Levar a física das partículas ao dia a dia: constroi a tua câmara de nevoeiro Teach article

Traduzido por M.ª da Conceição Abreu. A Física das partículas é muitas vezes vista como algo só para enormes institutos de investigação, fora do alcance do público. Francisco Barradas-Solas e Paloma Alameda-Meléndez, mostram como - com um detetor de partículas feito em casa –…

Uma fonte de polónio
emitindo particulas alfa
forma um padrão tipo flor no
centro de uma câmara de
nevoeiro activa em contínuo.
As partículas são visíveis no
vapor de alcool difundido a
partir de uma zona à
temperatura ambiente para
outra a –78ºC. Esta fotografia
foi tirada em 1957. Clique na
imagem para ampliar

Imagem pública; fonte da
imagem: Wikimedia Commons

O objetivo da física de partículas elementares é encontrar os blocos básicos a partir dos quais todas as coisas são feitas e investigar o comportamento desses blocos. Apesar de isto ser um alicerce da ciência, a física das partículas é frequentemente ignorada ou pouco compreendida nas escolas, em parte, porque é entendida como não estando relacionada com as coisas com as quais interagimos no dia a dia. Contudo, os físicos de partículas detetam e medem electrões, fotões ou muões todos os dias com o mesmo rigor com que todos nós ‘detetamos’ vacas, mesas ou aviões. Além disto, detetores de partículas (por ex detetores ou aparelho PET) são usados regularmente, por exemplo, por físicos médicos para detetar tumores e monitorar a função de órgãos internos..

Aqui demonstramos como levar a física de partículas à vida da sala de aula, usando possivelmente o mais simples detetor de partículas: uma câmara de nevoeiro de difusão continuamente activa. Esta versão caseira consiste num aquário fechado cheio de ar e vapor de álcool, arrefecido a muito baixa temperatura, que pode ser usado para detectar partículas carregadas, em particular muões cósmicos, se tiverem energia suficiente.

Partículas elementares

Partículas elementares são os elementos mais simples de que tudo é feito. Não são apenas os blocos básicos da matéria e radiação mas também dão origem às interações entre eles (para mais detalhes sobre partículas elementares, ver Landua & Rau, 2008). Estas partículas transportam energia e momento, e podem assim ser vistas pelos detetores. Rigorosamente falando, não podemos ver directamente as partículas – pelo contrário pode inferir-se a sua passagem pelos detetores pelos efeitos que causam, tais como a ionização (para as partículas carregadas). Isto é exactamente o que acontece quando observamos no céu o rasto de condensação do avião que não vemos – e que podemos fazer com a nossa câmara de nevoeiro caseira.

Câmara de nevoeiro de difusão continuamente activa

Esboço de uma câmara de
nevoeiro de difusão
continuamente ativa

Imagem cortesia de Francisco
Barradas Solas

Esta câmara de nevoeiro é basicamente um recipiente estanque cheio com uma mistura de ar e vapor de álcool. O álcool líquido evapora-se de um reservatório e difunde-se pelo ar do topo para a base da câmara. Arrefecendo a base com gelo seco (dióxido de carbono sólido que durante a sublimação está a uma temperatura constante de cerca de –79 ºC) origina-se um forte gradiente vertical de temperatura e forma-se perto da base uma zona com vapor de álcool supersaturado. Esta camada sensível é instável, por ter muito mais vapor de álcool frio que o normal. O processo de condensação do vapor em líquido pode ser iniciado pela passagem de um partícula carregada de energia suficiente para ionizar os átomos no seu trajeto. Estes iões são os núcleos de condensação em torno dos quais as gotas de líquido se formam originando um traço.

Montagem e operação

Materiais

Secção da câmara de
nevoeiro. Clique na imagem
para ampliar

Imagem cortesia de Francisco
Barradas Solas
  • Recipiente de plástico ou vidro com paredes planas e transparentes (por ex. um aquário) com uma base de cerca de 30cm x 20cm, e uma altura à volta de 20cm (podem ser usadas outras dimensões, mas os efeitos podem variar)
  • Folha de alumínio (com espessura cerca de 1mm, a mesma espessura da base do aquário)
  • Um tabuleiro raso um pouco maior que a base do aquário
  • Duas lâmpadas, uma delas forte
  • Uma tira de feltro (com uma largura de cerca de 3 cm e suficientemente comprida para contornar todo o interior da aquário, i.e. um pouco mais de 1m de comprido)
  • Cola (não solúvel em álcool)
  • Fita isolante preta ou fita cola também preta
  • Álcool isopropilico (isopropanol)
  • Gelo seco
A câmara. Clique na imagem
para ampliar

Imagem preparada por Alberto
Izquierdo; Imagem cortesia de
Francisco Barradas Solas

Método

  1. Cola uma tira de feltro (reservatório de álcool) ao longo de todo a bordo da base do aquário (o corpo da câmara de nevoeiro). Podes também colar algum feltro na base do tanque.
  2. Corta a folha de alumínio para servir de tampa do aquário (tão justo quanto possível) e cobre um dos lados da folha com fita isolante, formando uma superfície preta.
  3. Ensopa o feltro em alcool isopropilico (mas não demasiado para não escorrer pelas paredes da câmara).
    Nota de segurança: Fazer isto numa sala bem ventilada e recordar que o álcool é inflamável.
  4. Inverte o aquário sobre a folha de alumínio. Assegura-te que o lado preto está voltado para cima (para tornar mais visíveis os traços das partículas).
  5. Usa fita isolante ou fita cola para fixar a folha de alumínio aos bordos do aquário, selando a câmara para ficar estanque ao ar. Este é o passo mais crítico e deve ser feito com muito cuidado, porque a junção torna-se húmida e muito fria durante a operação.
  6. Coloca uma camada plana de gelo seco no tabuleiro e coloca a câmara por cima, assegurando que a base está horizontal. Para assegurar um bom contacto térmico entre a placa metálica e o gelo seco, evita grandes bocados de gelo seco: camadas planas ou pó são os melhores, mas pequenos grãos também servem.
    Nota de segurança: O gelo seco está a cerca de –79 ºC e tem de ser manuseado com luvas espessas.
  7. Conserva o topo da câmara quente, por exemplo apontando-lhe uma lâmpada acesa. Não usar a câmara numa sala muito fria, porque vai impedir que exista um gradiente de temperatura correcto, fazendo com que os traços não se vejam.
  8. Deixar a câmara em repouso durante 10 min. para que o gradiente de temperatura se estabeleça. Ilumina a câmara com uma lâmpada intensa, com o feixe de luz próximo da horizontal,e olha para o fundo da câmara. Primeiro irás ver só um nevoeiro de álcool a cair, mas gradualmente os traços das partículas carregadas aparecem como rastos de condensação no nevoeiro. Nota: os traços são mais visíveis numa sala escurecida.
Traços de radiação ionizante
numa câmara de nevoeiro
(grossos e curtos: partículas
alfa; longos e finos: partículas beta)

Imagem cortesia de Bionerd;
fonte: Wikimedia Commons

Embora qualquer particula carregada com energia suficiente, por exemplo com origem na radioactividade ambiente, possa deixar um rasto na câmara, a maioria dos traços provêm de raios cósmicos secundários: partículas criadas quando outras partículas (em especial protões) vêm do espaço exterior e atingem a atmosfera superior. Os raios cósmicos secundários viajam a uma velocidade próxima da velocidade da luz e são absorvidos na atmosfera ou decaem em voo dando origem a novas partículas como muões, que podem atingir a superfície da Terra e serem facilmente detetados. Muões são partículas elementares carregadas muito semelhantes aos eletrões à excepção da massa (a qual é duzentas vezes superior).

O que se pode fazer com a câmara?

Raios cósmicos. Clique na
imagem para ampliar

Imagem preparada por Alberto
Izquierdo; Imagem cortesia de
Francisco Barradas Solas

Para que a câmara seja realmente útil não nos podemos limitar a mostrá-la e descrever como funciona. Para acompanhar a explicação, preparámos uma curta banda desenhadaw1 (ver abaixo), que mostra como a câmara funciona e ilustra a origem e a composição dos raios cósmicos a partir da história de um protão cósmico e dos seus descendentes.

Usamos a câmara na escola com os nossos estudantes de 12 a 16 anos, para os ajudar a ver que as partículas são objetos físicos reais. Olhar para os traços visíveis deixados pelas partículas invisíveis e compará-los com os rastos deixados pelos motores dos aviões (nos quais estão envolvidos essencialmente os mesmos processos físicos) é o primeiro passo num processo que continua com a apresentação de dados e imagens reais da física das altas energias em exercícios e questões normaisw2, w3 (Cid, 2005; Cid & Ramón, 2009) e que conclui com o uso na escola de um outro detetor, mais complicado: um detetor de cintilação para raios cósmicos que permite aos próprios alunos registar e estudar dados (Barradas-Solas, 2007).

Clique na imagem para
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Obtida da banda desenhada
sobre a câmara de nevoeiro;
Imagem cortesia de Paloma
Alameda-Meléndez

Porque não usar o fórum online Science in School para trocar ideias sobre como usar a câmara de nevoeiro na escola? Ver: www.scienceinschool.org/forum/cloudchamber

Agradecimentos

Os autores agradecem à Dr. Eleanor Hayes, Editora da Science in School, pelo apoio à preparação da versão final deste artigo.

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References

Web References

  • w1 – A banda desenhada ( em Inglês e Espanhol) e instruções de montagem completas (em espanhol) estão disponíveis no nosso sitio web: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • w2 – Ver, por exemplo, a informação introdutória acerca do LHC e alguns cálculos simples de física feitos em todos os aceleradores de partículas (Física em LHC) em ‘Taking a closer look at LHC’: http://www.lhc-closer.es

    w3 – O sitio web do CERN dedicado a professores do ensino secundário (http://teachers.web.cern.ch) também inclui uma galeria de fotos de câmaras de bolhas que se ajustam bem ao nosso projecto. Ver a ligação direta: http://tinyurl.com/yfbv8ls

  •  

Resources

  • Para textos curtos e acessíveis de física de partículas dirigidas ao público em geral, ver:
  • Para um debate de como o Grande Colisionador Hadrónico do CERN pode responder a algumas grandes questões da física de partículas; ver:
    • Landua R (2008) O LHC: um olhar no interior. Science in School 10. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhchow/portuguese
    • Para introduções mais detalhadas, mas ainda acessíveis, dirigidas a pessoas com algum conhecimento cientifico e sem medo de um pouco de matemática, recomendamos:
    • Barnett RM et al. (2000) The Charm of Strange Quarks: Mysteries and Revolutions of Particle Physics. New York, NY, USA: AIP Press. ISBN: 0387988971
    • Treiman SB (1999) The Odd Quantum. Princeton, NJ, USA: Princeton University Press. ISBN: 0691009260
    • O livro de Treiman é um dos melhores para uma abordagem inicial às subtilezas da mecânica quântica em física de partículas (que evitámos neste artigo), incluindo particulas virtuais e instáveis e a relação campos / partículas.
    • Para aprender mais sobre raios cósmicos, ver a Cosmicopia da NASA: http://helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html
    • Nós e muitos outros aprendemos como construir uma câmara de nevoeiro a partir da página da câmara de nevoeiro de Andy Foland: www.lns.cornell.edu/~adf4/cloud.html
    • O sitio web do Museu Americano de História Natural tem uma versão ilustrada da maioria dos passos de montagem de uma câmara de nevoeiro: www.amnh.org/education/resources/rfl/web/einsteinguide/activities/cloud.html
    • Não é fácil explicar em detalhe o processo da supersaturação e formação de traços ou justificar a escolha do líquido (isopropanol, no nosso caso) uma vez que dependem de forma complexa – por exemplo – das energias de ionização, das pressões de vapor, das taxas de difusão e de vários aspectos técnicos da câmara. Se pretende aprofundar este assunto, veja bibliografia suplementar sobre câmaras de nevoeiro no sítio: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • Para consultar na Science in School um artigo sobre medições de radioactividade com origem no radão em casa, ver:

Author(s)

Francisco Barradas-Solas é licenciado em física e ensina física e química na escola secundária, embora seja frequentemente requisitado como conselheiro cientifico da autoridade regional de educação de Madrid, Espanha. Um dos seus principais interesses é a introdução da física de partículas nas escolas e tem participado em vários programas para professores organizados pelo CERN.

Paloma Alameda-Meléndez é licenciada em química e ensina física e química na Escola Secundária El Álamo, perto de Madrid.


Review

Cosmic rays consist of subatomic particles that come from space and strike Earth’s atmosphere, creating a shower of secondary particles that can be studied at the Earth’s surface. Students in secondary education can usually only read about those particles in books or study them through simulations – although the particles constantly pass through our bodies.

Aqui, Francisco Barradas-Solas e Paloma Alameda-Meléndez apresentam a ideia de que as câmaras de nevoeiro podem ser usadas pelos alunos como uma ferramenta experimental, possibilitando que eles façam as suas próprias pesquisas sobre radiação. Os autores dão também detalhes acerca da construção de uma câmara de nevoeiro, equipamento que pode ser construído facilmente na escola, permitindo aos alunos observar aquelas partículas subatómicas na sala de aula tornando os seus rastos visíveis.


Vangelis Koltsakis, Grécia




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CC-BY-NC-SA