(Minha monografia) Abordagem física e funcional dos principais mostradores de informações com destaque para os displays de cristais liquidos

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Maringá-PR 2008

Monografia apresentada ao Departamento de Física da Universidade Estadual de Maringá como requisito parcial para a aprovação na disciplina de Monografia para Licenciatura em Física.

Orientador: Prof. Dr. Luciano Gonsalves Costa.

Maringá-PR 2008

Aprovada em 1 de dezembro de 2008.

_ Prof. Dr. Luciano Gonsalves Costa (DFI-UEM) (orientador)

_ Prof. Dr. Renio dos Santos Mendes (DFI-UEM)

_ Prof. Dr. Ivair Aparecido dos Santos (DFI-UEM)

Maringá-PR.

Dedico este trabalho aos meus pais, aos meus irmãos, aos familiares e amigos que sempre me apoiaram e me incentivaram a seguir nos estudos.

Primeiramente agradeço a Deus, que me concedeu a oportunidade de viver a fim de conquistar mais esta etapa. A Ele que me deu força, coragem e persistência para vencer todos os obstáculos durante os anos do curso.

À minha família, pois sem ela não teria chegado até aqui. À minha mãe que sempre acreditou em mim e me incentivou na busca dos meus sonhos, fazendo o possível e o impossível para me ajudar a alcançá-los, mesmo com todas as dificuldades que enfrentamos ao longo desses anos. Ao meu pai pelo apoio e compreensão. A vocês que me ensinaram a ser um cidadão de bem, honesto e batalhador.

À minha irmã pelas palavras de apoio durante os momentos mais difíceis e cansativos dessa caminhada e por ter estado sempre ao meu lado. Ao meu pequeno irmão, pelo carinho e amor, que foi também o responsável por me dar motivação para que continuasse em frente.

Aos meus tios, Milton, Marta, Paula, Cidinha, aos primos, Cláudia e Dimas, e a todos os meus familiares pelo apoio e incentivo.

Aos amigos, Jorge, Fábio, Marcelo, Rogério, Robson, Jeferson, pela amizade, pelas conversas e ensinamentos durante todo o curso.

Ao Prof. Dr. Luciano Gonsalves Costa, pela orientação e ajuda prestada durante a realização desse trabalho.

Aos professores do Departamento de Física da Universidade Estadual de Maringá, fundamentais para minha formação.

E a todos aqueles que de uma forma ou de outra, me ensinaram a ser como sou e contribuíram para que pudesse chegar até aqui.

“A coisa mais incompreensível a respeito do Universo é que ele é compreensível.” Albert Einstein

Este trabalho consiste numa revisão bibliográfica acerca da Física de Partículas, assunto hoje, tão veiculado pela mídia. A sua constituição segue um caráter cronológico desta área da ciência, iniciando com os pensamentos filosóficos acerca da origem do Universo e os elementos fundamentais da matéria; passando pelos modelos atômicos e seus desdobramentos; as pesquisas em raios cósmicos; o desenvolvimento e a utilização dos aceleradores de partículas; as teorias e suas confirmações ao longo da história da Física de Partículas; a busca incessante pela simetria; temas interessantes como o Projeto Manhattan; as classes pelas quais são organizadas as partículas, e por fim o Modelo Padrão. A Física de Partículas, assim como toda a ciência, mostra-se como um produto inacabado fruto da capacidade humana. Por isto é importante que o histórico do seu desenvolvimento seja conhecido para que seja possível compreender também, o desenvolvimento da humanidade. O que se propõe neste trabalho, é apresentar a Física não como disciplina exata e imutável, mas sim, como uma Ciência em constante progresso. A Física teve de “evoluir” para explicar certos fenômenos que teorias existentes não davam conta de explicar, porém, nada disto é de conhecimento dos alunos do Ensino Médio, que aprendem a Física de 1600 a 1850 aproximadamente. É aceitável que o currículo deste nível de ensino também deva evoluir para que os indivíduos formados pela Escola possam compreender melhor o mundo que os cercam. Esta área da Física, como tópico da Física Moderna e Contemporânea a ser inserida no Ensino Médio, é parte de estudos de diversos pesquisadores de ensino de Física no país e no exterior, o que buscam é desenvolver metodologias de aplicação, que por sinal, na literatura especializada, há poucos trabalhos neste sentido. Tendo em vista esses fatos, procurou-se neste trabalho apresentar o conhecimento gerado por estes pesquisadores em relação ao tema para o nível médio de ensino. Tanto as pesquisas em Física de Partículas quanto os estudos acerca da inserção do tópico no Ensino Médio, são assuntos que exigirão muito trabalho. Portanto, no decorrer desta monografia são apontadas justificativas para contribuir com o processo educacional e incentivar os professores deste nível de ensino a se encorajarem e aceitarem o desafio de abordarem tópicos atuais da Física em sala de aula.

Palavras-chave: Física de Partículas; Física Moderna e Contemporânea; Ensino Médio.

This report consists in a literature review on Particle Physics, a subject today, greatly reported by the media. Its formation follows a chronological character of this area of science, starting with the philosophical thoughts about the origin of the universe and the basic elements of matter, going through atomic models and its outspreads; the research on cosmic rays; the development and use of particle accelerators; the theories and their confirmations over the history of Particle Physics; the incessant search for symmetry; interesting topics such as the Manhattan Project; the classes in which particles are organized, and finally the Standard Model. The Particle Physics, as well as all the science, shows itself as an unfinished product resulting from human capability. Thus, it is important that the history of its development is known so that it is also possible to understand the development of humanity. What is proposed in this paper is to present the physics discipline not as exact and immutable, but as a Science in constant progress. Physics had to "evolve" to explain some phenomena that existing theories couldn’t explain, however, none of this is acknowledged by High School students, who learn the physics from the 1600 to 1850, approximately. It is acceptable that the curriculum at this level of education must also evolve so that the individuals trained by the School can better understand the world surrounding them. This area of physics, as a topic of Modern and Contemporary Physics to be introduced in high school, is part of studies of several researchers of physics teaching in the country and abroad. What they seek is to develop methodologies for implementation, by the way, in literature, there is little work in this direction. Bearing these facts in mind, this work tried to present the knowledge generated by these researchers regarding the subject to High School education. The researches on Particle Physics, such as the studies concerning the topic's inclusion in the High School, are matters that will require much work. Therefore, during this monograph, are pointed out reasons to contribute to the educational process and to encourage teachers of this level of education to encourage and accept the challenge of approaching current topics of Physics in the classroom.

Keywords: Particle Physics; Modern and Contemporary Physics; High School.

DEDICATÓRIAi
AGRADECIMENTOSi
RESUMOv
ABSTRACTvi
INTRODUÇÃO1
Física de Partículas Elementares: uma revisão bibliográfica3
1 – O pensamento humano sobre os constituintes da matéria3
1.1 – Os filósofos gregos3
1.2 – A concepção do Universo fora da Grécia5
2 – Um breve histórico das descobertas realizadas até a década de 19306
2.1 – O desenvolvimento das idéias atomistas6
2.2 – Raios-X e a radioatividade8
2.3 – A descoberta das partículas constituintes do átomo e os modelos atômicos9
2.4 – O desenvolvimento da Mecânica Quântica1
2.4.1 – O Princípio da Exclusão de Pauli1
3 – Novas descobertas e algumas curiosidades12
3.1 – O Neutrino12
3.2 – O Pósitron12
3.3 – O Nêutron13
3.4 – As interações fundamentais14
3.4.1 – Força gravitacional15
3.4.2 – Força eletromagnética15
3.4.3 – Força forte15
3.4.4 – Força fraca16
3.5 – Os múons, os píons e a estabilidade do núcleo16
3.6 – O Projeto Manhattan18

Capítulo I vii

3.7.1 – O gigante Europeu: LHC21
3.8 – Criação e aniquilamento de partículas23
3.9 – Inúmeras outras descobertas23
3.10 – “Velhas e novas” leis de conservação e outras propriedades das partículas25
3.10.1 – Conservação de energia25
3.10.2 – Conservação do momentum25
3.10.3 – Conservação da carga elétrica26
3.10.4 – Conservação do número bariônico26
3.10.5 – Conservação do número leptônico27
3.10.6 – Regra da estranheza27
3.1 – As partículas “verdadeiramente” elementares: os quarks28
4 - As partículas estão organizadas em grupos semelhantes31
4.1 – Os quarks e os léptons31
4.2 – As partículas mediadoras32
4.3 – Os bárions e os mésons35
4.4 – O Modelo Padrão36
O Ensino de Física de Partículas na Educação Básica38
1 – O conhecimento acerca da Física de Partículas38
2 – A legislação e o currículo escolar4
3 – A Física de Partículas no livro didático: exemplificação46
4 – Justificativas da escolha do tema “Partículas Elementares”48
CONSIDERAÇÕES FINAIS52
REFERÊNCIAS5

Capítulo I viii

Uma das indagações que sempre rodeou o pensamento humano, até os dias de hoje, é sobre a origem do Universo e seus constituintes fundamentais. As primeiras preocupações documentadas dos homens eram encontrar o elemento fundamental da natureza (BASSALO, 1980b). As discussões acerca de quais seriam os “tijolos” básicos que compõem o Universo, iniciou-se com os filósofos gregos, denominados pré-socráticos. Foram estes filósofos, chamados de físicos gregos por Almeida (1983), quem introduziram o conceito de átomo, descrevendo a matéria como indivisível. A idéia do átomo como ente indivisível permaneceu até o começo do século XIX, e começou a mudar com as idéias de John Dalton, com o chamado atomismo científico. No entanto, foi em 1897 que o átomo foi “dividido” pelo físico inglês Joseph John Thomson, descobrindo assim o elétron, a primeira partícula elementar. A procura pelos elementos fundamentais do Universo, ou seja, as partículas elementares, fez surgir uma importante área da Física contemporânea: a Física de Partículas (atualmente, é mais empregado o termo Física de Altas Energias).

No intuito de explicar a constituição do átomo, em 1898, Thomson propõe um modelo conhecido como “pudim de passas”, no entanto, este, tornou-se inconsistente e outros modelos foram, ao longo do tempo, sugeridos para dar lugar ao anterior, até chegar ao modelo atômico aceito atualmente. As buscas por partículas constituintes do átomo e as tentativas de explicar sua estabilidade colaboraram com o desenvolvimento da ciência e da Física de Partículas, foi a partir dessas investigações que novas teorias e novas partículas foram sendo sugeridas teoricamente, experimentalmente verificadas e descobertas ao longo da história da ciência.

Como destaca Maddox (1999), por várias vezes, os cientistas pensaram haver encontrado partículas realmente elementares, até que novas descobertas mostravam que estavam enganados. Atualmente é aceito que os quarks e os elétrons são as partículas verdadeiramente elementares. Intuitivamente, elementar é toda partícula que tem um único constituinte (ABDALLA, 2005). As descobertas de partículas se davam a partir das pesquisas em raios cósmicos, até que começou-se a desenvolver a partir da década de 1930 os aceleradores de partículas, propiciando assim, que em pouco tempo, muitas outras partículas fossem detectadas experimentalmente.

A Física Moderna precisou de mais de um século para descobrir, compreender e organizar “todas” as partículas fundamentais. Hoje o modelo que classifica as partículas elementares é denominado Modelo Padrão, que descreve a matéria através dos quarks, dos léptons, das partículas mediadoras (bósons) e das interações fundamentais da natureza (força eletromagnética, força gravitacional, força fraca e força forte).

A ciência e a tecnologia sempre andaram de mãos dadas, uma área constantemente contribui para o desenvolvimento da outra. Neste mundo contemporâneo do qual fazemos parte, é fundamental conhecermos os aspectos científicos da tecnologia que há ao nosso redor. E, nesse sentido, é preciso reconhecer a Física como tendo papel importante para este progresso. Os avanços tecnológicos têm despertado a atenção dos jovens, que passam também a dar mais atenção a temas relacionados à ciência de uma forma geral, e é na Escola que ele deve satisfazer tais curiosidades, no entanto, ela não tem proporcionado este caminho. Uma das funções da Escola é transmitir o conhecimento gerado pela humanidade (SIQUEIRA, 2006). Percebe-se assim, que o conhecimento transmitido pelo sistema de ensino, em relação à Física, é apenas o desenvolvido entre 1600 e 1850 aproximadamente, ou seja, o que os estudantes aprendem é somente a Física Clássica, estando ausentes os conteúdos da Física Moderna e Contemporânea (TERRAZZAN, 1992).

Para que possa ser dado ao estudante uma formação geral, que permita a ele adquirir conhecimentos básicos e uma preparação científica como sugerem os Parâmetros que regem o ensino, a ponto de compreender o mundo tecnológico que os cercam, é essencial que temas da Física Moderna e Contemporânea (FMC) sejam ensinados no Ensino Médio. É, portanto necessário que haja uma reformulação no currículo de Física atualmente trabalhado nas Escolas.

Preocupações acerca da desatualização do currículo escolar têm sido causa de diversas pesquisas, a nível nacional e internacional, para pesquisadores de ensino de Física. Eles têm demonstrado a urgência necessidade da inserção de tópicos de FMC no nível médio de ensino, apresentando resultados e justificativas que apontam para esse caminho.

Neste trabalho são apresentados os conceitos, as teorias, os modelos e as descobertas ao longo da história da Física de Partículas, a abordagem que é feita trata o tópico apenas qualitativamente, ou seja, procura levar a compreensão desta área sem a necessidade do uso da linguagem Matemática. Isso com o intuito de que seja possível perceber o desenvolvimento da Física como fruto da capacidade humana. Descreve-se ainda, as pesquisas e o conhecimento gerado pelos pesquisadores de ensino de Física a respeito da FMC, e os trabalhos realizados para que tópicos como este faça realmente parte do currículo do Ensino Médio.

Capítulo I Física de Partículas Elementares: uma revisão bibliográfica

1 - O pensamento humano sobre os constituintes da Matéria 1.1 – Os filósofos gregos

O homem como ser racional sempre se questionou a respeito de como as coisas eram formadas. O desenvolvimento humano parte das indagações dos pensadores antigos, muitas vezes as respostas a tais questões vinham da criação de mitos e de deuses. Na antiguidade os mitos e a religião faziam parte da civilização de todos os povos, e eram os responsáveis pela explicação da origem das coisas e do Universo. Quando mito e religião são colocados à prova gerando dúvidas, surge então a filosofia no intuito de dar explicações sem usar mitos, porém, em tais explicações não os excluem por completo. As principais contribuições filosóficas a respeito de como as coisas eram formadas vieram da Grécia. Com os pré-socráticos1 surgiram as primeiras buscas a respeito dos elementos fundamentais do universo. Segundo Bassalo (1980b), as primeiras preocupações documentadas dos homens eram encontrar o elemento fundamental da natureza. Aproximadamente no século VI a.C., alguns filósofos pré-socráticos da cidade de Mileto: Tales (624 - 546 a.C), Anaximandro (610 - ~546 a.C.) e Anaxímenes (570 - ~500 a.C.), defendiam a idéia de que as coisas se originavam do arche (em grego, que significa “princípio”), dele as coisas surgiam e a ele retornariam. Mas, discordavam em relação à quantidade e ao tipo de elemento. Tales afirmava que esse elemento fundamental era a água, já que todos os seres vivos se originam e precisam da umidade. Anaximandro considerava ser o apeiron (em grego, que significa infinito; indefinido; ilimitado) o elemento constituinte do Universo, as coisas viriam e retornariam do apeiron. Já Anaxímenes acreditava que o elemento primordial era o ar, ao se tornar mais rarefeito, se transformaria em fogo; mais denso, se transformaria em nuvens, e em seguida água (por compressão), terra e rochas. Para Xenófanes da Jônia (~570 - ~460 a.C.) era a terra. O elemento primordial para Heráclito de Éfeso (~540 - ~580 a.C.) era o fogo. Anaxágoras (~500 - ~428 a.C) “acreditava ser o Universo decorrente da ação de uma razão abstrata sobre as sementes (homeomerias), que seriam as matérias primas constituintes de todas as espécies imagináveis” (BASSALO,

1 Os pré-socráticos foram os filósofos anteriores a Sócrates. Muitos dos documentos escritos por estes pensadores não foram guardados e o que se sabe sobre eles é de forma indireta, sendo aquilo que foi contado por autores posteriores a estes.

1980b, p. 70), assim ele antecipou a idéia atomística do Universo. Observa-se que todos os filósofos aqui citados, acreditavam que somente um elemento era o responsável por formar todas as coisas, essa corrente filosófica é conhecida como “monismo”, e é expressa pela afirmação: “o todo é o um” (ALMEIDA, 1983).

No entanto, de acordo com Almeida (1983), o monismo encontrou dificuldades para manter-se aceito, começaram a surgir indagações a respeito de como determinados materiais poderiam se originar da água como é o caso, por exemplo, da poeira. E assim, muitos filósofos resolveram deixar de lado o monismo e “concentrar-se” no pluralismo limitado, em que a matéria é composta de um pequeno número de elementos, ao invés de apenas um elemento fundamental.

O primeiro filósofo grego a considerar a matéria sendo formada por mais de um elemento foi Empédocles de Akragas (~490 - ~430 a.C.), para ele tudo se originava da água, do fogo, da terra e do ar, elementos chamados de “raízes”. Segundo Empédocles essas “raízes” estariam em constante movimento e se combinariam de forma alternada para formar as coisas. Eram intermediadas por duas forças divinas: unidas pelo amor ou a amizade e separadas pelo ódio ou inimizade. As raízes de Empédocles seriam governadas pela insonomia: seriam iguais, nenhuma mais importante que a outra, nenhuma mais primitiva, todas seriam eternas e imutáveis (CAULLIRAUX, 2005). Já para Aristóteles de Estagira (~348 - ~322 a.C.), os elementos fundamentais e essenciais eram o frio, o quente, o úmido e o seco que, unidos dois a dois, formariam os elementos de Empédocles. Porém, esses elementos formariam apenas as coisas da terra e da lua, o espaço celeste seria formado pelo éter. Essa corrente filosófica foi denominada de pluralismo.

A idéia de que a matéria é formada por um único elemento retorna com os filósofos atomistas. Leucipo de Mileto (~460 - ~370 a.C.) e Demócrito de Abdera (~470 - ~380 a. C.) defendiam a idéia de que o Universo era formado por átomos (em grego, indivisível) e que se movimentavam no vazio ou vácuo. Para eles estes átomos poderiam ser de vários tipos, ao se unirem formariam a matéria e ao se separarem, a matéria seria destruída. Porém, esses átomos continuariam a existir se reunindo posteriormente a outros átomos, podendo formar até novos mundos. Outros importantes atomistas foram Epicuro de Samos (~341 - ~270 a.C.) e Lucrécio de Roma (~98 - ~5 a.C.). Epicuro acreditava que os átomos não podiam ser divididos em partes menores por nenhum meio, ainda que eles possuíssem estrutura. Ele ainda propõe princípios de que existem corpos materiais e o vazio, para ele a existência da matéria é assegurada pelas nossas sensações. Já o vazio não é possível sentir ou ver, mas existe, se só existisse matéria, se tudo estivesse cheio, não haveria como algo se mover no espaço. Lucrécio concebia os átomos como infinitos em números e que possuíam diferentes formas e tamanhos, as partículas semelhantes se uniriam para formar aquilo que conhecemos juntamente com o vazio.

De acordo com Almeida (1983), as principais características da teoria atômica grega podem ser encontradas em um poema composto em 57 a.C. por Lucrécio Carus (95 - 5 a.C.), denominado “De Rerum Natura”, que sumarizando são:

Átomos são extremamente pequenos, indivisíveis, partículas imutáveis que não podem ser criadas nem destruídas; embora construam algumas substâncias comuns, átomos diferem em forma, tamanho e peso; o espaço entre os átomos é vazio (um vácuo); os átomos ficam juntos em corpos por ligações mecânicas e assim produzem a variedade infinita do mundo material; a densidade de um corpo é uma relação inversa da quantidade de espaço vazio entre os átomos; átomos estão em movimento perpétuo que persiste por ele mesmo (Ibid., p. 57).

Segundo Martins (1994), a filosofia atomista rompe com a visão de mundo que era aceita na época, tirando o homem e a terra do centro do universo2. Acaba também por agregar uma filosofia materialista até mesmo nas bases religiosas, já que os atomistas afirmavam que a alma era também constituída de átomos, caso contrário ela não poderia agir sobre o corpo e nem sofrer efeitos do corpo. Para estes, já não havia mais o porquê ter medo dos mitos sobre os deuses, pois tudo ocorre apenas pela união e separação dos átomos, tudo é produzido de um modo natural.

1.2 – A concepção do Universo fora da Grécia

Não se pode pensar que apenas os gregos buscavam respostas sobre a constituição do

Universo. Na Índia, os hindus tinham a concepção de que os elementos primordiais se ligavam aos sentidos: ar-tato, fogo-visão, água-paladar e éter-audição. Segundo Bassalo (1980b), Kanada (filósofo hindu) acreditava que além dos quatro elementos gregos, eram necessários outros quatro: tempo, espaço, alma e manas (o qual transmitia os sentidos à alma). Observa-se o caráter religioso deste povo, afirmando que a alma também era um elemento, pois, todo ser vivo possuía uma alma. Já na China, Tsou Yen (360-260 a.C.), tinha como elementos básicos a água, a madeira, o fogo, o metal e a terra.

2 Foi a partir de Copérnico (1543), com a substituição do sistema geocêntrico pelo heliocêntrico, que o homem deixou de estar no centro do Universo. Não encontramos evidências de que Copérnico seguia a filosofia atomista.

2 – Um breve histórico das descobertas realizadas até a década de 1930 2.1 – O desenvolvimento das idéias atomistas

Durante o período medieval as idéias atomistas não foram aceitas e ficaram praticamente abandonadas. Já no início da era moderna os pensadores começam a ousar e a dar mais valor nas Ciências Naturais, com os trabalhos de Copérnico (1473-1543), Galileu (1564-1642) e Newton (1642-1727). Segundo Ostermann (1999), particularmente Newton aceita o atomismo sem questionar a origem ou a composição do átomo, preocupando-se na interação que há pela qual matéria atrai matéria.

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