teórico e prático na formação acadêmica de
professores e pesquisadores especialmente na área da Física, sua apresentação e
demonstração prática para alunos dos ensinos médio e fundamental, ainda é de
difícil adaptação.
Em geral equipamentos que propiciam a “visualização” dessas temáticas são
por vezes muito complexos e muitíssimos caros. Demonstrações com uso de LEDs,
LASERs e outros, são baratos e de fácil montagem mas na compreensão dos
fenômenos acabam por ser apenas experimentos belos mas sem conectividade
direta com o real efeito que pretendem apresentar, tratando-se assim apenas de
uma representação genérica.
Contadores tipo “Geiger-Müller” também ficam no campo das luzes e sons
indicando a presença de algo ainda invisível.
Dentro da Física Nuclear e de Partículas, os experimentos que não são
perigosos e demonstram os fenômenos de emissão de radiação, partículas e
algumas de suas propriedades, dos experimentos relacionados se destaca a câmara
de nuvens (de neblina ou de Wilson). Esse experimento é de construção
relativamente fácil, e trás ao aluno uma visão da trajetória de partículas, dando a
sensação de realmente se “ver” a partícula transitando. Com alguns
aprimoramentos, como inclusão de campos magnéticos ao “redor” da câmara,
podemos até observar o comportamento das partículas de forma que oriente com ou
sem carga elétrica. Essa variedade, simplicidade e segurança na realização
compreende à câmara de Wilson, uma grande vantagem sobre outros experimentos
relativos à Física Moderna, especialmente à Física Nuclear.
Para tal nesse trabalho discutiremos como esse dispositivo particular pode ser
inserido no ensino médio.
11
1.1 Contextualização
Tornar claro o fenômeno dos raios cósmicos, emissão de partículas, efeitos de
carga elétrica entre outros, através da construção da câmera de neblina, de acordo
com o modelo de Charles Wilson, na forma simplificada.
1.2 Definição Do Problema
No ensino escolar, nota-se que os estudantes têm dificuldade de aprender ao
se deparar com o conteúdo apresentado. Será que a construção deste experimento
terá sucesso e tão logo idealizará na compreensão da disciplina de Física para o
aprendizado?
1.3 Objetivos
A seguir serão descritos os objetivos a serem desenvolvidos no presente
estudo.
1.3.1 Geral
Construir uma câmera de neblina funcional com materiais simples, para provar
mediante raciocínio concludente a existência de partículas elementares e até mesmo
dos raios cósmicos.
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1.3.2 Específicos
- Visualização dos raios cósmicos.
- Reconhecer a carga das partículas.
- Abranger os conceitos Físicos da Física Moderna.
- Verificar a exposição dos estudantes perante a diversidade no ensino-
aprendizagem.
1.4 Hipótese
Quando utilizada outra modalidade de exposição de um conteúdo, a
aprendizagem do conhecimento por parte dos estudantes, bem como a percepção
da importância do referido conteúdo será mais positivo, ou seja, haverá um melhor
aproveitamento do estudo e aprendizagem.
1.5 Relevância Do Estudo
Observa-se que no âmbito escolar, alunos do ensino médio têm certo
embaraço em compreender alguns conhecimentos. Portanto, se faz necessário
associar as aulas teórico-expositivas a aulas práticas para que os alunos possam ter
uma melhor compreensão dos fenômenos da natureza e acontecimentos do
cotidiano.
Através de uma abordagem prática, viabilizar o esclarecimento da Física
Moderna. Dessa forma pretende-se que haja uma melhor percepção do conteúdo e
gerando uma maior atenção no objeto de estudo, que às vezes não se é percebida
pela falta de interesse e maturidade. Possibilitando também um estimulo para que os
estudantes possam compreender tal importância do aprendizado de Física e seus
conteúdos abordados, assim como cita do PCN:
13
Não se trata de apresentar ao jovem a Física para que ele simplesmente seja informado de sua existência, mas para que esse conhecimento se transforme em uma ferramenta a mais em suas formas de pensar e agir.” (BRASIL, 2007, p.6)
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2 REFERENCIAL TEÓRICO – PARTE 1
2.1 Física Nuclear
É a ciência que estuda o núcleo do átomo.
A física nuclear, também conhecida como física de alta energia, desde os
primórdios do século XX tem causado muita expectativa para a sociedade, tanto de
forma benéfica quanto desfavorável.
Dentro desta ciência temos a descoberta dos Raios X, reatores nucleares,
dinamite, cura de certos cânceres, vazamentos radioativos, entre outras. Os quais a
sociedade deveria saber filtrar as informações antes de julgar qualquer estudo, de
consolidar qualquer pré-conceito.
Todo o modelo atômico moderno é composto por um núcleo, o qual é
constituído de nêutrons e prótons, chamado genericamente de núcleo, imerso numa
“nuvem” de elétrons. Nos átomos neutros o número de prótons é sempre igual ao de
elétrons. A instabilidade e estabilidade de um núcleo são determinadas pelas forças
de atração nuclear (próton-próton, nêutron-nêutron e próton-nêutron) e de repulsão
elétrica (próton-próton). Os núcleos “decaem” por instabilidade dessas forças por
causas internas e/ou externas. Isso é amplamente reconhecido, pois se transformam
em outras estruturas espontaneamente ou por interação de diversas formas de
decaimentos.
As reações nucleares podem ocorrer por fissão e fusão. A fissão, descoberta
em 1938, normalmente ocorre por um “choque” de um nêutron com um núcleo
instável, e logo originam-se fragmentos de massas comparáveis a do núcleo original
ou de forma espontânea em núcleos instáveis.
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Figura 1 – Fissão Nuclear Fonte: Carvalho; 2010.
Já a fusão se dá pela união de núcleos mais leves (como, por exemplo, o
Hidrogénio, o Hélio, o Deutério ou o Trítio) gerando assim novos elementos, com um
núcleo maior, mais pesado.
Figura 2 – Fusão Nuclear
Fonte: Carvalho; Fonseca, 2010
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2.2 Partículas Fundamentais (Elementares)
Há pelo menos 2500 anos os cientistas e filósofos se questionam sobre a
constituição do mundo. Não podemos ainda considerar que temos uma resposta
definitiva, mas que temos bastantes estudos para tentar dirimir parte desta
curiosidade.
Estudos mostram que o mundo é constituído de partículas fundamentais
(quarks, léptons e bósons). Já Demócrito e Lucious acreditavam que a matéria era
constituída por átomos, o qual esta idéia foi aceita desde 400 a.C. até 1804, até que
o cientista John Dalton afirmou que qualquer elemento é constituído por átomos.
2.2.1 Átomo
Átomo, palavra de origem grega, que significa indivisível.
Átomos são considerados partículas indivisíveis, a menor parte da matéria. O
núcleo do átomo é constituído de elétrons (carga negativa), prótons (carga positiva)
e nêutrons (desprovidos de carga, neutro). O número de prótons é sempre igual ao
de elétrons, no núcleo de um átomo, tornando assim o átomo eletricamente neutro.
Figura 3 – Átomo Fonte: Lifesciencereality, 2010.
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As primeiras descobertas do átomo se deram por volta de 400 a.C. , e que
competem até os dias de hoje. (Anexo A – modelo atômico).
De acordo com Demócrito de Abdera (460-370 a.C.), o átomo era uma matéria
constituída por poucas partículas invisíveis, que a forma era de acordo com o átomo
envolvido. Se fosse de aço teria formato de ganhos, se fosse de água seriam lisos e
escorregadios, e assim por diante.
Figura 4 – Demócrito de Abdera Fonte: Freitas, 2010.
“Nada existe além de átomos e vazio; tudo mais é opinião.” (Demócrito.
p.7.Física moderna, origens clássicas e fundamentos quânticos.
Logo John Dalton (1766-1844), descrevia o átomo com as características de
uma “bola de bilhar”, pois toda matéria era formada por minúsculas partículas
maciças, neutras e indivisíveis. Com número finito de átomos na natureza.
Figura 5 – John Dalton Fonte: Wikispaces, 2010
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“As partículas últimas de todos os corpos homogêneos são perfeitamente
semelhantes em peso, forma etc. Em outras palavras, toda partícula de água é como
qualquer outra partícula de água; toda partícula de hidrogênio é como qualquer outra
partícula de hidrogênio [...].” p.35. Física moderna, origens clássicas e fundamentos
quânticos.
Segundo Joseph John Thomson (1856-1940), em 1904 idealizou que seu
modelo atômico era divisível, de forma esférica, distribuído de carga positiva e
negativa, de forma que pela sua quantidade ser por igual, tornava um sistema nulo.
Logo, este modelo ficou conhecido como “pudin de passas”. De acordo, com a teoria
eletromagnética clássica, partículas em movimento com carga elétrica geram
radiação eletromagnética, e o seu modelo também exigia a mesma movimentação
com a mesma freqüência a das raias dos espectros atômicos. Mas com esta teoria
em questão, não se pode considerar que é um sistema estável, que a interação é de
natureza eletromagnética. E nenhum estudo compreende que a configuração do
elétron para um átomo, atende as freqüências esperadas. Assim, o modelo de
Thomson foi substituído pelo modelo de Rutherford.
Figura 6 – Joseph John Thomson Fonte: Wikipedia, 2010.
Em 1911, Ernest Rutherford (1871-1937), físico britânico, efetuou muitos
experimentos, dentre eles a descoberta de que o átomo é formado por um
insignificante núcleo positivo rodeado por uma região abundantemente mais extensa
espalhado de carga negativa, ou seja elétrons. O qual o átomo era praticamente
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composto por vácuo. Com estas interpretações, se nomeou este modelo como
“Planetário”.
Rutherford realizou a “experiência de dispersão” para obtenção das
descobertas sobre a disposição do átomo e dela surgiu seu modelo. Ele
bombardeou uma “lâmina” muito fina de ouro com partículas alfa, mas a maioria
atravessou esta lâmina, outras mudaram de direção e outras rebateram, logo
deduziu que isso acontecia porque o átomo de ouro possui um denso núcleo que
bloqueia a passagem de algumas partículas. Mas a experiência de Rutherford
também continha falha, pois também pela teoria eletromagnética mencionada
anteriormente, uma partícula com carga elétrica acelerada origina uma onda
eletromagnética. Logo, o elétron se submete a uma aceleração centrípeta, e emiti
uma energia na forma de onda eletromagnética. Então, pelo Principio da
Conservação da Energia, o elétron perde energia cinética e potencial, caindo
sucessivamente sobre o núcleo, e isto não ocorre na prática.
Figura 7 - Experimento de Rutherford
Fonte: Brasilescola, 2010
O átomo de Rutherford definia bem a natureza elétrica da matéria. No entanto,
não conseguia explicar a existência de espectros descontínuos de emissão. Logo a
explicação foi dada por Niels Bohr.
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Figura 8 – Ernest Rutherford Fonte: Davebruns, 2010
Niels Henrik David Bohr (1885-1962), Físico dinamarquês, assemelhou o
modelo do átomo com um sistema solar, em que o núcleo positivo equivalia ao Sol, e
o elétron como um planeta ao ser colocado na sua órbita. De forma que enquanto é
atraído pela força da gravidade para o Sol, e pela força da eletricidade o elétron era
atraído para o núcleo. Em vista de muitas pesquisas, Niels afirma que o elétron
existia apenas em certas órbitas, certo disto, contrariava as Leis de Newton e assim
Bohr afirmava que o elétron irradiaria ou absorveria energia, quando se movesse
das órbitas. Estas órbitas haviam sido definidas por camadas ou níveis, e a cada
uma destas atribuída uma letra (K, L, M, N, O, P, Q), reconhecido assim como “O
modelo de Bohr”.
Figura 9 – Modelo de Bohr Fonte: Silva, 2010.
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Figura 10 – Niels Bohr Fonte: Webgccunyedu, 2010
O modelo de Bohr foi “modificado” por Arnold Sommerfeld (1868-1951), que
reconheceu a existência de órbitas elípticas, que divide os níveis em subníveis, que
elimina o declínio do elétron como ocorria no modelo de Bohr, acrescentando assim
outros números quânticos.
Figura 11 – Arnold Sommerfeld Fonte: Owpdb, 2010.
Foi considerado que a matéria era constituída por átomos osciladores, logo que
estes átomos são definidos pela matéria no seu estado físico, ou seja, gases.
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2.2.2 A descoberta do elétron
Constatou-se no final do século XIX que os átomos não são indivisíveis. Em
1887, o elétron foi descoberto em uma experiência realizada pelo físico britânico,
John Joseph Thomson enquanto estudava os raios catódicos, de que os átomos
possuíam estrutura interna.
Os raios catódicos, hoje são conhecidos como elétrons, os quais ele identificou
de forma que são constituídos de partículas muito menores que o átomo e possuem
carga elétrica negativa.
No decorrer dos tempos outra idéia de modelo do elétron foi em 1902 pelo
Físico alemão Max Abraham, que relatava que o elétron parecia uma esfera rígida
com distribuição de carga esfericamente simétrica, e esta idéia foi considerada por
muito tempo, até que a Teoria Quântica Relativística descrevesse o elétron.
O elétron, do grego elektro. A carga do elétron é de -1,602 ×10-19 C, e a sua
massa é de 9,109 ×10-31 kg.
2.2.3 A descoberta do próton
Com certa alteração no tubo dos raios catódicos1, Eugene Goldstein em 1886,
afirmou o conhecimento de outra partícula, muito mais pesada que o elétron, porém
de carga elétrica positiva.
Em 1886, Eugen Goldstein, utilizando um cátodo perfurado em ampolas semelhantes à de Crookes, contendo gás a baixa pressão (0,1 mmHg aproximadamente), pôde observar um foco luminoso surgir atrás do cátodo, vindo da direção do ânodo. Goldstein denominou esse fluxo de raios anódicos ou raios canais. Os raios canais possuem carga elétrica positiva. Eles são desviados para a placa negativa na presença de um campo elétrico externo à ampola. De todos os gases empregados nas experiências, o hidrogênio era o que produzia raios canais com a menor massa e o menor desvio no campo elétrico. A essa parte elementar dos raios canais chamou-se próton.
1 Raios catódicos possuem massa, caminham em linha reta, possuem carga negativa
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Figura 12 – Eugen Goldstein Fonte: Memberschello, 2010
2.2.4 A descoberta do nêutron
Partícula elementar, não carregada, que tem massa quase igual a do próton e
se encontra em todos os núcleos atômicos conhecidos, com exceção do núcleo de
hidrogênio.
Em 1932, foi descoberto o nêutron por James Chadwick (1891-1974), pela
conservação da quantidade de movimento. Mas doze anos antes Rutherford já tinha
previsto essa partícula.
Figura 13 – James Chadwick Fonte: Wired, 2010.
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Num acelerador de partículas subatômicas, a partícula alfa , que é o núcleo do átomo de hélio, com dois prótons e dois nêutrons e número de massa quatro (4), é lançada contra o núcleo do átomo de berílio, com quatro prótons e cinco nêutrons e número de massa nove (9). Na colisão o átomo de berílio adiciona a partícula alfa e transmuta-se no elemento químico carbono, com seis prótons e sete nêutrons, número de massa treze (13) e que por ser instável, elimina um nêutrons e transmuta-se no carbono estável de número de massa doze (12). O nêutron eliminado, ao atravessar um campo elétrico, não sofre desvio, permitindo concluir que o nêutron é uma partícula que não possui carga elétrica, mas que possui massa praticamente igual a do próton” (VIRTUALQUIMICA, 2010)
Figura 14 Fonte: Virtualquimica, 2010
2.2.5 A descoberta do Raio X
Foi por acaso que Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923), descobriu o Raio X,
estudando descargas elétricas em gases menos densos e ampolas de Crookes.
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Figura 15 – Wilhelm Conrad Roentgen Fonte: Nautilus, 2010.
Conforme descreve no site da e-fisica:
Ele tinha uma ampola de Crookes encerrada em uma caixa de papelão, e alimentada por uma bobina de Rumkhorff. Com o conjunto em um quarto escuro, ele observou que, quando o tubo funcionava, se produzia fluorescência num cartão pintado com platino-cianureto de bário. A fluorescência era observada quer estivesse voltada para o tubo a face do cartão pintada com platino cianureto de bário, quer a face oposta, e até com este cartão afastado a dois metros do tubo. A fluorescência não era causada pelos raios catódicos, pois estes não atravessam o vidro do tubo. Roentgen observou a seguir que o agente causador da fluorescência se originava na parede do tubo de Crookes, no ponto onde os raios catódicos encontravam essa parede. Não sabendo do que se tratava, Roentgen chamou raio X a esse agente. Raios X são produzidos todas as vezes que elétrons encontram um obstáculo. Na experiência de Roentgen, eles eram produzidos quando os elétrons encontravam a parede do tubo. (EFISICA, 2010).
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Figura 16 Fonte: Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada.
Portanto se conclui que a formação do Raio X se origina na forma mencionada
que:
[...] os elétrons emitidos pelo catodo são fortemente atraídos pelo anodo, e chegam a este com grande energia cinética. Chocando-se com o anodo, eles perdem a energia cinética, e cedem energia aos elétrons que estão nos átomos do anodo. Estes elétrons são então acelerados. E acelerados, emitem ondas eletromagnéticas que são os raios X. (EFISICA, 2010).
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3 REFERENCIAL TEÓRICO – PARTE 2
3.1 Câmara De Neblina
Conhecida também por Câmera de Wilson, pois sua “criação” foi realizada por
Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959), e considerada hoje como um dos
melhores exemplos de captura dos raios cósmicos daquela época.
Figura 17 – Charles Thomson Rees Wilson Fonte: Sabersapo., 2010
O princípio da câmara de neblina faz observar a trajetória das partículas
emitidas por uma fonte radioativa (exemplo: Urânio, Rádio, Tório e outros).
Wilson, que trabalhava como observador meteorológico, e por volta do século
XIX começou observar os fenômenos de interação da luz do sol com a neblina.
Vejamos como menciona José Maria Bassalo nas “Curiosidades da Física -
(SEARA)”:
[...] Trabalhando no Cavendish Laboratory da Universidade de Cambridge, na Inglaterra, Wilson fez um estudo intensivo da conduta de íons nos gases, já que, como meteorologista, seu principal objeto de trabalho eram as nuvens. Pois bem, tentando duplicar o efeito de certas nuvens em picos de montanhas, ele idealizou uma maneira de expandir ar úmido em recipientes fechados. Observou, então, que a expansão esfriava o ar de modo que ele se tornava supersaturado, e a umidade se condensava sobre partículas de pó. Daí,teve a idéia de que se um feixe de partículas carregadas atravessasse um vapor super-resfriado, este se condensaria em gotículas de líquido em torno daquelas partículas, razão pela qual esse dispositivo
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passou a ser conhecido como câmara de névoa ou câmara de Wilson . (SEARADACIENCIA, 2010)
Figura 17 – Primeira Câmara de Neblinas feita por Wilson Fonte: Lunazzi; Manoel; Shibuya, 2010
3.1.1 Câmara de neblina simplificada
A montagem de uma câmara de neblina simplificada explora as origens da
Física Moderna, de forma simples com as mesmas teorias utilizadas por Wilson, de
modo que podemos então observar a Física das Partículas.
Podemos mencionar como exemplo, a forma como foi apresentada por João
Paulo Pitelli Manoel (Construção e demonstração do funcionamento de uma câmara
de neblinas simplificada. p.7) :
Na câmara de neblinas simplificada, é utilizado vapor de álcool, ao invés de vapor d’água, e o estágio de supersaturação desse vapor, é atingido através de um gradiente de temperatura, entre a base e o topo da câmara. O vapor de álcool é liberado por um feltro na parte superior da câmara, que se encontra a temperatura ambiente. A base é constituída de uma placa de cobre, resfriada através de um tubo de cobre, soldado a ela, e imerso em uma garrafa térmica cheia de nitrogênio líquido, ou gelo seco e álcool. Para o gelo seco, uma diferença de temperatura de aproximadamente 75 ºC é estabelecida entre a base e o topo da câmara, enquanto que, para o nitrogênio líquido, a diferença é de aproximadamente 215 ºC. Em ambos os casos, a parte inferior da câmara entra em um estágio de saturação do
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vapor de álcool, com uma quantidade muito menor do que a que está sendo liberada pelo feltro, que se encontra em uma região com uma temperatura maior (ambiente) e, conseqüentemente, com uma pressão de vapor também maior. Cria-se assim um estágio de supersaturação do vapor de álcool na base da câmara. Logicamente, as partículas de poeira devem ser eliminadas e, para isso, atritasse o plástico que constitui o teto da câmara, com um pano, criando uma diferença de potencial entre a base e o topo da câmara, eliminando em parte as partículas de poeira carregadas, presentes no interior da câmara. Dessa forma, todas as condições criadas por Wilson, originalmente em sua câmara, são atingidas e, traços de partículas ionizantes, podem ser vistos. (LUNAZZI; MANOEL; SHIBUYA, 2010)
Deste modo, os rastros que vemos na câmara são originadas das moléculas do
álcool, do mesmo modo que as gotículas de água se condensam nas nuvens, por
isto a origem também de “câmara de nuvens”. Uma partícula subatômica sai em
linha reta ao ser lançada por um material radioativo. Ao atravessar por alguma
molécula de álcool ou ar, esta partícula pode despegar um ou mais elétrons, e desta
forma acarretando a ionização desta partícula. Os íons formados atraem as
moléculas de vapor mais próximas, condensando-as na mesma aparência de
gotículas minúsculas. Os quais os rastros destas gotículas que indicam o
espalhamento da luz e formam o rastro pelo qual passou a devida partícula
subatômica.
Figura 18 – Câmara de neblinas simplificada Fonte: Searadaciencia, 2010.
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Figura 19 – Câmara de neblinas simplificada Fonte: Lunazzi; Manoel; Shibuya, 2010.
Figura 20 – Câmara de neblinas simplificada Fonte: Lunazzi; Manoel; Shibuya, 2010.
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Figura 21 – Câmara de neblinas simplificada Fonte: Lunazzi; Manoel; Shibuya, 2010.
Conforme demonstrado nas figuras acima, Wilson conseguiu expor sua câmera
as fontes de radiação como Alfa – α (núcleo de Hélio), Beta – β (elétron) e raios-X
(fóton).
Como fonte de curiosidade, podemos colocar próximo a câmara um forte imã
que fará desviar a trajetória das partículas, e com isto é possível descobrir o sinal (+
ou -) da carga da partícula e sua proporção de massa.
3.1.1.1 Montagem para realização do experimento
Cortou-se, de forma circular com 6,7cm de diâmetro, uma placa de cobre de 0,5 mm de espessura. Um tubo do mesmo material, com diâmetro de 1,5cm e 12,5 cm de comprimento, foi soldado à placa. O tubo de cobre foi então aquecido na chama de um bico de Bunsen2, sendo em seguida, introduzido no centro da base de um recipiente plástico com as seguintes dimensões: 7,4cm de diâmetro, altura de 5,5cm e espessura de 1mm. Perfurou-se, com uma broca, o centro da tampa de uma garrafa térmica de modo que o furo ficasse um pouco menor que o diâmetro do tubo de cobre. Um pequeno orifício, feito também com uma broca, foi feito entre o furo central e a borda da tampa, para servir de escape para os gases liberados dentro da garrafa. O tubo de cobre, já acoplado ao recipiente, foi introduzido no furo central da tampa da garrafa térmica, formando uma só peça: tubo soldado à placa + recipiente plástico + tampa. A tampa da câmara é um plástico quadrado transparente, com 15 cm de lado e 2mm de espessura. O álcool utilizado é o metanol, por ser extremamente volátil.
2 É utilizado nos laboratórios como fonte de calor para diversas finalidades, como: aquecimento de soluções, estiramento e preparo de peças de vidro entre outros.
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Uma tira de feltro com 1,3 cm de largura e 28 cm de comprimento, é fixada, formando uma volta na parte superior do recipiente plástico. O feltro é embebido com o metanol, com a ajuda de um conta-gotas. Esta tira precisa ser trocada, cada vez que se realiza o experimento (o álcool resseca o feltro). O tubo de cobre, acoplado à tampa e ao recipiente plástico, é então colocado na garrafa térmica, contendo nitrogênio líquido, ou gelo seco e álcool etílico. A tampa de plástico é atritada com um pano, para eliminar as partículas de poeira carregadas, e colocada em cima do recipiente plástico. Após alguns segundos, uma fina camada de neblina já pode ser vista na base da câmara, mostrando que o estágio de supersaturação de vapor foi atingido. Em intervalos de 10 minutos, essa tampa deve ser reeletrizada novamente. Sempre que se perceber uma diminuição da neblina na base da câmara, o feltro deve ser molhado novamente com metanol. A iluminação é feita com uma lâmpada comercial de 50 Watts, com um sistema de espelhos que foca toda a luz numa pequena região. Dessa forma, a intensidade de luz dirigida para dentro da câmara é grande suficiente para tornar os traços deixados pelas partículas, visíveis. O foco de luz é incidido sobre as laterais da câmara, e os traços são visualizados pela parte de cima, através da tampa de plástico. Apenas a parte inferior da câmara necessita de iluminação, já que o estágio de supersaturação, é atingido numa camada muito fina na base do recipiente plástico.” (LUNAZZI; MANOEL; SHIBUYA, 2010).
Figura 22 – Câmara de neblinas simplificada Fonte: Lunazzi; Manoel; Shibuya, 2010.
3.1.1.2 Resultados
Para que houvesse o menor risco à saúde possível, foi utilizado como fonte de partículas α, a areia da praia de Guarapari - ES. Ela tem como principal elemento radioativo o Tório-232, que por se apresentar em pequena quantidade na areia, oferece pouco risco para quem o manuseia. Uma quantidade muito menor, do elemento Urânio-235, também está presente. Segundo cálculos do Dr. Pedro Lunes, do Departamento de Raios Cósmicos e Cronologia (DFCC, Instituto de Física Gleb Wathagin - Universidade Estadual de Campinas), o Tório presente na areia se encontra em mais de 95% do seu equilíbrio secular. Pode-se então considerar que todos os canais de decaimento estão com mesma atividade. Partículas alfa com energias entre 3,834 Mev e 8,784 Mev, são detectadas pela câmara.
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A energia da partícula alfa determina seu alcance no ar, ou seja, a distância percorrida por ela, antes de ser absorvida. Analisando-se a curva de Bethe , vê-se que, partículas com alcance entre 2,4 cm e 9,0 cm são emitidas pelo Tório. A temperatura do ar para o gráfico do apêndice 1 é de 15 º C, enquanto que a parte inferior da câmara, se encontra a uma temperatura de - 56,5ºC quando se utiliza gelo seco e -196ºC, quando se utiliza nitrogênio líquido. Assim, uma correção da forma [3]:
onde R representa o alcance (range) da partícula, deve ser feita. As montagens, com gelo seco e com nitrogênio líquido, apresentaram resultados muito semelhantes. O gelo seco, porém, se mostrou mais vantajoso por dois motivos: os traços deixados pelas partículas são mais espessos; e o tempo de funcionamento da câmara é maior, sendo necessário apenas, reeletrizar a tampa de plástico em intervalos de 10 minutos. A espessura dos traços é maior na montagem com gelo seco, devido a maior energia cinética das moléculas de álcool, que, se encontram em uma temperatura maior que na montagem com o nitrogênio. Isso faz com que mais moléculas entrem em contato com os íons deixados pelas partículas, na passagem pela câmara, aumentando o grau de condensação nos traços de íons. O tempo de funcionamento da câmara, também é maior, porque não há congelamento de água (umidade do ar), na placa de cobre. Para o nitrogênio, em poucos minutos, isso ocorre, tornando a placa branca, dificultando a visão dos traços. Além disso, o nitrogênio líquido libera uma maior quantidade de gases, que penetram na câmara e, depois de algum tempo, impedem que qualquer traço seja visto. Usando a montagem com gelo seco, os traços são observados com muita facilidade e se assemelham muito com os que foram vistos por Wilson já que são densos e espessos, típicos de partículas alfa. A camada de supersaturação do vapor de álcool se encontra na parte inferior da câmara, muito rente à placa de cobre. Com a montagem usando gelo seco, a câmara foi exposta ao ar livre. Traços de partículas cósmicas não puderam ser vistos, já que, por virem praticamente na vertical, os traços se formariam, perpendicularmente à camada de vapor supersaturado na base da câmara. Por essa camada não ultrapassar 0,5 cm, nenhum traço pôde ser visto, mesmo quando olhou-se pela lateral do recipiente plástico. Porém, olhando-se por cima, puderam ser vistos diversos pontos de condensação, que se formavam de repente, e sumiam num curto espaço de tempo. Provavelmente, esses pontos foram formados, por partículas cósmicas (elétrons), que, penetraram na câmara, e causaram um traço na fina camada de vapor supersaturado. Logicamente, somente os pontos por onde entraram essas partículas puderam ser vistos. Mesmo sem fonte radioativa na câmara, muitos traços puderam ser vistos. Inclusive traços muito parecidos com os da figura 2 b), gerados por elétrons. Isto mostra que mesmo sem nenhuma fonte de partículas ionizantes por perto, moléculas de ar podem se ionizar, liberando elétrons, que deixam seus traços na câmara. Essa ionização pode ser devido à colisão de uma molécula de ar com um raio cósmico, ou mesmo, com outras moléculas de ar. Logo, um estudo mais detalhado sobre raios cósmicos, com essa câmara, se torna inviável, sendo necessário uma câmara que atinja uma camada maior de supersaturação de vapor e que tenha uma diferença de potencial aplicada entre a base e o topo da câmara, acabando com as possíveis descargas elétricas que podem ser geradas espontaneamente no ar. Com a câmara exposta à fonte de Tório, traços muito bem definidos puderam ser vistos. As direções de emissão das partículas alfa também
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puderam ser identificadas. A grande maioria dos traços foram absorvidos dentro da câmara, comprovando as previsões dadas pela equação 5. Devido à fina camada de supersaturação, atingida com a câmara, um estudo mais aprofundado dos raios cósmicos não pôde ser feito. Outros materiais, porém, podem ser testados, a fim de atingir uma camada maior de supersaturação do vapor de metanol, desde que mantenham os princípios exigidos para o funcionamento da câmara.” (LUNAZZI; MANOEL; SHIBUYA, 2010).
3.1.2 Radiação Alfa (α)
São partículas carregas por dois prótons e dois nêutrons, possui carga
positiva +2e, e massa 4.
Figura 23 – Radiação Alfa Fonte: Fisica.net, 2010.
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Figura 24 – Radiação Alfa Fonte: Nasaimages, 2010
Nesta foto as partículas alfa provém de uma fonte de polônio que emite em um padrão muito parecido com uma flor, no centro da câmara de nuvens. As partículas ficam visíveis por meio de difusão de vapor de álcool que difunde de uma área em temperatura ambiente para outra em -78 oC. (NASAIMAGES, 2010)
3.1.3 Radiação Beta (β)
São partículas negativas (elétrons), possui carga negativa -1e, e massa
cerca de 2000 vezes menor que a massa do próton. A radiação beta pode
ser positiva também (beta +) quando um pósitron (antipartícula do elétron) for
emitido.
3.1.4 Radiação Gama (γ)
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É um exemplo de radiação eletromagnética originada em geral das transições
de níveis nucleares que ocorrem naturalmente nos elementos radioativos. Possuem
cargas e massas nulas.
Os raios gama são produzidos na passagem de um núcleon de um nível
excitado para outro de menor energia e, na desintegração de isótopos radioativos.
Estão geralmente associados com a energia nuclear e aos reatores nucleares.
A radiação gama é amplamente utilizada na medicina nuclear no tratamento de enfermidades como o câncer em um processo denominado tele terapia, onde o paciente é exposto a uma fonte radioativa emissora gama sem que haja contato físico com a tal fonte por um tempo pré determinado. É utilizado também em cirurgias sem corte para eliminação de tumores intracranianos que é feita por um aparelho denominado faca gama. Sua aplicação mais conhecida é a Tomografia por Emissão de Pósitrons (ou positrões em Português de Portugal) (PET), onde a emissão gama é direcionada em vários feixes gama em direção a detectores que posteriormente remontam fatia a fatia toda a estrutura corpórea a ser analisada. (WIKIPÉDIA, 2010)
3.1.5 Premio Nobel
Em 1927, Charles Thomson Rees Wilson, ganhou o Nobel de Física
pela sua Câmara de Neblina (ou conhecida também como câmara de Wilson),
pois por este experimento tornou-se possível a observação da trajetória das
partículas através da condensação do vapor da água.
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4 METODOLOGIA
4.1 Experimento em Laboratório
Com base nos referenciais teóricos citados e estudados nesta pesquisa,
realizamos a montagem da “câmara de neblina simplificada”, no laboratório de Física
do Centro Universitário La Salle.
Abaixo segue os passos para este experimento:
Materiais:
- recipiente de vidro / acrílico;
- retalho de esponja ou feltro;
- gelo seco;
- álcool isopropílico;
- fonte de luz (ex.: lanterna);
- fonte radioativa (camisa de lampião, detectores de fumaça, etc.);
- multímetro (usado como termômetro de baixas temperaturas);
- imã.
Passos para montagem:
1º) colar a esponja no fundo do recipiente, e embeber a esponja com álcool
isopropílico;
2º) colocar a fonte radioativa dentro do recipiente, e de preferência fixá-la;
3º) fechar o recipiente de forma que fique o mais vedado possível;
4º) manter a parte inferior (abaixo da tampa) a temperatura mais baixa
possível. Importante que a temperatura atinja no mínimo -57 °C na base do
recipiente;
5º) escurecer o local onde está sendo realizado o experimento, e logo focar a
luz ao recipiente, de modo que fique visível a neblina;
6º) deixar a neblina se manter constante e, aguardar o “show” começar, os
rastros dos raios, partículas, aparecerem!
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Figura 25 – Fonte: Foto de montagem do experimento em 01/07/10 – Câmara de Neblina.
Fonte: Laboratório de Física Unilasalle, 2010.
Figura 26 – Foto de montagem do experimento em 01/07/10. Temperatura atingida no recipiente de vidro (-57 °C)
Fonte: Laboratório de Física Unilasalle, 2010.
Com esta simples montagem, conforme demonstra a figura acima que
fotografamos durante o experimento, é possível se notar a praticidade para esta
montagem, deferindo que foram utilizados materiais dos quais são de fácil acesso,
do nosso dia-a-dia, até mesmo o material radioativo. A fonte radioativa pode ser
encontrada em camisas de lampião, alguns detectores de fumaça, entre outros.
Precisamos levar em consideração que se foi necessário realizar várias
tentativas até chegar ao nosso ponto de êxito, a visualização do rastro das
partículas. Pois muitos argumentos na realização deste influenciam: a temperatura
que o recipiente deve se manter, a umidade do ar, o tipo de álcool utilizado, a
quantidade de álcool necessária, etc. Portanto, não se recomenda realizar este
experimento em sala de aula sem sequer ter sido previamente realizado
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anteriormente, pois apesar da facilidade não é tão simples chegar ao ponto de
neblina e até mesmo acertar o ponto de visualização das partículas.
Se for realizado no âmbito escolar, é importante considerar que seja em grupos
pequenos, de no máximo quatro (4) alunos, por se tratar de uma visualização rápida
e numa área de observação não muito ampla.
Os rastros “passam” muito rápidos, por isso é importante ficar atento.
Conseguimos realizar a filmagem destes durante o experimento, e
conseguimos fotografar o fenômeno. É muito importante que se tenha esse material
prévio disponível em sala de aula para mostrar aos alunos o que devem procurar
visualizar evitando assim que observem apenas o movimenta da névoa ao um
reflexo qualquer. Esse material filmado ou fotografado, também serve como
eventual substituto em caso de falha na execução do experimento em sala de aula.
Vejamos a sequência das partículas observadas nas imagens deste
experimento (não sabemos que tipo de partícula se refere - (alfa (α), beta (β), gama
(γ) - pois necessitaríamos de um estudo mais abrangente para essa determinação).
- 1º rastro de uma partícula:
40
41
42
- 2º rastro de uma partícula:
43
44
45
46
47
48
- 3º rastro de uma partícula:
49
50
51
- 4º rastro de uma partícula:
52
53
54
Nesse último rastro percebe-se que a partícula colidiu com uma molécula mais
pesada e sofreu uma deflexão em sua trajetória.
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5 CONCLUSÃO
Pode-se concluir que com aceitação do aluno, é possível introduzir atividades
extras para inclusão do aprendizado.
Caberá sempre ao professor, dentro das condições específicas nas quais desenvolve seu trabalho, em função do perfil de sua escola e do projeto pedagógico em andamento, selecionar, priorizar, redefinir e organizar os objetivos em torno dos quais faz mais sentido trabalhar. (BRASIL, 2007, p.62)
Considerando o experimento articulado neste, como possibilidade de
diversidade de aula, podemos verificar que a qualificação de aprendizagem e
interesse dos alunos é proveitosa, tratando assim que a possibilidade do bom
entendimento da matéria seja de maneira exposta e visual.
Este experimento teve como benefício para orientação na introdução da Física
Moderna no Ensino Médio, com a garantia de lhes demonstrar o mundo que existe e
que não percebemos no nosso dia a dia, mas que compreende o nosso mundo, a
formação da matéria. Eis que cita nas Orientações Educacionais Complementares
aos Parâmetros Curriculares Nacionais, (BRASIL, 2007, p. 70), Ciências da
Natureza, Matemática e suas Tecnologias:
Alguns aspectos da chamada Física Moderna serão indispensáveis para permitir aos jovens adquirir uma compreensão mais abrangente sobre como se constitui a matéria, de forma que tenham contato com diferentes e novos materiais, cristais líquidos e lasers presentes nos utensílios tecnológicos, ou co desenvolvimento da eletrônica, dos circuitos integrados e dos microprocessadores. A compreensão dos modelos para a constituição da matéria deve, ainda, incluir as interações no núcleo dos átomos e os modelos que a ciência hoje propõe para um mundo povoado de partículas. Mas será também indispensável ir mais além, aprendendo a identificar, lidar e reconhecer as radiações e seus diferentes usos. Ou seja, o estudo de matéria e radiação indica um tema capaz de organizar as competências relacionadas à compreensão do mundo material microscópico.
Então, levando em consideração este princípio, motivamos com este
experimento da Câmara de Neblina, a acuidade de compreender e visualizar as
partículas, possibilitando ao educando observar e reconhecer as radiações.
Portanto, os alunos podem perceber os conceitos Físicos de uma forma mais
simplificada, mantendo sempre o conceito a ser estudado.
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Prove-se também que a percepção para este aprendizado por parte dos alunos
é conceituosa. Pois a partir de uma demonstração simples foi possível observar com
muita proximidade as partículas estudadas no Ensino Médio.
Além disso, o educando percebe que o experimento é de fácil construção, pois
foi realizado de materiais dos quais temos contato diariamente, e assim também
elimina o medo da curiosidade, demonstrando que com coisas muito simples é
possível se obter grandes e curiosos resultados como obtivemos neste.
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REFERÊNCIAS
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58
FERRAZ NETTO, Luiz. Laboratório de Física: Sala 20. Disponível em: < Efisica. Disponível em: http://efisica.if.usp.br/ >. Acesso em 01/06/10 JACOBS, Konrad. Oberwolfach Photo Collection. Disponível em: <http://owpdb.mfo.de/ >. Acesso em 29/05/10 KEMP, Ernesto. Radiação: Interação e Detecção . Disponível em: < LUNAZZI, Jose Joaquim; MANOEL, João Paulo Pitelli ; SHIBUYA, Edison Hiroyuki. F-809 Instrumentação Para o Ensino. Disponível em: < http://www.ifi.unicamp.br >. Acesso em 25/01/10. MATÉRIA e energia. Disponível em: < http://www.fcf.usp.br/ >. Acesso em 01/06/10 Nasaimagens. Disponível em: <http://www.nasaimages.org/luna/servlet/detail/nasaNAS~5~5~21867~126580:NACA-Physicist-Studying-Alpha-Rays> . Acesso em 25/05/10 POLÔNIO em aviões nucleares. Disponível em: < http://imagens.tabelaperiodica.org/ >. Acesso em 25/05/10 REICH-CHEMISTRY. Disponível em: < http://reich-chemistry.wikispaces.com >. Acesso em 29/05/10 Sabersapo. 2010. Disponível em: <http://saber.sapo.ao> SILVA, Gustavo Mosquetti. A evolução dos modelos atômicos. Disponível em: < http://enciclopediavirtual.vilabol.uol.com.br/ >. Acesso em 01/06/10 STUFF made of stuff that never touches. 2010. Disponível em: < http://lifesciencereality.wordpress.com/ >. Acesso em 01/06/10 TEORIA atômica. 2010. Disponível em: < http://quimicacoma2108.blogspot.com/ >. Acesso em 29/05/10 THE CATHODE Ray Tube. 2010. Disponível em: < http://members.upc.nl/h.dijkstra19/ >. Acesso em 01/06/10 TIPLER, Paulo Allen. Física Moderna. Rio de Janeiro: LTC, 2006.
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ANEXO A – Modelos atômicos
Fonte:http://www.ensinoaberto.unicamp.br/portalea/index_html?foco=HTML/disciplinas/
comuns&sigla=F_550&turma=A&ano=2007&recurso=material&cod_xml=F_550_287159#14
Acesso em 28/05/10