OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSENA PERSPECTIVA DO PROFESSOR PDE

Produções Didático-Pedagógicas

Versão Online ISBN 978-85-8015-079-7Cadernos PDE

II

SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO SUPERINTENDÊNCIA DA EDUCAÇÃO

DIRETORIA DE POLÍTICAS E PROGRAMAS EDUCACIONAIS

PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL – PDE

Ficha de Identificação - Produção Didático-pedagógica

Título Sequência Didática: Física de Partículas para o Ensino Médio

Autor Juliana Loch

Disciplina/Área (ingresso no PDE)

Física

Escola de Implementação do Projeto e sua localização

Colégio Estadual do Paraná. Av. João Gualberto, 250 - Alto da Glória. CEP: 80030-000 - Curitiba - PR - (41) 3234-5633

Município da Escola Curitiba

Núcleo Regional de Educação Curitiba

Professor Orientador Professor Dr. Nilson Marcos Dias Garcia

Instituição de Ensino Superior Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Resumo Esta produção didática tem como objetivo geral, a apresentação de uma proposta de estudo de Física de Partículas para ser aplicada em salas de aula do 3º ano de Ensino Médio, a qual contará com os seguintes encaminhamentos: - Utilização de vídeos e imagens para ilustrar aulas expositivas; - Utilização do espaço de laboratório didático de Física do Colégio Estadual do Paraná para desenvolvimento de aulas experimentais; - Leituras sobre o tema; - Utilização do livro didático; - Realização de pesquisa na internet e em material impresso;

Resumo - Retroalimentação do processo a partir da avaliação do envolvimento dos estudantes e sua compreensão dos assuntos abordados.

A escolha pela temática de Física de Partículas se justifica pelo fato da temática se classificar na Física Contemporânea, fazer parte da pesquisa atual e estar presente nos grandes laboratórios de pesquisa de Física. Segundo, por estar entre os que menos têm recebido atenção dos pesquisadores em Ensino de Física, especialmente no que tange à elaboração de propostas de ensino voltadas para o Ensino Médio. E por fim, por envolver aspectos que podem despertar o interesse de estudantes do Ensino Médio.

Palavras-chave Física de Partículas; Ensino Médio; Proposta de ensino.

Formato do Material Didático Sequência didática com três unidades

Público Alvo Estudantes do 3º ano do Ensino Médio

Apresentação: a constituição do campo de Física de Partículas

A constituição do campo de estudos de Física de Partículas se dá a partir da

Física Nuclear e de estudos dos raios cósmicos. Por isso, alguns fatos históricos que

contribuíram para a consolidação do campo de estudos de Física de Partículas

serão citados. Estes fatos históricos serão retirados de uma leitura feita a partir do

livro: “Partículas elementares: 100 anos de descobertas”, de Francisco Caruso, et.al

– 2012.

São fatos importantes:

- A descoberta da radioatividade por Becquerel em 1896, que pode ser considerada

uma importante contribuição para o entendimento sobre a estrutura da matéria. A

essa descoberta mais tarde juntaram-se estudos de Pierre e Marie Curie, aos quais

se atribui a criação da palavra radioatividade e os estudos de Ernest Rutherford que

em 1912 descobriu o núcleo do átomo.

- Um experimento histórico foi realizado em 1917 por Rutherford - a primeira reação

nuclear. Neste experimento, Rutherford bombardeou átomos de nitrogênio com

partículas alfa que se transformaram em átomos de oxigênio e prótons. A partir

deste momento, foram evoluindo os estudos nucleares e atômicos com

contribuições importantes tanto de Rutherford como de Bohr.

Algumas partículas foram sendo descobertas, tais como:

- pósitron, por Carl Anderson em 1932, numa experiência sobre raios cósmicos nos

Estados Unidos;

- nêutron, por James Chadwick em 1932, ao bombardear núcleos de berílio 9 com

partículas alfa.

- múon, por Anderson e Neddermeyer, identificado num estudo sobre raios

cósmicos. Essa partícula que inicialmente foi chamada apenas de méson, depois da

descoberta de outro méson, o π, foi renomeada, passando a se chamar de méson µ

e hoje é conhecida como múon.

Nessa mesma época em que novas partículas iam sendo identificadas, surge

o primeiro acelerador de partículas, desenvolvido em 1930 por J. D. Cockroft e E. T.

S. Walton, num laboratório dirigido por Rutherford, na Universidade de Cambridge.

Estes pesquisadores conseguiram acelerar prótons, experimento que marca o início

dos estudos da Física Nuclear com aceleradores.

A partir daí outros aceleradores foram surgindo, como o Van de Graaff, em

1931, o Ciclotron, em 1936 (o qual acelerava prótons com energia entre 300 e 400

MeV e o Sincro-ciclotron. Esses dois últimos, em especial, contribuem para a

constituição do campo de Física de Partículas, na forma como conhecemos hoje.

No entanto, os aceleradores de hoje trabalham com “altas energias” trabalhando na

casa de centenas ou milhares de GeV. (Adaptado de: CARUSO, F.; OGURI, V.;

SANTORO, 2012).

Atualmente, o maior acelerador de partículas está localizado em Genebra, na

Suíça. É o LHC (Large Hadron Collider), com um perímetro de 27 Km, podendo

acelerar prótons com energia que podem chegar até 7 TeV. As pesquisas

desenvolvidas neste acelerador têm trazido muitas contribuições para o campo de

Física de Partículas e para a consolidação da teoria do Modelo Padrão.

Essas questões, juntamente com outros conceitos da Física, serão

desenvolvidas e trabalhadas ao longo dessa sequência didática, que se propõe a

apresentar aos estudantes do 3 º ano do Ensino Médio um campo de estudo de

Física Moderna – Física de Partículas.

Essa produção contém orientações para o professor, que são colocadas em

cada atividade como encaminhamento, indicação de material de aprofundamento

para o professor por unidade, e também o material do aluno.

Enfim, considerando a proposta curricular do Colégio Estadual do Paraná de

implementação desta proposta de ensino, entende-se que a mesma poderá ser

aplicada ainda no primeiro bimestre, após o estudo de ondas, pois assim os

estudantes já terão conhecimento de ondas eletromagnéticas e sobre o

comportamento dual da luz, o que contribuirá para o estudo de Física de Partículas.

Objetivos da sequência didática

-Desenvolver o interesse dos estudantes pela Física;

-Apresentar aos estudantes um campo de estudos atual da Física.

Quadro sintético das atividades:

Unidade 1 – Constituição da matéria

Atividade Objetivo Tempo em

horas-aula

1. Problematização.

Questionar os estudantes acerca

da constituição da matéria.

1

2. Leitura do texto sobre

as primeiras concepções

acerca da ideia de

átomo.

Mostrar aos estudantes que a

busca pelo entendimento da

constituição da matéria é uma

preocupação antiga.

½

3. A descoberta do

elétron.

Apresentar aos estudantes a

primeira partícula elementar a ser

descoberta e como consequência

a decadência da ideia da

indivisibilidade do átomo.

1

4. A descoberta do fóton.

Apresentar aos estudantes a ideia

do quantum de energia e a

explicação dada por Albert

Einstein para o efeito fotoelétrico.

3

5. Próton, pósitron,

nêutron e o neutrino.

Apresentar as partículas que

tinham sido descobertas até 1932

e, como tais descobertas

influenciaram na constituição do

campo de estudo de Física de

Partículas.

1

Unidade 2: A constituição do campo de estudo de Física de partículas

Atividade

Objetivo

Tempo em

horas-aula

1. Modelo Padrão. - Introduzir o estudo do Modelo

Padrão;

- Apresentar aos estudantes o

físico Cesar Lattes por meio de

sua biografia e da sua

contribuição para a constituição

do campo de estudos de Física de

Partículas.

2

2. Apresentação do

CERN e do LHC.

Apresentar o LHC e o CERN e as

pesquisas desenvolvidas nestes

laboratórios, voltadas para o

estudo de Física de Partículas.

2

3. Pesquisa orientada

no Laboratório de

informática.

Aprofundar o conhecimento sobre

os aceleradores de partículas,

como também conhecer os

localizados no Brasil.

2

Unidade 3: mais e mais partículas...

Atividade Objetivo Tempo em horas-aula

Seminários Estudar o Modelo

Padrão por meio de

atividades de pesquisa,

apresentação e

discussão em classe.

3

Total de aulas 15 ½

MATERIAL DIDÁTICO

Unidade 1 – Constituição da matéria

Atividade 1: Problematização

Encaminhamento da atividade: o professor deve apresentar o texto aos estudantes,

pode ser feita uma leitura compartilhada do mesmo. Na sequência os alunos, em

duplas ou trios, devem elaborar uma resposta a seguinte questão feita por Daniel –

personagem do livro “Vovó conta de que são feitas as coisas”:

“-- mas vovó, como se pode investigar de que são feitas as coisas? Parece que tudo

que temos é feito por ela mesma. Uma pedra quebrada é feita de pedra, ora bolas.

Como podemos saber do que é feita, então?” (ENDLER, p. 1, 2007).

Os alunos que se sentirem à vontade para expor suas respostas para a

turma, podem assim fazer. Essa discussão deve ser mediada pelo professor, que

terá o papel de conduzir para a próxima atividade (Atividade 2) dando sequência ao

tema proposto no texto da Atividade 1– do que são feitas as coisas ?

Texto para o aluno:

Tudo começou quando meu neto Daniel, deitado na rede da varanda do meu sítio

em Teresópolis, me perguntou:

--Vovó, de que são feitas as coisas?

Esta pergunta não me estranhou. Primeiro porque Daniel atingiu a idade em que o

ser humano começa a questionar tudo que vê e ouve e, segundo, porque no sítio,

em contato com a Natureza e na tranquilidade da vida campestre, sem agitação da

cidade, tempo mais tempo para refletir sobre a vida e as coisas em geral. Fiquei

muito contente em ver que meu neto crescia interiormente e tratei de entusiasmá-lo

nesses pensamentos tentando mantê-lo motivado e interessado nessas questões

ao mesmo tempo em que eu queria gerar uma conversa agradável, então respondi:

-- Daniel, esta é uma questão que desde o início da civilização tem preocupado

muita gente. O ser humano sempre teve curiosidade em saber o que está dentro

das coisas. Os homens pré-históricos que viviam em cavernas usavam

instrumentos primitivos construídos por lascas de pedra para quebrar rochas

provavelmente com o intuito de ver o que existia no interior

-- mas vovó, como se pode investigar de que são feitas as coisas? Parece que tudo

que temos é feito por ela mesma. Uma pedra quebrada é feita de pedra, ora bolas.

Como podemos saber do que é feita, então? (ENDLER, p. 1, 2007).

Atividade 2: Leitura do texto sobre as primeiras concepções acerca da ideia de

átomo.

Encaminhamento da atividade: o professor deve encaminhar a leitura na sala de

aula, evidenciando que a busca pelo entendimento da constituição da matéria é

antiga.

Texto para o aluno:

É antiga a nossa preocupação em entender e explicar o mundo que nos

cerca. Nossos sentidos servem de canais que fornecem informações sobre o

mundo e seus constituintes. A ideia de que a grande diversidade de formas e

matérias podem ser resumidas a uns poucos constituintes fundamentais está

presente em nossa cultura já há milhares de anos.

No século V a. C., Leucipo de Mileto (c. 460 – c. 370 a. C.) e Demócrito de

Abdera (c. 470 –c. 380 a. C) desenvolveram a ideia de que a matéria é constituída

de pequenas partículas indivisíveis, chamadas de átomos. O átomo seria a menor

porção da matéria. A ideia do átomo, entretanto, foi abandonada sendo substituída

pela ideia proposta por Empédocles de Akragas (c. 490 c. 430 a. C.) de que toda a

matéria é composta de quatro elementos: terra, ar, fogo e água, que se combinam

de várias maneiras para criar as substâncias. Estes elementos seriam unidos pelo

amor e separados pelo ódio. Este pensamento prevaleceu por quase 2.000 anos.

Por volta do final do século XVII AD, estabeleceu-se a ideia de forças

atuando sobre constituintes últimos. A matéria era vista como sólida e impenetrável

constituída de partículas. O século XX AD viu a derrubada de várias ideias então

estabelecidas. Nem o átomo era indivisível nem os sólidos impenetráveis.

Não foi o universo e suas leis que ficaram oscilando desde o século V a. C.

até o século atual. O universo, provavelmente, permaneceu como sempre foi.

Nossa percepção dele é que vem evoluindo desde o momento em que primeiro nos

maravilhamos com o que nossos sentidos nos informavam até o momento em que

percebemos quão deceptivos nossos sentidos podem ser (CARUSO, F.; OGURI, V.;

SANTORO, A., 2012, p. 103).

Atividade para casa:

Encaminhamento da atividade: No link abaixo há indicação de um texto para os

estudantes, estes devem ser orientados a fazer a leitura em casa e trazer as dúvidas

para discussão na próxima aula.

http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/index.php?idSecao=101&idSubSecao=&idT

exto=20

Atividade 3: a descoberta do elétron

Encaminhamento da atividade: Joseph John Thomson, em 1897, descobriu a

existência do elétron, por meio do experimento de raios catódicos. Demonstrou que

o átomo é divisível. Para mostrar como J.J. Thomson chegou ao elétron sugere-se o

vídeo explicativo sobre o experimento de J.J. Thomson, disponível no seguinte

endereço:

http://www.youtube.com/watch?v=_Pwrvn2Zl5U

Algumas questões para explorar o vídeo:

William Crookes observou os raios catódicos, mas não conseguiu explicar sua

natureza. Mais tarde Thomson realizou novas experiências com raios

catódicos. O que este cientista fez de diferente do primeiro? O que Thomson

observou que Crookes não tinha observado?

Por que Thomson é considerado o descobridor do elétron? Como é o modelo

de átomo proposto por ele?

Estas questões devem ser entregues para os estudantes, as quais devem ser

respondidas no caderno após a exibição do vídeo. Os estudantes podem trabalhar

em grupo neste momento.

Observação: há algumas versões didáticas do tubo de raios catódicos, que podem

ser levadas para sala de aula. Seria interessante que o professor levasse uma

dessas versões para ajudar na discussão.

Textos de apoio para o professor

Experimento de J.J. Thomson:

http://coral.ufsm.br/gef/Eletro/eletro09.pdf

http://www.iq.ufrgs.br/ead/fisicoquimica/modelosatomicos/modelo_thomson.html

Experimento da gota de óleo de Millikan

http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod06/m_s06.html#exp03

http://dfis.uefs.br/caderno/vol9n12/MacetiMillikan.pdf

Estes textos podem auxiliar o professor na discussão sobre a relação carga/massa

do elétron, pois podem surgir dúvidas desta natureza, a partir da apresentação do

experimento de J.J. Thomson.

Atividade 4: a descoberta do fóton

4.1 Vídeos – Efeito fotoelétrico

http://www.youtube.com/watch?v=2vyOWsz_R-g

Encaminhamento da atividade:

O vídeo deve ser apresentado aos estudantes. O professor deve chamar atenção

para alguns pontos durante a apresentação do vídeo. São eles:

Max Planck e a energia quantizada (este assunto será aprofundado na

atividade 4.2, inclusive com cálculos matemáticos);

A apropriação da ideia de quantum por Einstein;

Por que a luz azul provoca o movimento dos elétrons e a vermelha não?

Que propriedade da luz influencia na emissão dos elétrons: a intensidade da

luz ou a frequência?

Qual modelo de luz explica o efeito fotoelétrico?

Observação: caso o professor perceba que a apresentação do vídeo não tenha sido

suficiente para que os alunos entendam a ideia central do efeito fotoelétrico, pode

utilizar-se de uma animação sobre o efeito fotoelétrico, que se encontra disponível

no seguinte endereço:

http://www.youtube.com/watch?v=bnR1syXU5dU

4.2 Cálculos da energia dos quanta de luz.

Encaminhamento da atividade: Partindo do vídeo sobre o efeito fotoelétrico, que traz

a seguinte questão: “Mas por que há diferença entre a luz vermelha e a azul?”, o

professor deve propor aos estudantes o cálculo da energia de diferentes

frequências, enfatizando a relação direta entre a energia e a frequência da radiação.

É importante que antes da atividade o professor comente com seus alunos a ideia

da constante de Planck e a condição de valores inteiros imposta pela teoria de Max

Planck.

Atividade para o aluno:

Quanto vale o quantum de energia?

O valor de um quantum de energia depende da frequência de radiação emitida.

Para uma luz azul de frequência igual a 6. 10 14 Hz, por exemplo, o quantum de

energia (E) vale hf = 6,6. 10 -34 Js. 6.1014/s = 3,96. 10 -19 joule (J).

Da mesma forma que o quilowatt- hora (KWh) é utilizado para expressar valores de

energia bem maiores que o joule (1KWh = 3,6 . 10 -19 J), no mundo do muito

pequeno utiliza-se o elétron–volt (eV), unidade que corresponde à energia adquirida

por um elétron acelerado por uma tensão elétrica de um volt (V) e que equivale a

1,6 . 10 -19 J. Assim, a energia do quantum daquela luz azul valeria 2,5 eV.

A própria constante de Planck pode ser expressa utilizando a unidade eV,

resultando h = 4,1. 10 -15 eV.s.

Para familiarizar-se com o uso da unidade eV e com valores de energia do mundo

subatômico, junte-se a um ou mais colegas e descubra o valor, em J e eV, dos

quanta (quanta é o plural de quantum em latim) de energia correspondentes às

seguintes radiações:

Luz infravermelha: 1,5 . 10 14 Hz;

Luz vermelha: 4,5 . 10 14 Hz;

Raio X: 4 . 10 18 Hz;

Luz azul: 6,7 x 1014 Hz;

Ao final dos cálculos, apoiado em seus resultados, escreva um pequeno texto para

justificar porque a luz azul provoca o movimento dos elétrons no experimento do

efeito fotoelétrico, visto no vídeo, e porque o mesmo não acontece com a luz

vermelha.

(Atividade adaptada do livro: KANTOR, Carlos, A.; et. al. Física, 3º ano. São Paulo:

Editora PD, 2010.)

4.3 Slides com as conclusões obtidas a partir das atividades 4.1 e 4.2

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

4.4 Efeito fotoelétrico no cotidiano – Atividade experimental

Encaminhamento da atividade: Esta será uma atividade experimental qualitativa, que

tem como objetivo explorar o efeito fotoelétrico conceitualmente. Como neste

momento os estudantes já conhecem o fenômeno, pois o mesmo já foi explorado de

diferentes maneiras nas atividades anteriores, sugere-se que o experimento ganhe

status de atividade avaliativa. Os estudantes, em pequenos grupos, de no máximo

quatro alunos, para que todos possam se envolver na atividade e, de posse do

material necessário e as orientações de montagem, devem realizar seus

experimentos nos pequenos grupos.

Experimento: Ouça seu controle remoto

Material:

1 bateria de 9 V

1 LDR

1 LED vermelho

1 pino fêmea P2 P2 (para conectar a caixa de som)

1 resistor de 680 Ω e 1/8 W

2 jacarés

1 suporte para bateria

Esquema do circuito:

Montagem: O led é um diodo, logo transmite corrente elétrica em um único sentido. A perninha maior do led é o polo positivo e deve ser ligado ao polo positivo da bateria. Ligar em série e na seguinte ordem: bateria, LDR, LED. Com ajuda dos jacarés, liga-se o pino fêmea P2 em paralelo com o resistor. O circuito pode ser montado sobre uma madeira ou um papelão firme, com fios de ligação e fita isolante. Caso, o laboratório da escola possua proto-board, estes podem ser utilizados para montagem do circuito. Observações: o circuito produzirá um ruído ao receber o sinal do controle remoto. O resistor que permitirá que se escute o som devido a uma diferença de potencial, uma vez que o resistor está ligado em paralelo com a caixinha de som. Ao incidir o infravermelho do controle remoto, no LDR, o som será percebido, devido ao fato de o infravermelho do controle ser pulsado. Referência: Silva, L. F. da; Assis, A. Física Moderna no Ensino Médio: um experimento para abordar o efeito fotoelétrico. In: Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 29, n.2, Ago/ 2012. Disponível em: https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/21757941.2012v29n2p313/22920. Acesso em: 03/AGO/2013.

Sugestão de atividade extra: Simulação do efeito fotoelétrico

Essa simulação está disponível no Banco Internacional de Objetos Educacionais e

disponível no seguinte endereço:

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/23128

A simulação do “efeito fotoelétrico” tem como objetivo abordar a relação entre a

intensidade e a frequência da luz incidente com a energia dos elétrons que são

ejetados.

Atividade 5 : próton, pósitron, nêutron e o neutrino.

Encaminhamento da atividade: aula expositiva com utilização de slides e a TV

multimídia. Essa aula deve ser expositiva, mas também questionadora, é preciso a

partir daqui colocar algumas dúvidas nos estudantes com o objetivo de dar

continuidade ao estudo de Física de Partículas. Importante deixar claro que no

momento da descoberta do próton ele era entendido como partícula elementar, mas

hoje sabemos que eles são constituídos por outras partículas que estudaremos mais

adiante.

Durante a apresentação dos slides, ao abordar o experimento de Rutherford,

sugere-se que o professor dê uma pausa na discussão e apresente aos estudantes

um vídeo sobre este experimento desenvolvido pela UNESP e disponível no

seguinte endereço:

http://www.equimica.iq.unesp.br/index.php?Itemid=55&catid=36:videos&id=72:experi

mento-de-rutherford&option=com_%20content&view=article

É importante esclarecer aos estudantes que o pósitron foi a primeira

antipartícula a ser descoberta, o que gerou expectativa nos cientistas sobre a

existência de mais antipartículas, impulsionando os estudos sobre antimatéria.

Ao final da apresentação das partículas: próton, pósitron, nêutron e o

neutrino, sugere-se que os estudantes façam a leitura de um trecho extraído do livro:

“Vovó conta de que são feitas as coisas”, com o objetivo de esclarecer possíveis

dúvidas e concluir as discussões, especialmente sobre as questões colocadas

anteriormente sobre a constituição do núcleo atômico. Além disso, o texto auxilia na

discussão sobre as interações, que serão aprofundadas adiante.

Na sequência estão, o texto sugerido para os estudantes e os slides.

Texto para aluno:

- Então me explica como pode um próton ficar junto de outro no núcleo se ambos

são positivos e se repelem?

- É porque existe uma força chamada força de interação nuclear forte, que

contrabalança a força de repulsão elétrica entre os prótons.

Mas o que ainda não lhe contei sobre o núcleo é que dentro dele, além dos prótons,

existe também outro tipo de partícula que é neutra, isto é, não tem carga, e por isso

foi denominada nêutron.

[...]

- Mas que força é esta, vovó, que mantém os prótons e nêutrons no núcleo?

- Tanto os prótons como os nêutrons estão sujeitos à esta força de interação forte

que os mantém unidos no núcleo. Essa força é diferente da força eletromagnética

entre cargas elétricas. Enquanto a força eletromagnética pode ser atrativa ou

repulsiva, dependendo das cargas, a força nuclear é sempre atrativa e

independente da carga elétrica. Assim a força nuclear que une dois prótons no

núcleo é a mesma que une dois nêutrons, e a mesma que une um próton e um

nêutron.

[...]

Para a força nuclear, o próton e o nêutron são equivalentes, isto é, a força nuclear

entre eles é a mesma, e portanto quando queremos falar sobre prótons e nêutrons

no núcleo sem discriminá-los, usamos chama-los de núcleons, pois são

CONSTITUINTES DO NÚCLEO. (ENDLER, p. 24 , 2007).

Slides Atividade 5:

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide14

Slide 15

Referências:

ABDALLA, M. C. B. O discreto charme das partículas elementares. São Paulo: Editora

UNESP, 2006.

CARUSO, F.; OGURI, V. SANTORO, A. Partículas elementares: 100 anos de descoberta. São

Paulo: Editora Livraria da Física, 2012.

Unidade 2: A constituição do campo de estudo de Física de Partículas

Em 1950 havia muitas questões em aberto ainda, entre elas estava a

instabilidade do núcleo: como prótons e nêutrons poderiam ficar confinados em um

espaço tão pequeno? O núcleo não deveria explodir?

A fim de responder tais questões, em 1935 Hideki Yukawa propôs a existência

de uma partícula mediadora da interação entre prótons e nêutrons no núcleo do

átomo. Isto é, Yukawa propôs que prótons e nêutrons interagem trocando uma

partícula, a qual foi batizada com o nome de méson π ou píon. Basicamente a ideia

seria a seguinte: um píon era emitido por um próton, por exemplo, e absorvido por

um nêutron e vice-versa. Dessa forma, prótons e nêutrons exercem forças uns sobre

os outros, essa força foi chamada de forca nuclear, cuja interação é forte.

(MOREIRA, M. A., 2007)

Até este momento o píon era só uma ideia, uma previsão teórica. Então, em

1936, quando os físicos foram buscar evidências experimentais da existência do

píon, encontraram inesperadamente outra partícula, que foi denominada de Múon.

O píon só foi detectado experimentalmente em 1947 por Yukawa. César

Lattes (1924 – 2005), físico brasileiro, contribuiu de maneira significativa na

descoberta do píon.

Chegamos até aqui com as seguintes partículas descobertas: elétron, próton,

nêutron, neutrino, pósitron, múon e píon, todas encontradas a partir de estudos que

envolvem raios cósmicos e Física Nuclear. Neste período, físicos perceberam que

muitas outras partículas poderiam ser estudadas com detectores mais sensíveis,

surgindo então a necessidade de construção dos aceleradores de partículas. Estes

ajudam a consolidar o campo de estudos de Física de Partículas. A partir daí, mais e

mais partículas foram descobertas (vamos estuda-las na Unidade 3), e com isso a

necessidade de organizá-las em famílias ou grupos. Assim como há a tabela

periódica em que são organizados os elementos químicos, os físicos pensaram em

uma organização para as partículas, conhecida hoje como Modelo Padrão.

Nesta unidade, com objetivo de dar um salto da década de 1950 para a

atualidade, na qual temos intenção de estudar todas as partículas do modelo

padrão, trabalharemos com atividades de pesquisas, voltadas primeiramente para a

descoberta dos mésons e píons e também da participação do físico brasileiro Cesar

Lattes na descoberta do píon.

No segundo momento, nosso foco estará voltado para o estudo dos

aceleradores de partículas, pois foi a partir deles que chegamos ao grande número

de partículas que conhecemos hoje.

Atividade 1: Múons, píons e a contribuição de um físico brasileiro para a Física

de Partículas

Orientação para o Professor:

- a atividade 2 desta pesquisa exigirá a leitura de um texto um pouco complexo para

estudantes do Ensino Médio, por esse motivo sugere-se que a leitura deste texto

seja feita de forma coletiva.

- na atividade 3 é importante que o estudantes percebam que os cientistas estavam

procurando uma partícula para mediar a força forte entre os prótons (no caso o

píon), e que nessa busca encontraram de forma inesperada o múon. Tudo só foi

esclarecido em 1947 com a detectação do píon, quando os cientistas perceberam

que o múon, na verdade era o resultado do decaimento do píon.

Roteiro de pesquisa para o aluno:

COLÉGIO ESTADUAL DO PARANÁ – ENSINO FUNDAMENTAL, MÉDIO E PROFISSIONAL

Roteiro para pesquisa: Múons e Píons

Discplina: Física

Professor: Juliana

Alunos:

Primeiramente vamos conhecer um pouco sobre o físico brasileiro César Lattes.

Para isso você deve acessar o link abaixo da CBPF e fazer a leitura do texto.

http://www.cbpf.br/Staff/Hist_Lat.html

Para discutirmos a descoberta do Méson Pi, nada mais adequado do que fazermos

a leitura da descrição da descoberta feita pelo próprio Cesar Lattes. Essa descrição

foi feita em inglês em 1984. A tradução foi feita por Roberto A. Martins e pode ser

encontrada no seguinte endereço:

http://www.ghtc.usp.br/clattesp.htm

Leitura complementar:

http://www.seara.ufc.br/donafifi/raioscosmicos/raioscosmicos5.htm

Para entender sobre a descoberta dos múons, o seguinte endereço deve ser

considerado:

http://www.seara.ufc.br/donafifi/raioscosmicos/raioscosmicos3.htm

Além deste sugerido, pesquise em outros sites e livros para que as seguintes

questões sejam esclarecidas:

O que motivou a busca pelo múon?

No momento em que foi encontrado o múon ele se encaixou na teoria? As

características batiam com a partícula prevista por Hideki Yukawa?

E no cenário atual do Modelo padrão qual é a importância ou o papel do

múon?

Atividade 2: Apresentação do CERN e do LHC

1.1 Trecho do livro anjos e demônios

Encaminhamento da atividade: Sugere-se que a leitura do trecho do livro “Anjos e

Demônios” seja feita em duplas. Após a leitura os estudantes devem responder as

seguintes questões:

1. Quem são os personagens envolvidos na história?

2. Onde os personagens se encontram?

3. Como o cientista justifica o fato do simbologista não conhecer o CERN?

Considerando isso qual deve ser a nacionalidade de Langdon?

4. Como você já deve ter concluído, o CERN fica localizado na Europa. Você

sabe dizer em qual país? Você e/ou seu colega já tinham ouvido falar sobre o

CERN antes de iniciarmos os estudos sobre Física de Partículas? O que

tinham lido sobre isso ou ouvido falar?

5. Na sua opinião, o que Langdon sabe sobre Física de partículas? Justifique.

6. Faça um breve comentário do último diálogo do texto, envolvendo o que

discutimos em aula desde que começamos estudar esta temática.

Texto para o aluno:

APRESENTAÇÃO DOS PERSONAGENS

Meu Nome é Maximilian Kohler. Sou físico de Partículas Discretas.

Um o quê? – Langdon mal conseguia se concentrar. – Tem certeza de que procurou o

Langdon certo?

- O senhor é professor de Simbologia Religiosa na Universidade de Harvard. Escreveu três

livros sobre simbologia e ...(BROWN, p.13, 2004).

JÁ NO CERN

Passaram por uma porta mecânica e entraram no descomunal saguão principal do

CERN.

A catedral de vidro, Langdon refletiu, levantando os olhos para o alto.

Lá em cima, o teto de vidro azulado cintilava ao sol da tarde, lançando raios que

formavam padrões geométricos no ar e davam ao local uma sensação de grandiosidade.

Sombras angulares projetavam-se em forma de veias na cerâmica das paredes e no piso

de mármore. O ar tinha um cheiro limpo, esterilizado. Havia alguns cientistas circulando por

ali, apressados, o som de suas passadas escoando no espaço. (BROWN, p.26, 2004).

[...]

Langdon tentou puxar conversa.

- Confesso que estou encabulado por nunca ter ouvido falar do CERN.

- Não de espantar – replicou Kholer, a resposta cortante soando áspera e eficiente. – A

maioria dos americanos não vê a Europa como líder mundial em pesquisa científica e sim

como um pitoresco distrito de compras, nada mais do que isso. O que é estranho,

considerando-se as nacionalidades de homens como, Galileu e Newton. (BROWN, p.27,

2004).

APRESENTAÇÃO DO CERN

Esses são nossos prédios residenciais – explicou Kholer – Temos mais de 3.000 físicos

aqui. O CERN sozinho emprega mais da metade dos físicos de partículas do mundo, as

mentes mais brilhantes do planeta: alemães, japoneses, italianos, holandeses, todos, enfim.

Nossos físicos representam mais de 500 universidades e 60 nacionalidades. (BROWN,

p.30, 2004).

SOBRE FÍSICA DE PARTÍCULAS

- Tem alguma noção de Física de Partículas, senhor Langdon?

Langdon encolheu os ombros.

- Tenho noções sobre Física geral, queda dos corpos pesados e coisas assim.

- Sua experiência de mergulho dera-lhe um profundo respeito pelo poder impressionante da

aceleração gravitacional. – A Física das Partículas é o estudo dos átomos, não é?

Kohler balançou a cabeça.

- Os átomos parecem planetas se comparados com as coisas com que lidamos. Nosso

interesse está no núcleo do átomo, apenas dez milionésimos do tamanho todo. – Tossiu de

novo, parecendo adoentado. – Os homens e mulheres do CERN estão aqui para encontrar

respostas para as mesmas perguntas que o homem vem fazendo desde o começo dos

tempos. De onde viemos? De que somos feitos?

[...]

Langdon era só perplexidade.

- E são essas as perguntas que o CERN está tentando responder?

- Corrigindo: são as perguntas que estamos respondendo. (BROWN, p.31, 2004).

1.2 Vídeo

Na atividade 1.1 colocamos em discussão o CERN, o vídeo selecionado e indicado a

seguir é uma notícia real, apresentada pelo Jornal Hoje da Rede Globo em que traz

o momento da inauguração do LHC e a primeira colisão oficial entre feixes de

prótons. Este vídeo dará continuidade a atividade 1.1.

http://www.youtube.com/watch?v=qPgcVqPZ6QE

Atividade 2 – Pesquisa orientada no Laboratório de informática

Apresentado o LHC e o CERN aos estudantes é momento de explorar e conhecer

sobre os aceleradores de partículas e como as pesquisas acontecem nestes

espaços. Para isso, na sequência há um roteiro de pesquisa para os estudantes. De

posse desse material, todos devem ser levados até o laboratório de informática para

iniciar a pesquisa sob a orientação do professor. O tempo para essa pesquisa será

de duas horas-aula. Essa pesquisa exigirá mais que duas horas-aula e, a conclusão

da pesquisa deve ser feita em casa pelos estudantes e entregue ao professor em

outro momento. A pesquisa pode ser realizada em duplas, e pode ser considerada

como uma atividade avaliativa da unidade 2.

Texto de apoio para o professor:

PEREIRA, MARTA MAXIMO. LHC: o que é, para que serve e como funciona? In:

Física na Escola, vol. 12, n.1, 2011.

Disponível em: http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol12/Num1/lhc.pdf

Roteiro de pesquisa para o aluno:

COLÉGIO ESTADUAL DO PARANÁ – ENSINO FUNDAMENTAL, MÉDIO E PROFISSIONAL

Roteiro para pesquisa: aceleradores de partículas.

Discplina: Física

Professor: Juliana

Alunos:

http://www.youtube.com/watch?v=NDfC7QHzMzQ Assista ao vídeo e anote os trechos do rap que precisam ser esclarecidos. Continue sua pesquisa, ao final discutiremos cada um dos pontos anotados por você.

http://home.web.cern.ch/ Nesta página clique no link: About Cern (sobre o Cern). Naturalmente esta página estará em inglês, se preferir traduza-a para o português. No final da página há uma linha do tempo sobre a história do CERN, vá arrastando o mouse sobre essa linha do tempo para conhecer um pouco dessa história. Faça anotações sobre o que julgar interessante para discussão. http://atomica.if.ufrj.br/acelera.html Nesta página você encontrará um texto produzido na UFRJ, cujo título é “O que são aceleradores de partículas e porque são importantes?”, além de responder a esta pergunta, traz informações sobre alguns aceleradores que foram construídos ao longo da história e também sobre os que estão localizados no Brasil. Faça anotações sobre o que julgar interessante para discussão. http://fotos.estadao.com.br/o-lhc-partes-do-detector-de-particulas-cms-um-dos-quatro-detectores-do-acelerador-de-particulas-lhc,galeria,972,28840,,,0.htm?pPosicaoFoto=2#carousel Neste site você encontrará boas fotos do túnel do LHC e também dos seus detectores. Utilizando os sites indicados e outros que você mesmo pode buscar – lembre-se os sites escolhidos por você devem ser de confiança – responda as seguintes questões:

a) Onde está localizado o CERN? Quando foi fundado?

b) O que significa a sigla CERN? E LHC? E o LHC, quando foi sua inauguração?

c) Quais são as dimensões do LHC? – extensão, profundidade. d) Levante informações sobre a construção do LHC. e) O objetivo do LHC é acelerar partículas? Mas porque alguém faria isso? f) Qual a energia que os feixes de prótons atingem no LHC? Faça um breve

estudo sobre a unidade de medida eV. g) Indique quais são os cinco detectores de partículas ao longo do túnel do LHC

e qual seu principal papel. h) Já sabemos que as partículas aceleradas no LHC são os prótons. Pesquise

qual elemento da tabela periódica é utilizado para isolar o próton e como é feito esse processo.

i) Como os feixes de prótons ficam confinados dentro do túnel?

http://www.youtube.com/watch?v=ZRWnrJbxbVY

a) Onde fica o Laboratório Nacional de Luz Sincrotron (LNLS)? b) Quais são as partículas aceleradas no LNLS? c) O que é a luz síncrotron? d) Qual o objetivo dos estudos realizados no LNLS? Há alguma aplicação

tecnológica? Os seguintes sites podem auxiliar na pesquisa sobre o Luz Sincrotron:

http://cienciahoje.uol.com.br/colunas/do-laboratorio-para-a-fabrica/luz-sincrotron-o-que-e-isso www.lnls.br Esta página está inglês, mas se você preferir pode usar recurso do google para traduzi-la para o português.

a) A forma como os personagens acessam os laboratórios ao longo do LHC é viável?

b) A manipulação da antimatéria feita pelos personagens é possível? c) Se tiver alguma cena que julgar relevante faça anotações.

Unidade 3: mais e mais partículas

Com a descoberta de mais e mais partículas entre as décadas de 1960 e

1970 houve a necessidade de encontrar alguma forma para organizá-las e eis que

depois de muito trabalho os cientistas encontram uma forma e organizam as

partículas por famílias, no que é conhecido hoje por modelo padrão. Tal modelo se

mantém atual e muitas partículas que foram previstas pelo modelo padrão foram

mais tarde detectadas nos aceleradores de partículas. A última partícula a ser

detectada, em 2012, foi o Bóson de Higgs que havia sido proposta pelo físico inglês

Peter Higgs, em 1964, mas até então não tinha sido detectada. A sobrevivência do

modelo padrão dependia da comprovação experimental de tal partícula, que estava

há muito tempo sendo procurada no acelerador de partículas do CERN – o LHC.

Atualmente o Modelo Padrão se encontra organizado da seguinte forma:

Léptons Elétron (é) Neutrino

do elétron

(νé)

Múon (µ) Neutrino

do elétron

(νµ)

Tau (T) Neutrino

do elétron

(νT)

Quarks Up (u) Down (d) Charme

(c)

Strange (s) Top (t) Bottom (b)

Bósons ϒ G Z W

Tabela 1: famílias do modelo padrão

O Modelo Padrão também prevê as interações: eletromagnética, fraca e

forte. É preciso esclarecer que no Modelo Padrão se encaixam só as partículas

entendidas como elementares, ou seja, aquelas que não tem estrutura interna. Por

exemplo, o próton não está no Modelo Padrão porque não é partícula elementar,

pois ele é constituído por quarks, os quais estão no Modelo Padrão, pois são

consideradas partículas elementares.

No total o Modelo Padrão é constituído por 61 partículas, distribuídas da

seguinte forma:

Quarks 6 quarks: 6 sabores (cada

sabor possui 3 cores) + suas

antipartículas.

Total de quarks: 36

Glúons Partículas de interação entre

quarks

Total de Glúons: 8

Léptons 6 léptons + 6 antipartículas Total de Léptons: 12

Fóton Fóton é considerado um

bóson

Total: 1

Bósons de Gauge Z0, W+, W-. Total: 3

Bóson de Higgs Higgs que foi detectada

recentemente

Total: 1

Total de partículas 61

Tabela 2: partículas do modelo padrão

Os bósons de Gauge são partículas mediadoras e são responsáveis pela

interação fraca. O fóton também é um bóson, mas é mediador da interação

eletromagnética e não tem massa.

Já o Bóson de Higgs “é o cara”, é a partícula que dá massa para as outras

partículas.

Os Glúons, do inglês glue (cola) mantêm os quarks unidos no interior de

outras partículas (prótons e nêutrons), sendo responsável pela interação forte.

E finalmente os quarks e os léptons são as partículas constituintes da matéria.

As partículas que são formadas por Quarks são chamadas de Hádrons, os quais são

classificados como bárions ou mésons, de acordo com sua estrutura interna, como

podemos observar na tabela 3.

Bárions Formadas por 3 quarks Tem spin semi-inteiro e

obedecem o princípio de

exclusão de pauli.

Mésons Formado por 1 quark e 1

antiquark

Tem spin inteiro e não

obedecem o princípio de

exclusão de pauli.

Tabela 3: classificação dos quarks

Por sua vez, os Léptons, são partículas menos massivas, possuem spin semi-

inteiro, obedecem o princípio de exclusão de Pauli, por isso são da família dos

férmions, juntamente com os bárions.

Enfim, essas são as partículas que serão estudadas nos seminários, com

todas suas características e singularidades.

Atividade 1: Seminários

Essa unidade foi desenvolvida tendo como referência o livro “O discreto

charme das partículas elementares” e será desenvolvida na forma de seminário. O

formato será o seguinte:

- cada grupo de estudantes (o número de estudantes por grupo deve ser adaptado,

conforme tamanho da turma) ficará responsável por apresentar um tema, entre os

descritos:

1 – Estranheza e neutrino do múon;

2 – Quarks: up, down e strange;

3 – Quark charme;

4 – Bósons de Gauge;

5 – Glúons;

6 – Tau e neutrino do tau;

7 – Bottom e top;

8 – Bóson de higgs.

- Após definido os grupos, serão distribuídos os temas. Cada grupo pode utilizar a

forma que quiser para apresentar a partícula (slides, vídeo, cartaz, teatro). Será

preciso usar a imaginação.

- Cada equipe terá 10 minutos para apresentar seu tema. Em linhas gerais, nas

apresentações é preciso considerar:

o histórico da descoberta ou proposta da partícula;

suas principais características.

- Ao final de cada apresentação o grupo responsável deverá entregar aos demais

estudantes um breve resumo (poucas linhas) sobre a (s) partícula (s) apresentada

(s). O mesmo deve ser colado no caderno.

- A ordem de apresentação deve seguir a ordem cronológica da descoberta ou

proposta das partículas.

- Cabe ao professor orientar a produção de cada equipe. Na sequência,

apresentamos referências para o professor. Há também uma tabela “Orientações

para os seminários”, orientações que devem ser passadas pelo professor aos

grupos.

- Os seminários devem ser avaliados pelo professor, tendo como critérios de

avaliação as Orientações da tabela 4.

- Para finalizar os seminários o professor deve fazer uma síntese, apontando todas

as partículas estudadas ao longo dessa sequência e localizando-as por famílias

dentro do Modelo Padrão.

________________________________________________________________

Orientações para os seminários

Grupo Partícula Orientações para elaboração da apresentação

1

(4 integrantes)

Estranheza

(1955)

O que são as partículas estranhas?

Como e onde foi descoberta a partícula

estranheza? Quando foi detectada? A partícula

teve outro nome antes desse? Como é o rastro

que a partícula deixa na câmara de nuvens? Esse

rastro tem alguma relação com seu primeiro

nome? Quais cientistas participaram da sua

descoberta?

Neutrino do

Múon (1962)

Onde e por quem foi descoberto o neutrino do

múon? Quem recebeu o Nobel pela descoberta?

Descreva o experimento que detectou o neutrino e

como ficou o quadro das partículas elementares

com a descoberta de mais um neutrino, uma vez

que já era conhecido o neutrino do elétron.

2

(4 integrantes)

Quarks: Up (u),

Down (d) e

Strnge (s)

(1964)

Nesse momento já era conhecido o quark

estranheza. Considere essa informação para

responder as seguintes questões:

- qual o papel de Gell-mann na proposta dos

quarks u e d?

- descreva o modelo proposto por Gell-mann.

- como se dá a formação de partículas por quarks.

3

(2 integrantes)

Quark Charme

(1964)

O quark charme foi proposto incialmente por dois

americanos. Qual foi o argumento usado por eles

para propor? Onde e como foi observada a

existência do quark charmoso. Faça um quadro

ou uma tabela para organizar os quarks que são

conhecidos até o momento.

4

(4 integrantes)

Bósons de

Gauge (1967)

Já estudamos um dos bósons – o fóton (ϒ), no

entanto há mais três bósons: Z0, W+, W-. Esses

três são classificados como bósons de gauge e o

fóton não entra nesta classificação. Explique o

porquê. E mais:

Os bósons de gauge são responsáveis por qual

interação? E o fóton?

Lembra do CERN? Pois é, os bósons de gauge

foram detectados neste laboratório. Descreva

como foi.

5

(4 integrantes)

Glúons (1973) O que são glúons? Medeiam qual interação?

Quantos são os glúons conhecidos e descritos

pelo modelo padrão?

Onde e como foi observado a evidência mais

direta da existência dos glúons?

Ao encerrar a apresentação dos glúons, o professor pode fazer uma síntese das

interações, pois com a descoberta dos glúons, as partículas de interação estão

todas descobertas como apresentadas na tabela 2.

6

(4 integrantes)

Tau (1975) e

neutrino do tau

Até aqui conhecemos duas gerações dos léptons.

1 ª geração: elétron; 2 ª geração: Múon. O tau é a

3ª geração, descoberto muito tempo depois das

outras duas.

Conte onde e como foi descoberto o tau?

Se os outros dois létptons possuem neutrinos

associados, como fica o tau?

Há previsão teórica neste momento para o

neutrino do tau? As simetrias chamavam a

existência de um acompanhante para o tau.

Quando foi detectado o neutrino do tau?

7

(4 integrantes)

Botton (1977)

Top (1195)

O quadro dos quarks na época da descoberta do

botton encontrava-se assim:

1 ª geração: u, d

2 ª geração: s, c

O botton (b) é o quinto quark a ser descoberto,

iniciando uma terceira família. Responda as

seguintes questões: como é sua massa em

relação aos outros quarks? Conte sobre o

laboratório em que o botton foi descoberto e

também sobre a sua descoberta.

O top (t) foi o último quark a ser descoberto, em

1995, conte um pouco sobre suas características.

Encerrando a apresentação dos quarks bottom e top, o quadro dos quarks está

completo. Sendo assim, seria interessante que o professor fizesse uma síntese,

classificando os quarks dentro do modelo padrão junto com as demais partículas

estudadas até aqui. Caso os estudantes tenham sido alertados que o Modelo padrão

prevê 61 partículas, logo perceberão que foram estudadas 60 partículas, falta uma,

como poderíamos chamar essa partícula? Seria a “cereja do bolo” do modelo

padrão: o bóson de Higgs! A qual deve ser apresentada na sequência pelo último

grupo, encerrando com isso os seminários.

8

(4 integrantes)

Bósons de

Higgs

De quando é a previsão teórica do bóson de

Higgs? Quem previu? Quando e como foi

detectado o bóson de Higgs? Qual é o papel e a

relação do LHC, desde sua construção, com a

busca deste bóson? Qual é o papel dessa

partícula na estrutura do modelo padrão.

Tabela 4: Organização para os seminários.

Sugestão de atividades extras:

- game de física de partículas: http://www.sprace.org.br/sprace-game

- Vídeo de um discreto charme das partículas elementares:

http://www.inape.org.br/multimidia/videos/fisica-particulas-dvd

Referências:

ABDALA, M. C.B. O discreto charme das partículas elementares. São Paulo:

Editora UNESP, 2006.

BROWN, D. Anjos e Demônios. Tradução de Maria Luiza Newlands da Silveira. Rio

de Janeiro: Sextante, 2004.

CARUSO, F.; OGURI, V.; SANTORO, A. Partículas Elementares: 100 anos de

descobertas. São Paulo: Editora e Livraria da Física, 2012.

ENDLER, A. M. F. Vovó conta de que são feitas as coisas. São Paulo: Editora

Livraria da Física, 2007.

KANTOR, Carlos, A.; et. al. Física, 3º ano. São Paulo: Editora PD, 2010.

MOREIRA, M. A. A Física dos quarks e a epistemologia. In: Revista Brasileira de

Ensino Física, vol. 29. São Paulo, 2007.

Disponível em:

http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1806-11172007000200001&script=sci_arttext

Acesso: 09/12/2014.

MOREIRA, M. A. O modelo padrão da física de partículas. In: Revista Brasileira de

Ensino de Física, v. 31, n. 1, 1306, 2009. Disponível em:

http://www.if.ufrgs.br/~moreira/modelopadrao.pdf Acesso: 09/12/2014.

Silva, L. F. da; Assis, A. Física Moderna no Ensino Médio: um experimento para

abordar o efeito fotoelétrico. In: Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 29, n.2,

Ago/ 2012. Disponível em:

https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/21757941.2012v29n2p313/22920. Acesso em: 03/AGO/2013.