Guia do Professor Vídeo Os Curiosos - Física e Tecnologia - Raios X 1
Ficha de Catalogação Tema: Física e Tecnologia. Tempo de duração do vídeo: aprox. 13 minutos. Tempo sugerido/previsto para utilização do vídeo: 1 aula de 50 minutos. Pré-requisitos: Características ondulatórias: amplitude, comprimento de onda e frequência; Conceito de absorção e difração; Conceitos básicos de óptica geométrica. Objetivos da atividade: Apresentar fenômenos e processos que envolvem raios X; Apresentar o processo de geração de raios X; Associar as características dos raios X às suas inúmeras aplicações. Introdução Caro professor, este vídeo foi desenvolvido visando a discutir e problematizar, com os alunos do ensino médio, o tema Raios X. Infelizmente esse assunto é pouco explorado no ensino médio, porém sabemos que os raios X estão presentes em muitas ocasiões de nosso dia-a-dia, principalmente como um recurso de diagnóstico médico. Acreditamos que o vídeo é um excelente meio de comunicação integrador e motivador para os alunos. Ele aproxima a sala de aula do cotidiano, das linguagens de aprendizagem e comunicação da sociedade, assim como também introduz novas questões no processo educacional. 2
Mas afinal, o que é o raio X? Como ele é produzido? No fim do séc. XIX um grande número de cientistas estava preocupado em entender a natureza dos raios catódicos, fazendo experiências usando diferentes materiais anódicos e catódicos, assim como variando a voltagem e a amperagem. Um desses cientistas foi Roentgen, professor de Física que trabalhava na Universidade de Wurtzburg, na Alemanha. Sua atenção foi despertada por incidentes relativos a danos causados em filmes fotográficos cuidadosamente protegidos da luz, que estavam guardados em uma gaveta próxima à bancada onde ele realizava seus experimentos. Ele percebeu que uma radiação desconhecida saía da ampola do seu experimento e que era essa radiação que estava velando os filmes. Em seguida, submeteu a mão de sua esposa à nova radiação e verificou que a tal radiação atravessava facilmente os tecidos moles, mas era fortemente absorvida pelos ossos e pelo anel que sua esposa usava. Verificou também que a misteriosa radiação provocava a fluorescência numa lâmina de platinocianureto de bário. 3
Apesar de essa radiação ter sido utilizada logo em seguida como um recurso de diagnóstico médico, sua natureza permaneceu por vários anos desconhecida, daí o seu nome de raios X. Os raios X eram claramente absorvidos, mas não apresentavam nenhuma das propriedades das ondas eletromagnéticas conhecidas, tais como espalhamento e difração por fendas. Por outro lado, não tinham massa ou carga elétrica. Somente bem mais tarde esse mistério foi resolvido por outro pesquisador da Alemanha, Max von Laue, que com seus estudantes W. Knipping e W. French realizaram a sua famosa experiência incidindo um feixe de raios X sobre um cristal de sulfato de cobre e qual não foi sua alegria ao revelar o filme fotográfico, que havia sido colocado na frente do cristal, no qual estava claramente visível que havia ocorrido difração. Assim foi decifrado o mistério: os raios X eram de fato uma onda eletromagnética! Reconheceu-se também que o comprimento de sua onda era da ordem de alguns décimos do nanômetro, que corresponde ao valor das distâncias interatômicas e inter-moleculares, o que torna os raios X uma excelente ferramenta para o estudo de suas estruturas. 4
O passo seguinte foi dado por William Henry Bragg e seu filho William Lawrence Bragg, físicos ingleses da Universidade de Cambridge, que logo mostraram que essa radiação era de grande utilidade para revelar a natureza dos materiais ao nível de resolução atômica, isto é, conhecer a natureza e a posição de cada um dos átomos. W.H. Bragg dedicou-se principalmente a usar a difração para analisar o raio X produzido por amostras dos mais variados elementos, construindo o primeiro espectrômetro de raios X, fazendo incidir raios X sobre o material em estudo e usando um outro cristal como analisador para obter o espectro de fluorescência de raios X, emitido pela amostra. Assim estabeleceu os fundamentos da espectroscopia de raios X. Este é um instrumento analítico de enorme importância científica e tecnológica. W.L. Bragg, seu filho, dedicou-se a usar a difração de raios X para, a partir de uma teoria firmemente estabelecida, determinar a estrutura dos materiais cristalinos, entre os quais os halogenetos alcalinos e muitos metais. A teoria proposta por W.L. Bragg estabelecia que os átomos e moléculas se distribuem periodicamente em três dimensões. No interior dessa estrutura pode-se visualizar famílias de planos paralelos e cada uma dessas famílias funciona como uma rede de difração. Os ângulos segundo os quais são observados os feixes difratados são determinados pela distância interplanar e pelo comprimento de onda λ dos raios X utilizados, segundo a seguinte equação denominada equação de Bragg λ = 2d senθ 5
A análise de todas as distâncias interplanares permite deduzir a cela unitária do cristal, a partir da qual todo o cristal é formado simplesmente por sua repetição nas três direções. Os casos mais simples são aqueles em que essa cela unitária é cúbica, como por exemplo acontece com o cloreto de sódio (sal de cozinha) e os demais halogenetos alcalinos e muitos metais. Conhecida a cela unitária o passo seguinte é determinar as posições dos átomos em seu interior. Este passo só pode ser dado analisando-se as intensidades dos feixes difratados, cuja teoria foge do escopo desse áudio. Mas vale a pena mostrar algumas estruturas: 6
Interessante também é mostrar que um mesmo elemento pode ocorrer em duas ou mais estruturas cristalinas que acarretam propriedades completamente diferentes, o que foi esclarecido por difração de raios X: Mais tarde foi possível desenvolver metodologias mais avançadas, tanto experimentais como teóricas e computacionais, que ampliaram o escopo para 7
determinar outros aspectos estruturais, qual a amplitude de vibração térmica dos átomos ao redor de suas posições de equilíbrio, quais os defeitos nas estruturas. Métodos especiais foram desenvolvidos para estudar amostras de materiais monocristalinos, policristalinos, semicristalinos e mesmo amorfos ou em solução. O grande desenvolvimento e o caráter multidisciplinar dos objetos de estudo levaram ao desenvolvimento de uma nova área cientifica, a Cristalografia, que, anteriormente à descoberta dos raios X, limitava-se ao conhecimento da simetria externa dos cristais e à determinação de algumas de suas propriedades macroscópicas. Quanto à aplicação dos raios X na área de imagens, e em particular suas aplicações em saúde humana, pode-se dizer que foi imediata logo após a sua descoberta. Os desenvolvimentos nessa área têm sido notáveis através do uso de substâncias absorventes como contraste e culminando com a Tomografia Computadorizada, que permite caracterizar fraturas, tumores e outras lesões tridimensionalmente, tornando os diagnósticos bastante precisos. Finalmente, nessa área o uso de fontes de alta intensidade e feixes bem colimados permite até medidas em tempo real. A descoberta dos raios X levou à criação em medicina de uma nova especialidade: a Radiologia. Dicas para utilização do vídeo Os vídeos do projeto Acessa Física foram desenvolvidos com o objetivo de problematizar situações físicas presentes no cotidiano dos alunos. Em cada episódio, alguns jovens curiosos vivenciam situações inusitadas e curiosas, instigadas inicialmente por um professor de Física. Todas as mídias têm por objetivos serem um meio de comunicação integrador e motivador para os alunos. No entanto, a maneira como você, professor, irá utilizá-las pode variar. O vídeo pode ser motivador Nesse caso, o professor poderá utilizá-lo antes da discussão e explicação do tema do vídeo. As tramas podem ser utilizadas para introduzir um novo assunto, já que objetivam despertar a curiosidade e motivação para o tema a ser discutido. Ou, o vídeo pode ser demonstrativo Nesse caso deverá ser utilizado após a discussão e explicação do tema do vídeo. O professor pode optar por abordar e explicar a temática em questão antes de sua utilização, e assim a mídia ajudará a mostrar e levantar novas questões referentes às explicações e discussões já 8
vividas em sala. Há também a possibilidade do vídeo ser utilizado como suporte de ensino Nesse caso pode ser usado durante a explicação do professor, não antes ou depois. As tramas podem ser utilizadas para responder questões, assim como para levantar outras. Todos os vídeos têm duração de aproximadamente 10 minutos, mas é importante que o professor se prepare e planeje suas aulas da melhor maneira, visando cumprir os objetivos específicos de ensino e levando em consideração o tempo previsto para execução da atividade e discussão da temática. É importante destacar também, que cada turma reage de uma maneira frente à exibição dos vídeos. O guia do professor traz algumas sugestões de como utilizar, e também se preparar, para a aplicação da peça. Além disso, dá subsídios para questões prévias e desafios interessantes para que essa atividade atenda o propósito para o qual você professor se planejou. Leia atentamente o guia a seguir, assista ao vídeo proposto e boa atividade a todos! Sinopse Essa atividade irá apresentar o tema Raios X, que engloba a discussão sobre sua descoberta, equipamentos para geração e suas aplicações. A discussão inicial é em torno de sua descoberta acidental por Roentgen e da dificuldade em estabelecer sua natureza e como, apesar disso, sua utilização em Medicina foi imediata, dando origem a uma nova disciplina: a Radiologia. O esclarecimento de sua natureza só se deu mais de dez anos depois de sua descoberta e sua aplicação científica mais importante um pouco mais tarde na Inglaterra, com os trabalhos de W.N. Bragg e seu filho W.L. Bragg, que estabeleceram as bases da Espectroscopia e da Cristalografia Estrutural por difração de raios X. Em seguida, as duas equipes de curiosos visitam respectivamente a um Laboratório Radiológico e a um Laboratório de Cristalografia, inteirando-se assim das aplicações dos raios X nessas duas áreas de trabalho. 9
Preparação Antes da exibição do vídeo, sugerimos a você, professor, que: Assista ao vídeo antes para conhecê-lo. É importante assistir atentamente ao material. Atente-se para as questões e situações levantadas. Cheque a qualidade da cópia e deixe a mídia preparada no ponto exato para a exibição. Informe aos alunos somente aspectos gerais do vídeo (autor, duração, tema). Não interprete, nem antecipe as questões que serão tratadas no vídeo, para que ele não se torne mera demonstração de assunto já discutido. Deixe que cada um possa fazer a sua leitura. Sem antecipar as situações do vídeo, pode instigar os alunos a pensarem sobre o tema da atividade com questionamentos, por exemplo: O que é raios X? Com que finalidade os raios X são usados em Medicina? Por que as bagagens nos aeroportos são examinadas com raios X? Não se preocupe, nesse momento da atividade, em encontrar respostas corretas e únicas, mas em despertar as dúvidas e questionamentos sobre os conceitos que serão abordados e desenvolvidos no vídeo. O professor pode optar também por somente informar aos alunos o assunto abordado e pedir que eles apresentem ideias e hipóteses sobre aquilo a que irão assistir. Essas informações podem ser anotadas coletivamente ou individualmente pelos alunos em um exercício de reflexão sobre o que eu sei. Nessa atividade, os alunos poderão escrever o que sabem sobre o tema a ser abordado. Durante da atividade Atente-se para as cenas mais importantes e anote-as para uma discussão posterior. É importante também observar as reações do grupo: como eles 10
reagem à exibição do vídeo. Se necessário, pause a exibição do vídeo para esclarecer e discutir a(s) passagem(s) que julgar interessante(s). A seguir, serão apresentados de forma resumida, os conceitos, questões e experimentos que aparecem no vídeo. Visita à clínica radiológica Na visita a clínica radiológica nosso curiosos aprendem sobre o uso dos filmes radiológicos, sua revelação e como interpretar as partes mais claras como devidas às partes mais densas do objeto analisado, pois a radiação é mais absorvida e menos raios X chegam no filme. Aprendem também sobre outras aplicações no controle de qualidade de peças nas indústrias. Visita ao Laboratório de Cristalografia Na visita ao Laboratório de Cristalografia são levados a conhecer um difratômetro automático de raios X, instrumento completamente robotizado, controlado com grande precisão com o uso de computadores. Verificam todas as componentes do mesmo, desde a fonte geradora de raios X até a produção das imagens. Tomam conhecimento de que, embora o equipamento seja automático, a definição dos melhores parâmetros para o seu funcionamento devem ser escolhidos pelo pesquisador. Em ambos os ambientes são alertados sobre as medidas de segurança que os operadores devem obedecer, a fim de realizar seu trabalho minimizando os riscos de exposição à radiação. Depois a atividade Depois da exibição do vídeo, o professor pode rever os diálogos mais importantes ou que considerar de difícil compreensão. Se necessário, poderá exibi-los uma segunda vez, chamando a atenção para determinados diálogos ou situações. É importante que o grupo (professor e alunos) desenvolva uma discussão sobre o vídeo, destacando questões, dúvidas e comentários sobre a mídia. Após a aula, pode-se também resgatar a dinâmica em que os alunos refletem e escrevem inicialmente em uma folha de papel sobre o que aprenderam. Eles escreverão sobre algo novo que tenham aprendido com o vídeo. Podem ainda trocar a folha com os colegas para incentivar discussões. 11
Durante as discussões, ou mesmo durante a apresentação do vídeo, outras passagens (típicas do cotidiano de jovens em idade escolar) podem ser exploradas, como por exemplo: Questões Quais os tipos de radiação gerados em um tubo de raios X? Por que os raios X são uma ferramenta adequada para a determinação de estruturas cristalinas por difração de raios X? Ao tirar uma radiografia, qual o papel da absorção dos raios X pelos tecidos moles e pelos ossos na imagem obtida? Sugestão de Resposta Radiação branca e radiação característica. Porque, sendo o comprimento de onda dos raios X da mesma ordem de grandeza das distâncias interatômicas, os cristais difratam raios X, produzindo muitos feixes difratados, cujas intensidades são usadas para obter a imagem da estrutura molecular. Quando incidimos raios x em um paciente, parte dessa radiação é absorvida e parte é transmitida. O que determina o grau de absorção por um determinado material é sua densidade e a energia do feixe de raios x. É essa diferença que garante o contraste necessário para a obtenção da imagem dos detalhes do órgão que se deseja analisar. Por exemplo: Tecidos moles são menos densos do que ossos que, portanto, absorvem mais raios X, garantindo o contraste necessário para a obtenção da imagem dos ossos. Avaliação Avalie o efeito do segmento apresentado. Você pode perguntar aos seus alunos o que eles aprenderam, se o vídeo lhes forneceu ideias claras, se ficaram dúvidas ou, ainda, se eles gostariam de assistir a outros vídeos sobre a temática. Sugerimos, como possibilidade de avaliação, um momento em que os alunos opinam e comentem a atividade. O professor pode solicitar aos alunos que relatem o conteúdo em sala de aula, discutindo: 1. Como eles narrariam e resumiriam o vídeo e as discussões desenvolvidas em sala de aula para os alunos que faltaram? 12
2. Que outras questões eles proporiam sobre o assunto trabalhado? 3. Pesquisas entre os alunos sobre as demais questões e informações solicitadas, seguidas de apresentação e discussão das mesmas pelos próprios alunos. Atividades complementares Software do projeto Acessa Física Espectroscopia. Para saber mais GASPAR, A. Experiências de Ciências para o ensino fundamental. São Paulo: Ed. Ática, 2005. HOROWICZ, Ricardo J. LUZ, CORES -- AÇÃO: A Ótica e suas aplicações tecnológicas. São Paulo: Ed. Moderna. 1999. MÁXIMO, A., Alvarenga, B. Física. Volume Único. São Paulo: Editora Scipione, 1997. Palavras-chave: Raio X, Radiologia, Difração de Raios X, Cristalografia, Estrutura de materiais. Links que abordam o assunto: Seara da Ciência. http://www.seara.ufc.br/especiais/fisica/raiosx/raiosx-6.htm. 13
Créditos Projeto Acessa Física Instituição Executora IBTF - Instituto Brasileiro de Educação e Tecnologia de Formação a Distância Parceiros CDCC - Centro de Divulgação Científica e Cultural USP IEA - Instituto de Estudos Avançados - São Carlos USP Concepção de Linguagem Cao Hamburger Concepção e Revisão de Roteiros Prof. Carlos Alfredo Argüello Prof. Dietrich Schiel Prof. Yvonne Primerano Mascarenhas Prof. Carolina Rodrigues de Souza Prof. Paulo Roberto Mascarenhas Prof. Márcio Leandro Rotondo Prof. Naylor Ferreira de Oliveira Prof. Ana Aleixo Diniz Prof. Felipe Castilho de Souza Prof. Herbert Alexandre João Carolina Codá Coordenador Pedagógico Hamilton Silva Apresentação Professores Márcio Miranda e Luis Nunes Patrícia Bruna P. dos Santos Marina Yasmim Karina Reis Marcelo Thomas Canton Miranda Jana Natália Belasalma Edu David Narciso Jonathan Renato Capella Livia Zoe Yasmine Miranda Sá Dall igna Luize Ana Carolina Garbuio Pietro - Bruno Garbuio 14
Iara Letícia Ferreira Maurício Lauro De Paiva Pirolla Fernanda Nicole Santaella Carol Andressa Barbosa C. Gomes Bruno Lucas Matsukura Caio Wesley Soalheiro de Souza Pedro Victor Casé de Souza Oliveira Beto Renato Augusto G. Rodrigues Renata Luiza Campos Martins Felipe Adans Paulo Paulo Rafael Augusto Montassier Direção Glauco M. de Toledo José Pinotti Julio Peronti Carlos Henrique Branco Wagner Netto Produção Danny Santos Wagner Netto José Pinotti Paulo Mascarenhas Taciana Previero Roteiros Claudio Ferraraz Jr. Francisco R. Belda Glauco M. de Toledo Luiz Salles Renato Capella Roger Mestriner Direção de Fotografia Adriano S. Barbuto Fabio Tashiro Edição e Finalização Danny Santos Elói Beltrami Doltrário Fernando Rodrigues Ivan M. Franco Rodrigo Pio Animação 3D André Fonseca Silva Som Direto Wagner Netto Adans Paulo 15
Sound Designer Alexey Rodrigo Adans Paulo Projeto financiado pelo MEC - Ministério da Educação e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia 16