Um mapa conceitual sobre a evolução do conceito do átomo

Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR
Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciência e Tecnologia - PPGECT
Um mapa conceitual sobre a evolução do conceito do
átomo: uma introdução à Física de partículas
elementares para o Ensino Médio
Marcos Fernando Soares Alves
Denise Alanis
Luciano Gonsalves Costa
Resumo
Este trabalho apresenta uma proposta de introdução à física de partículas
elementares para o ensino médio, em que o ponto de partida é a evolução do
conceito do átomo. Para isso, como ferramenta didática, sugere-se a utilização de
um mapa conceitual que aborda a evolução cronológica do átomo, suas partículas
constituintes, forças fundamentais e partículas mediadoras. Tendo como
fundamento para a sua elaboração e utilização a abordagem superficial do
conceito de átomo no nível médio de ensino e a necessidade de atualização
curricular da escola básica em que se defende a inserção de temas atuais da
Física.
Palavras-chave: Ensino de Física, Partículas Elementares.
Abstract
A conceptual map of the evolution of the concept of the atom: an
introduction to the physics of elementary particles for high schools.
This paper presents an introduction to the physics of elementary particles
for high schools, which the starting point is the evolution of the concept of the
atom. For that, as a teaching tool, it is suggested to use a conceptual map that
covers the chronological evolution of the atom, its constituent particles,
fundamental forces and mediator particles. Taking as a basis for its preparation
and use the superficial approach of the concept of the atom for high school
students and the need to update the curriculum in elementary school, that it is
advocated the inclusion of current topics of physics.
Keywords: Physics Education, Elementary Particles.
II Simpósio Nacional de Ensino de Ciência e Tecnologia
07 a 09 de outubro de 2010
Artigo número: 91
ISBN: 2178-6135
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Introdução
Desde os tempos mais remotos, a partir dos gregos há mais de 2500 anos, o homem já buscava
respostas sobre os componentes essenciais que formariam o Universo. Interrogação que, na
atualidade, ainda permanece válida na busca das partículas elementares, os verdadeiros “tijolos
básicos para a construção de toda a matéria” (MOREIRA, 2007, p. 6). Muitos séculos nos separam
dos antigos gregos, mas, para que a natureza das coisas pudesse ser compreendida, a idéia de átomo
sempre precisou ser relembrada e aprimorada ao longo da história (GREF, 1998, p. 54).
O conceito de átomo, a princípio, como idéia filosófica, teve de evoluir para um pensamento
científico a fim de que a estrutura atômica, já imaginada pelos gregos, pudesse ser explicada e
entendida. O átomo primordial, como ente indivisível, foi primeiramente “quebrado” por J.J.
Thomson, em 1898, ao descobrir o elétron. Em seguida, estruturado por Rutherford, em 1911, ao
propor um núcleo carregado positivamente, composto por prótons, com elétrons que o orbitavam.
Posteriormente, o modelo de Rutherford foi reformulado por Bohr, em 1913. E, em 1920 foi
proposto que juntamente com os prótons existissem partículas neutras no interior do núcleo, tais
partículas só foram descobertas em 1932. Atualmente, aceita-se que os prótons e nêutrons sejam
formados por partículas verdadeiramente elementares classificadas como quarks, onde os prótons
são constituídos por dois quarks up e um quark down, já os nêutrons por dois quarks down e um
quark up.
Apesar dos esforços de muitos para a “construção” do modelo atômico atual, nas escolas de
Ensino Médio, geralmente, a abordagem do presente tópico, “evolução do conceito do átomo”,
acontece de maneira insuficiente, sem a preocupação dos conceitos históricos e científicos
envolvidos, feito simplesmente para dar continuidade ao rol de conteúdos.
O currículo da escola básica tem uma defasagem grande em relação ao progresso da Ciência,
principalmente em Física onde o conteúdo transmitido não chega ao século XX. Nesse sentido é
evidente a preocupação dos pesquisadores em ensino de Física que apontam justificativas relevantes
para a atualização curricular do Ensino Médio, defendendo a inserção de tópicos atuais da Física na
grade curricular para que os alunos desse nível da educação possam ter acesso ao conhecimento
contemporâneo da Ciência. Para Ostermann e Moreira (2000), a etapa de “levantamento de
justificativas” para a inserção de tópicos da Física Moderna e Contemporânea já foi superada, dessa
forma, é necessário empenho para que temas atuais da Física façam também parte das aulas no
Ensino Médio. Partindo desses pressupostos, e do fato de que o tema partículas elementares é um
tópico relevante a ser trabalhado nas escolas de nível médio, este trabalho apresenta um mapa
conceitual, para ser utilizado em sala de aula como material didático complementar e introdutório à
Física de Partículas. O mapa em questão aborda a ordem cronológica da evolução do conceito do
átomo e, no decorrer de sua construção, trata das partículas elementares constituintes do átomo, as
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interações fundamentais e as partículas mediadoras. O presente trabalho é parte de um projeto mais
amplo que visa levar diversos temas contemporâneos da Física para as escolas de educação básica.
Os filósofos gregos e os constituintes da matéria
O pensamento filosófico a respeito dos elementos fundamentais formadores do Universo
surgiu na Grécia antiga, com os filósofos pré-socráticos. Thales de Mileto (624-546 a.C.) foi um dos
primeiros a questionar a existência de um elemento primordial do qual todas as coisas seriam
formadas e, para ele, este elemento seria a água. Assim, dá-se início a uma corrente filosófica
denominada “monismo”, na qual tudo é feito de uma única matéria primitiva (BASSALO, 1983).
Xenófanes da Jônia (~570 - ~460 a.C.) considerava que a terra era o elemento primordial. Para
Heráclito de Éfeso (~540 - ~580 a.C.) era o fogo. Anaxímenes de Mileto (570 - ~500 a.C) acreditava
ser o ar. Já Anaxágoras de Clazômena (~500 - ~428 a.C.) imaginava a matéria como sendo formada
por uma espécie de sementes (homeomerias), contendo semente dentro de semente infinitamente
(SIQUEIRA, 2006), antecipando a idéia atomística do universo. No entanto, de acordo com Almeida
(1983), o monismo encontrou dificuldades de aceitação, e assim, muitos filósofos passaram a deixálo de lado e “concentraram-se” na corrente chamada “pluralismo”, no qual a matéria é composta de
um pequeno número de elementos.
Discordando com as afirmações monistas de que todas as coisas seriam formadas por um
único elemento, Empédocles de Akragas (~490 - ~430 a.C.) foi o primeiro filósofo grego a considerar
o pluralismo. Para ele tudo era originário da combinação alternada de quatro elementos: água, fogo,
terra e ar, sendo unidas ou separadas por duas forças divinas: amor ou amizade e ódio ou inimizade.
Mais tarde, Aristóteles de Estagira (~348 - ~322 a.C.) afirmou que os elementos essenciais eram o
frio, o quente, o seco e o úmido que, unidos dois a dois, formariam os elementos de Empédocles.
A matéria constituída por um único elemento primordial retorna com os filósofos atomistas. A
palavra átomo (indivisível, em grego) surge com o filósofo Leucipo de Mileto (~460 - ~370 a.C.) que,
juntamente com seu discípulo Demócrito de Abdera (~470 - ~380 a.C.), defendia a matéria como
sendo constituída de um único elemento, invisível e indivisível, chamado átomo. Para eles os átomos
poderiam se movimentar no vazio, ao se unirem, a matéria seria formada e ao se separarem, a
matéria seria destruída. Demócrito afirmava que nada aparece do nada, o que ocorre é uma junção
de átomos invisíveis formando um novo corpo e, nada do que existe pode se destruir, mas sim,
ocorrer uma separação de átomos que antes haviam se juntado para formar algo. Outros
importantes atomistas foram Epicuro de Samos (~341 - ~270 a.C), que, apesar dos átomos terem
estrutura, acreditava que não podiam ser divididos em partes menores por nenhum meio e, Lucrécio
de Roma (~98 - ~ 55 a.C.), que concebia os átomos como infinitos em números, de diferentes formas
e tamanhos.
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Assim, de acordo com Martins (1994), os atomistas rompem com a visão de mundo que era
aceita na época, tirando o homem e a terra do centro do Universo. Acabam também por agregar
uma filosofia materialista até mesmo nas bases religiosas, por ser a alma, segundo eles, constituída
de átomos.
Breve histórico da evolução atomística: de Thomson a Bohr
A idéia especulativa da matéria sendo formada por átomos, ente indivisível, permaneceu até o
final do século XVII e início do século XX quando surgiu o atomismo científico (BASSALO, 1980b). Foi
o químico inglês John Dalton (1766-1844) quem primeiro utilizou a palavra átomo para fundamentar
uma teoria científica e, foi também ele quem elaborou o primeiro modelo científico (CARUSO e
OGURI, 1997). No entanto, em 1897, ao estudar os feixes luminosos em tubos de raios catódicos e
descobrir que tais feixes eram partículas carregadas negativamente, denominadas de elétrons, o
físico inglês J. J. Thomson (1856-1940) foi quem “separou” o átomo ao descobrir que tais partículas
seriam constituintes da matéria, concluindo que o átomo não era indivisível. No intuito de dar ao
átomo uma estrutura, em 1898, Thomson propõe um modelo conhecido como “pudim de ameixas”.
Esse modelo tinha como constituinte o elétron, que ficava distribuído homogeneamente em uma
massa de carga positiva. A existência de partículas positivas, segundo Bassalo (1980a), foi
evidenciada experimentalmente, em 1895, pelo físico francês Jean Baptiste Perrin (1870-1942) ao
estudar os raios canais. Mais tarde, em 1904, tais partículas foram denominadas de prótons (SILVA e
NATTI, 2007).
Com base no modelo atômico de Thomson, o físico inglês Ernest Rutherford (1871-1937), em
1911, fez incidir partículas alfa sobre uma fina lâmina de ouro, assim, esperava-se que essas
partículas sofressem uma deflexão relativamente pequena ou, simplesmente, nada sofressem, tendo
em vista a constituição atômica da lâmina. Porém, o resultado foi surpreendente, o desvio de
algumas dessas partículas eram maiores que 900 (CARUSO e OGURI, 1997). A experiência de
Rutherford mostrou que, ocasionalmente as partículas alfa sofriam grandes desvios incompatíveis
com o modelo até então aceito. Além do mais, ele concluiu que os espalhamentos das partículas alfa
eram devido ao fato de que as partículas positivas estavam concentradas em uma região central do
átomo denominada núcleo e ainda que o núcleo concentrava, praticamente, toda a massa do átomo.
O modelo proposto por Rutherford, segundo Bassalo (1980a), seria como um sistema planetário em
miniatura, idéia esta que já havia sido sugerida por outros cientistas, como o físico Japonês Hantaro
Nagaoka, em 1904, composto por um núcleo extremamente denso com elétrons girando em torno e
um grande vazio. Nesse modelo, os elétrons, ligados ao núcleo pela atração eletrostática, estavam se
movendo em órbitas circulares e, distribuídos ao redor do núcleo. Porém, tal modelo, por estar em
desacordo com algumas teorias já aceitas na época, logo começou a receber críticas. Segundo a
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teoria do eletromagnetismo clássico todo o movimento dos elétrons em torno do núcleo produziria
uma radiação contínua de energia o que implicaria numa união dos elétrons com o núcleo, formando
assim um átomo neutro (BOHR, 1995). Além disso, por ser o núcleo formado por prótons e muito
pequeno comparado ao raio atômico, como explicar a sua estabilidade mesmo com a força de
repulsão eletrostática atuando? Dessa forma, o átomo de Rutherford não era estável.
Na tentativa de explicar a estabilidade do átomo de Rutherford, o físico dinamarquês Niels
Henrik David Bohr (1885-1962), no ano de 1913, utilizando a idéia de quantização de energia
proposta por Planck em 1900, postulou que os elétrons só poderiam descrever um número discreto
de órbitas circulares, ou seja, os elétrons se moveriam apenas em órbitas permitidas, dessa forma,
não emitiriam energia e não se colapsariam com o núcleo.
A estabilidade nuclear e outras partículas elementares
constituintes do átomo
Questões sobre a estabilidade do núcleo continuavam a incomodar os físicos da época.
Começou-se então a cogitar a hipótese de que no núcleo, além dos prótons, poderiam existir outras
partículas. Assim, no ano de 1920, Rutherford sugeriu a existência de partículas neutras como
constituintes do átomo e, exatamente por serem neutras, não poderiam ser detectadas através de
campos eletromagnéticos.
As experiências de bombardeio de Berílio por partículas alfa permitiram notar a emissão de
uma radiação muito penetrante, mas, que, de acordo com Bassalo (1980b), não foram bem
interpretadas pelos responsáveis pelas observações. Após repetir essas experiências o físico inglês
James Chadwick (1981-1974), em 1932, interpretou tais radiações como sendo uma partícula neutra,
com massa aproximadamente igual a do próton, denominando-a de nêutron. A hipótese de que o
nêutron era um constituinte do átomo foi formulada pelo físico Werner Karl Heisenberg (1901-1987)
e, independentemente, pelo físico russo Dimitrij Iwanenki (BASSALO, 1980a). Portanto, agora, o
átomo é constituído por elétrons que circulam o núcleo em órbitas discretas, que por sua vez, é
formado por prótons e nêutrons de massas praticamente idênticas.
Analogicamente à interação eletromagnética que ocorre entre as partículas portadoras de
carga elétrica e a gravitacional aos detentores de massa, porém relevante apenas no âmbito
macroscópico, era plausível a idéia de que havia uma força que atuava somente nas dimensões do
núcleo, podendo, enfim, explicar o não rompimento nuclear. Assim, em 1935, o físico japonês Hideki
Yukawa (1907-1981) levantou a hipótese das forças nucleares. Essas forças, denominadas de força
nuclear forte e força nuclear fraca, são de curto alcance com raio de ação da ordem de 10-15 e 10-17m,
respectivamente. A força forte é atrativa e age entre os núcleons (nome coletivo para prótons e
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nêutrons), sendo mais intensa que a força eletromagnética, impede a repulsão entre os prótons. Já a
força fraca é assim denominada pois sua intensidade é menor quando comparada à força forte
(OSTERMANN, 1999).
Atualmente, sabe-se que as forças fundamentais da natureza (eletromagnética, gravitacional,
fraca e forte) são transmitidas através de partículas mediadoras (classificadas como bósons), ou seja,
são essas partículas as responsáveis pelo “contato” entre um corpo e outro. As partículas mediadoras
da força nuclear forte são os glúons e os da força nuclear fraca as partículas W+, W- e Z0.
Com a teoria das forças nucleares, finalmente, a estabilidade nuclear foi explicada. No entanto,
novas questões começaram a surgir: “Seriam as partículas constituintes do átomo verdadeiramente
elementares?”. A concepção de que os nêutrons, os prótons e os elétrons seriam partículas
elementares permaneceu por longo período. Porém, em 1964, Murray Gell-Mann (1929-) e George
Zweig (1937-), independentemente, propuseram a existência do quark (OSTERMANN, 1999). A
respectiva teoria propôs inicialmente a existência de três tipos de quarks: up (u), down (d) e strange
(s), sendo que os prótons e os nêutrons são formados pelos quarks mais abundantes da natureza, os
quarks up e down. Os prótons são compostos por dois quarks up e um quark down (uud), já os
nêutrons são formados por dois quarks down e um quark up (ddu). Segundo Moreira (2007, p. 6):
“Hoje aceita-se que os quarks, assim como os elétrons, são as partículas verdadeiramente
elementares da matéria, uma espécie de tijolos básicos para a construção de toda a matéria,
inclusive dos nêutrons e prótons”.
Apesar deste trabalho destacar as partículas constituintes do átomo, vale ressaltar que tais
partículas não são as únicas propostas e descobertas ao longo da história. A descoberta do elétron
foi o primeiro passo para uma gama de partículas que foram identificadas posteriormente, hoje são
conhecidas 57 diferentes partículas. O quark é um grupo constituído por seis partículas, sendo as
partículas up e down formadoras dos prótons e nêutrons. Os elétrons compõem um grupo chamado
de léptons no qual, simetricamente aos quarks, são seis as partículas desse grupo. O conjunto de
léptons e quarks fazem parte de um grupo maior, denominado Férmions. Além disso, anteriormente
foi apresentado que as forças fundamentais da natureza são intermediadas via troca de partículas
mediadoras, que por sua vez se agrupam na família de Bósons. Essa breve descrição dos grupos de
partículas, sem relatar seus constituintes particulares, nos permite citar a existência de um modelo
que estabelece a organização das partículas até então conhecidas, denominado Modelo Padrão, que
serve como um excelente referencial teórico para a Física de Partículas Elementares.
Uma síntese da evolução do conceito do átomo através de um
mapa conceitual
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O uso de mapas conceituais como contribuinte ao processo ensino-aprendizagem tem sido
tema de diversos trabalhos publicados nos mais variados meios de divulgação. A utilização desse
recurso educacional é de extrema importância, pois permite ao aluno ter uma visão geral do assunto
abordado. E, segundo Tavares (2007, p. 81), “quando os alunos aprendem determinado tema
utilizando mapas conceituais, eles desenvolvem seu próprio entendimento através da internalização
da informação”. Mapas conceituais são, de acordo com Moreira e Rosa (1986), estruturas de
conceitos que interligam entre si e podem ser utilizados para a organização, a representação e a
análise do conteúdo, contribuindo assim para uma aprendizagem significativa.
Os mapas conceituais foram desenvolvidos apoiados na teoria da Aprendizagem Significativa
de Ausubel, em que, de uma forma geral, visa à aprendizagem de novos conhecimentos relacionados
com a aprendizagem prévia. Um mapa conceitual expressa como o assunto está estruturado na visão
do autor, portanto, apesar dos vários tipos de mapas conceituais existentes, como ressalta Moreira e
Rosa (1986, p. 18), não há uma regra fixa ou um modelo rígido para a sua construção: “o importante
é que ele evidencie as relações e as hierarquias entre os conceitos”. Além disso, é necessário que o
autor do mapa explique-o, pois os mapas conceituais não são auto-suficientes.
A seguir é apresentado um mapa conceitual que permite organizar e estruturar a evolução do
conceito do átomo, desde a concepção dos gregos antigos até a concepção atual. Ao longo da
construção do mapa procurou-se seguir uma evolução cronológica dos fatos e também das
descobertas das partículas constituintes do átomo, o que possibilita utilizá-lo como material didático
introdutório para a inserção do tema Física de Partículas Elementares no Ensino Médio.
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Fig. 1: Um mapa conceitual que apresenta, de forma cronológica, a
evolução do conceito do átomo e suas partículas constituintes.
O mapa conceitual acima pode ser explicado da seguinte maneira: “A busca pelo constituinte
fundamental, formador do Universo, sempre foi uma procura incansável do homem. Desde os
tempos mais remotos, o homem já imaginava que deveria existir um elemento primordial, excluindo
a hipótese única de que deus, ou algo místico, era o responsável pela formação e evolução das
coisas. A humanidade “rompe” com a espiritualidade e passa a utilizar a razão para descrever alguns
fenômenos dando início ao pensamento científico. Os antigos gregos tinham diversas teorias para a
constituição da matéria e, digamos, eram divididos em dois grupos, um deles é conhecido como
monistas, em que acreditavam que tudo era originado de um único elemento primordial. No
entanto, tal hipótese parecia não concordar com o real, pois como um único elemento pode dar
origem ou formar coisas tão diferentes, tais como a terra, a água, o úmido, o seco? Surgem, então, os
pluralistas, estes, por sua vez, acreditavam que a matéria era formada por mais de um elemento,
porém, em número limitado. Dessa forma, o monismo ficou um pouco esquecido e, somente no
século XVII volta à cena, com os filósofos chamados atomistas. Esses suporam a matéria formada
pelo átomo, que diziam ser indestrutível, indivisível, ilimitado, de diversos tamanhos e formas e,
primordial. E assim o foi, até o ano de 1898, quando J. J. Thomson ‘dividiu’ o átomo e criou um
modelo para descrever a estrutura atômica. Seu modelo, batizado como ‘pudim de ameixas’, tinha
como constituinte o elétron, que ficava distribuído homogeneamente em uma massa positiva. Mas,
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esse primeiro passo para modelar aquilo que formava a matéria não era suficiente para explicar
alguns fenômenos, então, em 1911, depois da descoberta do próton, Rutherford propõe um novo
modelo. O modelo de Rutherford afirmava que o átomo era formado por um núcleo, extremamente
denso, com cargas positivas e que em torno desse núcleo, no vazio, orbitavam os elétrons, por isso
seu modelo também é chamado de ‘modelo planetário’. Mas, não tardou e as primeiras indagações
começaram a surgir: ‘Se o núcleo é pequeno comparado ao tamanho do átomo e formado apenas
por cargas positivas, porque ele não se rompe?’; ‘Se os elétrons se movem ao redor do núcleo,
porque, ao perderem energia, eles não se colapsam com o núcleo?’. Questões sobre a instabilidade
do átomo levou, em 1913, Bohr a readequar o modelo atômico de Rutherford, ele propôs que os
elétrons se movimentam em níveis de energia permitidos, assim eles não se colidiriam com o núcleo.
Para que o elétron ‘suba’ ou ‘desça’ nas camadas energéticas, deve receber ou ceder energia, na
forma de fótons, suficiente para realizar o movimento. Mas, ainda assim, a estabilidade nuclear não
foi explicada. Em 1920, Heisenberg e, independentemente, Iwanenki, levantaram a hipótese de que
deveriam existir mais partículas no núcleo, e que seriam semelhantes aos prótons, no entanto,
teriam carga elétrica total neutra. O nêutron, como ficou batizado, foi descoberto em 1932. E em
1935, para explicar a coesão nuclear de partículas positivas tão fortemente repelidas, Yukawa propõe
a existência de forças nucleares que impediam a ‘explosão’ do núcleo, essas forças foram chamadas
de força nuclear forte e força nuclear fraca e, elas interagiam via troca de partícula mediadoras,
sendo posteriormente descobertas. As partículas mediadoras da força forte são os glúons e as
mediadoras da força fraca são as partículas W+, W– e Z0. Depois disso, no ano de 1964, Gell-Mann e,
independentemente, Zweig, propuseram a hipótese de que os prótons e nêutrons, diferentemente
do elétron, não eram partículas elementares, mas sim, formados por quarks. Dessa forma os prótons
são formados por dois quarks up e um down, já os nêutrons são constituídos por um quark up e dois
quarks down. Atualmente, aceita-se que a matéria presente no Universo seja formada pela primeira
geração de quarks (up e down) e léptons (elétron e neutrino do elétron). Com isso, parece prevalecer
a idéia pluralista como constituintes da matéria. No entanto, as buscas não param...”.
Considerações finais
Sabemos que o estudo do átomo e de seus diversos modelos faz parte do rol de conteúdos do
currículo do Ensino Médio, ficando sua análise, geralmente, à disciplina de Química e, em alguns
casos, à Física. Porém, nota-se a carência de uma abordagem e discussão mais abrangente deste que
é um tema importantíssimo da história do pensamento humano. Assim, procurou-se, neste trabalho,
atrelar o desenvolvimento do conceito do átomo a um tema moderno da física: partículas
elementares. No entanto, vale ressaltar que não consideramos o átomo e a física de partículas
assuntos independentes, mas sim evidenciar que é possível introduzir o conhecimento das partículas
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elementares a partir do conceito de átomo, já que este está inserido na grade curricular do Ensino
Médio.
Referências
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Marcos Fernando Soares Alves. Licenciado em Física, bolsista recém-formado membro do projeto
“Alfabetização Científica e Inclusão Social” do Programa Universidade Sem Fronteiras.
[email protected]
Denise Alanis. Graduanda em Física pela Universidade Estadual de Maringá, bolsista membro do
projeto “Alfabetização Científica e Inclusão Social” do Programa Universidade Sem Fronteira.
[email protected]
Dr. Luciano Gonsalves Costa. Professor do Departamento de Física da Universidade Estadual de
Maringá. Coordenador do projeto “Alfabetização Científica e Inclusão Social” do Programa
Universidade Sem Fronteiras. [email protected]
Apoio: Secretaria de Estado da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior (SETI/PR) por meio do Programa
Universidade Sem Fronteiras (USF).
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07 a 09 de outubro de 2010
Artigo número: 91
ISBN: 2178-6135