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Aceleradores de Partículas
Tipologia: Notas de estudo
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Sequência Didática com apêndices e anexos
a) Sequência didática
Yasmin Alves dos Reis Silva Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas – UESC Ilhéus – BA, 2014
TEMA: O Canhão de Gauss como possibilidade para discutir os Aceleradores de Partículas
Essa sequência foi desenvolvida para os alunos do 3º ano do ensino médio. É conhecida a necessidade de atualização do currículo escolar para inserção dos tópicos de FMC contribuindo com a formação do indivíduo parte da sociedade Moderna, em meio a tantas evoluções tecnológicas, originadas a partir do conhecimento produzido pela ciência. É Sabido que, muitas vezes, e por diversos motivos, os conteúdos de FMC não chegam aos alunos da educação básica. Como maneira de auxiliar o professor dando suporte para inserir um desses tópicos de FMC, é proposta uma sequência didática que tem como tema principal os Aceleradores de Partículas. A sequência tem como indagação: Como levar o acelerador de partículas para sala de aula? Busca-se com a proposta despertar o interesse do aluno pela Física Moderna, que está presente no contexto científico atual. A sequência visa promover melhoria na aprendizagem dos estudantes através de discussões com os alunos a respeito do tema, A estruturação da sequência no processo de construção das aulas a utilização de imagens, vídeos, música, experimentação e outros recursos.
Grande parte da tecnologia desenvolvida hoje teve como apoio a ciência em desenvolvimento a partir do século XX, dessa forma, não há como ensinar a Física de hoje sem levar em consideração os tópicos Física Moderna. Sabemos ainda que a FMC seja uma ciência ampla, tendo como objetos de estudo diversos fenômenos, perpassando desde a origem da matéria até a compreensão sobre diversos acontecimentos no Universo. Nessa perspectiva foi feita a escolha das discussões acerca dos Aceleradores de Partículas (AP) dentre os diversos tópicos existentes no âmbito da FMC, já que grande parte das informações acerca das partículas que compõem a matéria e explicações sobre Universo tem sido produto e resultado das pesquisas feitas nos AP. Os aceleradores de partículas têm como principal intuito investigar o que sempre foi o grande questionamento da humanidade: Como e quando surgiu o Universo? O que mais uma vez justifica a importância não só da inserção dos tópicos de Física moderna, mas ainda dos Aceleradores de Partículas, instrumento utilizado para tais pesquisas. Também é discussão recorrente em diversas investigações na área de Ensino de Física, a justificativa de muitos professores não trabalharem os conteúdos de Física Moderna e Contemporânea, alegando a falta de recursos instrucionais e materiais de ensino para utilização, já que seriam tópicos abstratos. Dessa forma nessa sequência trazemos recursos, como vídeos, textos e uma proposta experimental análoga aos aceleradores de partículas, para auxiliar os professores e alunos no processo de ensino aprendizagem.
Ministrar aulas as quais possam despertar o aluno como um sujeito crítico e ativo na construção da aprendizagem e não um mero reprodutor de informações. Essa proposta pode ser desenvolvida, através do estimulo da curiosidade dos alunos e com os questionamentos e as atividades experimentais que serão desenvolvidas em sala de aula. Então a partir desses pressupostos da proposta será possível a compreensão dos alunos acerca do
Objetivo Geral: Compreender como aconteceu a descoberta da partícula de Deus, e a necessidade de encontrá-la para a evolução dos estudos acerca do Modelo Padrão (MP), percebendo o processo de construção do conhecimento científico.
Motivação: Como surgiu o Universo, e do que é composto? Partindo do pressuposto que o mesmo é composto de matéria, seria necessário entender a origem da matéria para entender o Universo.
Objetivos específicos:
Entender do que a matéria que compõe o Universo seria constituída; Conhecer e entender a Partícula de Deus, como uma das mais recentes e importantes descobertas do LHC (Large Hadron Collider); Reconhecer a importância da Partícula de Deus para o Modelo Padrão (MP) ser efetivado;
Conteúdo: Partículas elementares- (Bóson de Higgs) e sua detecção.
Recursos Instrucionais: Reportagem sobre a descoberta da Partícula de Deus, disponível: http:// www.youtube.com/watch?v=0XNsfqWXuxw; Texto adaptado - Reportagem do Jornal o Globo, “ Cientistas descobrem partícula subatômica inédita ”; (Anexo 1); Banner com imagem do Modelo Padrão (algumas escolas contém o Baner disponível), caso não tenha, o professor pode reproduzi-lo no data show, através da imagem no Anexo 2).
Avaliação: Será avaliada a compreensão dos estudantes sobre o tema em estudo, a partir das suas manifestações e envolvimento no desenvolvimento das atividades
O professor iniciaria com o questionamento acerca da pergunta exposta na motivação, dando tempo para os alunos expressarem suas ideias. Então o mesmo explicará que: para encontrar a resposta para a pergunta é necessário entender do que a matéria que constitui o Universo, e tudo ao nosso entorno, incluindo nós humanos seria composta. Para isso, é importante entender onde essas pesquisas são feitas e os últimos resultados encontrados.
TEMPO: 15 min.
O professor distribuirá uma reportagem “Cientistas descobrem partícula subatômica inédita” (Anexo 01); para cada aluno, e solicitando uma leitura individual, e em seguida coletiva, onde alguns alunos lerão tópicos do texto e, o professor mediará à discussão.
TEMPO: 50 min.
O professor deve retomar a questão inicial com os alunos apresentando um vídeo (http://www.youtube.com/watch?v=0XNsfqWXuxw) retoma as questões iniciais e mostrará um Banner (Imagem em anexo 02) que representa o modelo padrão e as diversas partículas encontradas, podendo inclusive compará-lo a uma tabela periódica de elementos, contudo este seria para partículas.
O professor mediará mais discussões após o vídeo investigando se ficou claro para os alunos e deixando a deixa para a discussão seguinte sobre os aceleradores de partículas.
TEMPO: 35 min.
Obs.: O tempo determinado no plano de aula pode variar dependendo do encaminhamento do professor e das discussões que surgirem com os alunos. Esse tempo estipulado serve como referência.
O professor iniciaria com questionamentos em torno da evolução e construção da ciência ao longo do tempo, pedindo exemplos aos alunos de evoluções científicas ou até mesmo tecnológicas que os mesmos conhecem e foram modificadas ao longo do tempo. Demonstrando que a ciência e tecnologia sofrem modificações, e uma pode interferir na evolução da outra. O professor pode citar que com os aceleradores de partículas como instrumento tecnológico e científico não seria diferente, mas para entendimento maior é necessário a leitura do texto.
TEMPO: 30 min.
O professor distribuirá o texto “ O mundo invisível das partículas elementares ” (Anexo 03), para cada aluno, e solicitar uma leitura coletiva, onde alguns alunos lerão tópicos do texto e o professor mediará à discussão. O professor listará os principais centros de pesquisa e seus aceleradores pelo mundo e no Brasil.
TEMPO: 50 min.
Deve-se de posse do aparato experimental (Anexo 04) fazer analogias, discutindo a diferença entre um acelerador linear e um acelerador circular, trabalhando os conceitos físicos relacionados tanto com experimento como o acelerador, exprimindo suas limitações e relações , como sugerido no anexo.
O professor deve relembrar as questões discutidas investigando se ficou claro para os alunos, podendo pedir que eles listem no caderno algumas limitações e relações entre os dois tipos de aceleradores.
TEMPO: 70 min.
AULA 06, 07 e 08: O fantástico LHC
Duração: Cada tempo de aproximadamente 50 minutos.
Objetivos específicos: Compreender qual o principal objetivo do LHC, onde está localizado, discutir a questão dos altos investimentos nesses tipos de equipamentos. Entender ainda como o mesmo funciona e se classifica dentre os tipos de Aceleradores de Partículas. Perceber e conhecer os reflexos das pesquisas com aceleradores para a sociedade.
Motivação: Quais as influências dos aceleradores para a sociedade atual, na qual estamos inseridos, por exemplo, o nascimento do sistema WWW.
Habilidades: Conhecer que a teoria mais aceita pela comunidade científica para a origem do Universo, seria do famoso Big Bang. Conhecer e entender o principal objetivo do LHC (Large Hadron Collider). Entender o funcionamento do LHC e como o mesmo se classifica dentre os tipos de aceleradores de partículas; Compreender os reflexos das pesquisas do LHC e demais aceleradores para a sociedade; Sistematizar os conteúdos estudados;
Conteúdo: Aceleradores de partículas
Recursos Instrucionais: Objetos Virtuais de Aprendizagem (OVI), disponível em:
1.http://g1.globo.com/Noticias/Ciencia/0,,MUL15504305603, ENTENDA+O+FUNCIONAMENTO+E+OBJETIVOS+DO+ACELERADOR+DE+PARTICULAS+L HC.html
Texto da revista superinteressante (Anexo 5): Na vanguarda do conhecimento Rap do LHC:
O professor deve resolver os exercícios de cunho teórico, a respeito dos conceitos físicos estruturados durante as aulas. (Anexo 06).
TEMPO: 85 min.
Obs.: O tempo apresentado no plano serve apenas como referência. Ele pode variar de acordo com o andamento, curiosidade e exposição das idéias dos alunos e dos professores.
Anexos das aulas propostas na Seqüência Didática: Aula 01 e 02 Anexo 01
Anexo 02
Aula 03, 04 e 05
Anexo 03 Texto adaptado, disponível em: http://www1.folha.uol.com.br/fsp/ciencia/ fe2304200601.htm
O mundo invisível das partículas elementares Quando estudamos partículas elementares, estamos lidando com as menores distâncias que podem ser examinadas. Um átomo, composto de prótons e nêutrons no núcleo e elétrons girando à sua volta, tem um diâmetro em torno de um bilionésimo de centímetro. Um próton é aproximadamente 100 mil vezes menor do que isso.
Não dá para estudar objetos tão pequenos por métodos usuais com a ajuda de um microscópio, por exemplo. A luz dele tem tanta energia que empurraria a partícula para longe. O estudo desses objetos é feito em máquinas conhecidas como aceleradores de partículas. Os detectores são parte dos aceleradores. Talvez o primeiro físico a ter usado um "acelerador" de partículas com sucesso tenha sido o inglês J. J. Thomson, o descobridor do elétron. Em 1897, Thomson usou um filamento aquecido como fonte de "raios catódicos". Esses raios, quando submetidos a um campo elétrico, são acelerados. Que campo elétrico é esse? Pensemos na gravidade, que conhecemos bem.
Soltamos uma pedra, ela cai no chão. Na verdade, ela é acelerada para baixo pela atração gravitacional da Terra. Um elétron tem massa pequenina; o que importa mesmo é que tem também uma carga elétrica. E cargas elétricas opostas se atraem, feito massas em gravidade, mas muito mais fortemente, enquanto que cargas iguais se repelem. Tal como a Terra, que tem um campo gravitacional imenso devido à sua massa enorme, se pusermos muitas cargas juntas criamos um campo elétrico grande também. Com isso, podemos usar um campo elétrico para acelerar elétrons ou qualquer partícula que tenha carga. Quando um elétron sai do filamento aquecido (feito num tubo de TV antigo), ele é acelerado por um campo elétrico, como se fosse uma pedra caindo. Essa aceleração causa um aumento de velocidade, como o de uma pedra caindo. Esse é, essencialmente, o princípio físico dos aceleradores de partículas: eles usam campos elétricos fortíssimos para acelerar partículas que têm carga elétrica. Voltando à analogia com a gravidade, os aceleradores são como torres muito altas, de onde físicos deixam cair suas pedras, ou melhor, partículas. O acelerador do Cern (Centro Europeu de Pesquisa Nuclear), a casa do detector Atlas, tem forma de túnel circular. Por que o círculo? A idéia é injetar um monte de partículas (prótons, no caso) indo no sentido horário e um monte no sentido anti-horário, girando cada vez mais rápido. Ao mesmo tempo, campos magnéticos são usados para fazer com que permaneçam no túnel circular. (Como isso ocorre fica para outro dia.) Quando as partículas atingem as velocidades desejadas, os dois feixes são apontados um de frente para o outro. Nessa chuva de partículas voando em direções opostas ocorrem colisões. Essas colisões, com as maiores energias que podemos simular na Terra, despedaçam as partículas em seus componentes fundamentais e criam muitas outras, transformando energia em matéria. Os aceleradores promovem essa transmutação e os detectores a registram, revelando as sutilezas fascinantes do invisível mundo subatômico.
Marcelo Gleiser é professor de física teórica do Dartmouth College, em Hanover (EUA), e autor do livro "O Fim da Terra e do Céu"
Anexo 04 Experimento:
No aparato experimental as esferas representariam as partículas e a canaleta o tubo linear do acelerador. É importante deixar claro que nos aceleradores as partículas são imensamente menores do que as esferas e os tubos muito maiores. E as velocidades são próxima a da luz, liberando grandes quantidades de energia quando ocorrem os choques.
Conceitos a serem discutidos:
liberando sempre a mesma quantidade. O professor pode apresentar ou relembrar as
leis de conservação de energia em sistemas fechados. Em seguida abordar o fato de
que essa conservação continua válida para as partículas, com o cuidado de esclarecer
que para as partículas a massa pode ser transformadas em energia, e vice-versa.
Ainda pode demonstrar no quadro as expressões de energia total para partículas. E
explicar que além da conservação da massa-energia e da carga, a conservação da
quantidade de movimento é também uma lei válida para as partículas elementares.
cuidado de tratar que no experimento a esfera é atraída, ou seja, acelerada e pela
força magnética, enquanto que no acelerador acontece devido à (ddp). Também
possibilitando a apresentação das expressões.
Obs.: O professor de posse dos materiais pode utilizá-lo de outras formas, essa montagem é uma referencia o que não o impede de usar a criatividade para ampliar as discussões.
Acelerador circular:
Montagem:
esferas na frente de cada imã (fig.1).
Fig.1-Antes da colisão
Fig. 2- Depois da colisão
Analogia:
Assim como anteriormente as esferas representariam as partículas, e a tampa metálica o tubo circular do acelerador. Continua sendo importante deixar claro que nos aceleradores as partículas são imensamente menores do que as esferas, e os tubos muito maiores. As esferas no aparato experimental são aceleradas pelo campo magnético e direcionadas pela canaleta, enquanto que no acelerador circular, as partículas são aceleradas pela diferença de potencial e direcionadas pelo campo magnético.
Conceitos a serem discutidos:
imãs liberando sempre a mesma quantidade.
cuidado de tratar que no experimento a esfera é atraída, ou seja, acelerada e pela
Aula 06, 07 e 08
Anexo 05 Texto adaptado e disponível em: http://www.superinteressante.pt/index.php? option=com_content&view=article&id=2374:particulas-aceleradas&catid=15:artigos&Itemid= Na vanguarda do conhecimento
O futuro da medicina, da exploração espacial, da eletrônica, da segurança e do restauro dependem dos aceleradores de partículas.
Um feixe de partículas subatômicas produzidas num acelerador constitui uma ferramenta extremamente eficaz. Quando é disparado com a intensidade exigida por cada caso, pode servir para múltiplas tarefas, desde diminuir o tamanho de um tumor até produzir energia limpa, ajudar a, depurar a água para torná-la potável, decifrar a estrutura de uma proteína, conceber um medicamento personalizado, diagnosticar uma doença, eliminar resíduos nucleares, detectar uma falsificação artística, datar um achado arqueológico, embalar carne para um supermercado ou até descobrir os segredos do universo.
O acelerador de partículas mais potente é o LHC, ou Grande Colisor de Hádrons , da Organização Européia para a Investigação Nuclear (CERN), situado em Genebra, e que se destina a estudar a estrutura fundamental do cosmos. Todavia, existem atualmente no mundo mais de 30 mil aceleradores, alojados em hospitais, instalações industriais, laboratórios, portos e navios que sulcam os mares, e de todos os tamanhos e potências: alguns são portáteis, enquanto outros ocupam uma sala inteira. Segundo um relatório do Departamento de Energia dos Estados Unidos, o mercado destes dispositivos movimenta anualmente mais de 3500 milhões de dólares e cresce cerca de dez por cento ao ano. Porquê? Os aceleradores, tanto os lineares como os circulares (os chamados “sincrotrons” e “cíclotrons”), funcionam ao produzir uma corrente direcional de partículas sub^ 0 01 F atômicas eletricamente carregadas, que são forçadas a viajar por tubos mantidos no vácuo dentro de campos eletromagnéticos, o que lhes imprime velocidades extremas. As partículas utilizadas podem ser elétrons, pósitrons, prótons ou fótons, consoante a aplicação que irão ter. Além
disso, é necessário manipulá-las diretamente para fazê-las colidirem entre si ou contra um alvo fixo, para produzir outro tipo de corpúsculos, como os nêutrons, que se podem reunir em feixes embora não tenham carga elétrica.
No campo da medicina nuclear, por exemplo, os aceleradores são utilizados para produzir isótopos radioativos (átomos com núcleos instáveis) de vários elementos químicos. Depois, frações minúsculas desses isótopos, em forma de feixes, irão bombardear, por exemplo, um tumor cancerígeno para causar estragos no sistema de auto reparação do seu ADN, especialmente vulnerável à radiação.
Em oncologia, a terapia com feixes de prótons tem cada vez mais defensores: ao contrário dos fótons dos raios X, trata-se de partículas que desprendem mais energia no troço final do percurso e morrem dentro do tumor, pelo que causam menos danos nos tecidos saudáveis que atravessam ao longo da trajetória. Daí que seja utilizada no tratamento de tumores intra- oculares, da próstata, da base do cérebro e da coluna, entre outros. Em contrapartida, os elétrons revelam maior eficácia no tratamento de tumores superficiais, como os da pele, enquanto os feixes de nêutrons rápidos já foram aplicados, com bons resultados, em casos de cancro nas glândulas salivares.
Além disso, os cientistas investigam outras possíveis terapias médicas que incluam o recurso a partículas mais pesadas do que os prótons, como os íons de carbono, que se mostram ainda mais agressivos contra o ADN do tumor. Está também a ser estudada a viabilidade dos anti prótons (a anti matéria dos prótons), um tratamento que poderia lançar sobre os tumores doses de energia quatro vezes mais potentes do que as técnicas atualmente utilizadas.
Na maior parte dos casos, os feixes de partículas não penetram no organismo do doente. Contudo, há alguns tratamentos invasivos, que consiste em colocar isótopos radioativos de curto alcance dentro ou muito próximo da zona afetada. Foi satisfatoriamente utilizada em casos de cancro da mama e da próstata e em tumores cervicais, entre outros.
Exames mais precisos
O campo da medicina que mais beneficiou, até agora, da utilização dos aceleradores de partículas é o das técnicas de diagnóstico, pela elevada qualidade das imagens que proporcionam e pela fraca dose de radiação exigida. As tomografias por emissão de pósitrons (PET) e as tomografias computadorizadas (TAC) utilizam isótopos radioativos
elemento químico noutro diferente, à semelhança de um alquimista. A transmutação nuclear artificial foi sugerida como um mecanismo teoricamente eficaz para reduzir o volume de resí^ 0 01 F duos nucleares radioativos e transformá-los em elementos estáveis. Assim, seria possível conseguir que os blocos de urânio e plutônio utilizados em reatores atômicos deixassem de ser tóxicos num prazo máximo de 500 anos, em vez de permanecerem a emitir radiação durante 300 mil. Tornar-se-ia mais exequível garantir a segurança da população e manter os aterros destinados a guardar hermeticamente estes resíduos a salvo de movimentos sísmicos ou alterações climáticas. O projeto MYRRHA, uma infra-estrutura para investigação no campo da fissão nuclear situada em Mol, na Bélgica, terá um acelerador de prótons cuja construção será iniciada em 2015 e é um dos primeiros programas a contemplar o recurso a esta tecnologia (http://myrrha.sckcen.be).
Além disso, os aceleradores poderiam produzir energia nuclear a partir de materiais como o tório, mais abundante na natureza e que deixa menos resíduos (cerca de 50%). Poderiam, igualmente, desempenhar um papel no desenvolvimento da energia de fusão nuclear, ao bombardear feixes de íons para aquecer o plasma dos reatores.
Já foi demonstrado que os feixes de elétrons podem ser utilizados para purificar a água potável, no tratamento de águas resi^ 0 01 F duais e para eliminar agentes poluentes nos gases de combustão. As vantagens de aplicar o processo ao elemento líquido é que não requer produtos químicos; é também mais eficaz do que os métodos convencionais para acabar com nano partículas e restos de fármacos.
Uma das aplicações mais surpreendentes da tecnologia surge no campo da arte. Não é por acaso que existe um acelerador de partículas na cave do Museu do Louvre, em Paris, o qual serve mais de 1200 entidades museológicas do país. Os seus feixes de prótons de quatro milhões de eletro volts são utilizados para bombardear jóias, cerâmica, vidro, ligas, moe^ 0 01 F das, estátuas, óleos e desenhos, em estudos sobre a proveniência e a composição das peças, as fórmulas usadas para o seu fabrico e a forma mais eficaz de as proteger e conservar, assim como para analisar possíveis falsificações.
O acelerador Fonte de Luz Sincrotrons de Brookhaven , em Nova Iorque, dispõe de um avançado detector de raios X de alta velocidade que foi utilizado, entre outras tarefas, para examinar quadros de autoria duvidosa. Graças a esta técnica, foi possível comprovar, em 2011, a autoria de Rembrandt no caso da pintura a óleo Homem Velho Com Barba , pertencente a um colecionador particular. A prova definitiva proporcionada pelos peritos foi
o auto retrato inacabado do próprio mestre flamengo, descoberto sob o rosto do modelo através de um exame radiológico aos elementos químicos da pintura. Os raios X permitiram observar a característica camada de cobre que o pintor aplicava habitualmente sobre a tela, antes de iniciar uma nova obra. Depois de autenticado, o quadro foi exposto, há alguns meses, num lugar de destaque na Casa-Museu Rembrandt, em Amesterdão.
Ferramenta arqueológica
Vários quadros de Van Gogh foram também submetidos a técnicas radiológicas, o que permitiu a especialistas da Universidade de An^ 0 01 F tuér0 01 F pia (Bélgica) explicar o motivo pelo qual as pinturas do genial artista holandês perderam brilho com a passagem do tempo, assim como proceder ao seu restauro respeitando as cores inicialmente presentes. Os feixes emitidos pelo sincrotrons do ESRF de Grenoble revelaram uma inesperada reação química que transformava os brilhantes amarelos originais em pigmentos acastanhados.
A radiação produzida nos sincrotrons tem também sido aplicada no campo da paleontologia para estudar fósseis (como um dente do símio extinto Gigantopitecus , a fim de entender a distribuição do seu esmalte), para obter informação morfológica tridimensional de rochas que contêm fósseis ou para comparar objetos antigos e modernos esculpidos com presas de elefante, a fim de verificar as transformações na estrutura do marfim. Noutras disciplinas científicas, a tecnologia tem servido para analisar desde mosaicos mesoamericanos e vitrais medievais até ao aparelho digestivo de uma amoite do período Cretáceo, ou o único cérebro fossilizado conhecido até agora de um estranho peixe paleozóico, primo dos tubarões, descoberto em 2009. Os aceleradores de partículas são utilizados na espectrometria de massas para medir a concentração de radioisótopos, um método fundamental para a geologia e a meteorologia. Além disso, permitem datar com grande precisão vestígios de até 50 mil anos de antiguidade: foi assim que se soube que Ötzi , o Homem do Gelo , viveu na Europa por volta de 3300 a.C.
Um navio de carga pode transportar até 8000 contentores de aço até qualquer porto. É cada vez maior o número de países em que os serviços de segurança examinam o seu conteúdo com recurso a técnicas de raio X, em busca de armas ou bombas, mas estão também a ser desenvolvidos sistemas mais potentes, como os aceleradores de neutros, que permitam detectar a radioatividade emitida por armas nucleares.