Seção bastidores da ciência

Esta dica de química vem a partir do texto “A mulher que descobriu do que é feito o Sol”, de Leandro Lobo, publicado em CH 406. O texto apresenta a astrônoma Cecilia Payne, que realizou um feito extraordinário ao propor a composição química do Sol. Dessa forma, Cecilia contribuiu para fortalecer o arcabouço teórico em torno do surgimento do universo e a nucleossíntese estelar. Na tese defendida por Cecilia Payne, o hidrogênio e o hélio são os elementos químicos mais abundantes no Sol e nas estrelas, além de outros elementos químicos presentes como o carbono, o oxigênio e o ferro. Cecilia compilou dados de espectros estelares, usou a relação entre temperatura e cores dos gases e baseou-se na mecânica quântica para apresentar seus argumentos.

As pesquisas de Cecilia são corroboradas pela física nuclear. A grande energia produzida nas estrelas e as radiações por elas emitidas são produtos das reações de fusão nuclear. No Sol, núcleos de hidrogênio fundem-se uns com os outros e formam elementos de maior número de massa. A dica de química de CH 406 propõe o estudo da fusão nuclear e complementa a dica de CH 399, onde abordamos a fissão nuclear.

Para o ensino médio, a leitura e a interpretação do texto de CH 406 podem contribuir para o entendimento de como a matéria surgiu no universo, aprofundar o conhecimento acerca das radiações e reações nucleares e discutir o papel das mulheres nos avanços científicos do século XX.

Um aspecto presente no texto é a importância da educação na vida de uma pessoa e a sensibilidade da família ao viabilizar o desenvolvimento das potencialidades de crianças e jovens. A despeito dos desafios encontrados no meio acadêmico, Cecilia também pode contar com cientistas que reconheceram o valor de seu trabalho.

A sugestão de atividade como dica de química baseia-se na metodologia Just-in-Time Teaching (JITT) para abordar, no conjunto das reações nucleares, as reações de fusão nuclear, sua relação com a nucleossíntese estelar e seu descobrimento no século XX. A metodologia JITT é desenvolvida em três etapas.

No primeiro momento, o professor deve indicar à turma, com uma semana de antecedência, o artigo “A mulher que descobriu do que é feito o Sol”, publicado em CH 406, e o vídeo “Como sabemos o que tem nas estrelas?” (ver “Recursos utilizados”). Junto ao material, deve encaminhar de três a cinco perguntas relativas ao texto (Que descoberta fez Cecilia Payne? Qual é a reação que dá origem ao hélio no Sol? Que desafios Cecilia enfrentou ao longo de sua carreira?) que devem ser respondidas pelos alunos e encaminhadas ao professor um ou dois dias antes da aula. Essa troca de materiais pode ser feita por meio de uma sala virtual da turma. Com base nas respostas dos alunos, o professor poderá avaliar o nível de compreensão dos alunos e pautar a preparação da sua aula.

No segundo momento, em sala de aula e após ter analisado as respostas dos alunos, o professor deve discutir as questões e deixar que os alunos façam suas observações e impressões sobre o texto. Em seguida, é hora de estudar as reações de fusão nuclear. 

Quando um próton, uma partícula alfa ou núcleo carregado positivamente atinge um núcleo atômico com alta velocidade, ao invés de ser repelida, a partícula pode ser capturada pela força intensa do núcleo dando origem a um núcleo mais pesado. Esse rearranjo de núcleos chama-se nucleossíntese. As reações de fusão nuclear transmutam os elementos químicos. 

No Sol, o hidrogênio transforma-se em hélio devido às alterações no núcleo atômico. A sequência de reações nucleares parte de dois núcleos de hidrogênio (11H) que formam o deutério (12H ) em seguida o hélio-3 ( 23He) e, finalmente, o hélio mais estável (24He, partícula α). As reações também emitem pósitrons (e+) neutrinos (ν), raios gama (γ) e muita energia. 

11H+ 11H  → 12H+ e+ +v+energia

11H+ 12H  → 23He+ γ+energia

23He+ 23He  → 24He+ 11H+ 11H+energia

A grande energia gerada nas reações justifica as altas temperaturas do sol e das estrelas. As contínuas colisões entre núcleos de hidrogênio e hélio podem formar núcleos de oxigênio, carbono e de ferro no Sol, ao longo do tempo. 

No terceiro momento, o professor pode aplicar exercícios de fixação sobre fusão nuclear a serem resolvidos individualmente. Ao final da aula, um desafio a ser proposto em grupo: a construção de um espectrógrafo e o registro dos diferentes espectros gerados de acordo com a fonte luminosa baseando-se no passo-a-passo do vídeo indicado.

Certamente que o tema fusão nuclear pode ser desenvolvido para pesquisas sobre outros tópicos, dentre eles, o seu potencial para a geração de energia limpa. Fica a critério do professor planejar as várias possibilidades do assunto.

O que hoje pode ser discutido nas escolas sobre a composição química do universo é fruto de muito trabalho de pesquisadores brilhantes como Cecilia Payne.