O presente trabalho busca atualizar o currículo do ensino de Física, incluindo personagens e eventos históricos que favoreceram o desenvolvimento dessa área, e propondo uma sequência de seminários, material didático e a proposta de construção de um espectrômetro de massa, a ser acoplado a um tubo de Crookes já existente e testado no Laboratório de Física de Plasmas da UnB, como material didático no Ensino Médio para estudo de caso, em consonância com a segunda linha de pesquisa do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF).

Reconhece-se, o crucial papel da física de plasmas para o desenvolvimento de novas tecnologias que poderão solucionar o problema da geração de energia via Fusão Termonuclear Controlada, eliminação de lixo tóxico, produção de novos materiais, propulsão de satélites. Este amplo escopo de aplicações da Física e da tecnologia dos plasmas tornam a área essencial para o desenvolvimento sustentável do Brasil e do mundo. No centro dessa situação está a produção da fusão controlada, para o estudo da qual o Brasil carece de profissionais, sendo por isso necessário se empenhar esforços na divulgação e principalmente estímulo a vocações para a área via formação de mais estudantes no Ensino Médio que conhecem e se interessam por ela.

De acordo com a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES): (Fonte: http://www.sbfisica.org.br/v1/arquivos_diversos/publicacoes/FisicaCapes.pdf)

O problema da inserção desse conteúdo pode ser superado por uma estratégia pedagógica abrangendo quatro enfoques de estudo: o desenvolvimento histórico do conceito de plasmas; o estudo das transições de fase; o estudo da teoria cinética dos gases ideais e o comportamento de partículas carregadas em campos Eletromagnéticos (EM), sendo o espectrômetro de massa utilizado como exemplo de aplicação. São subprodutos do trabalho: quatro aulas de 45 minutos estruturadas de acordo com a teoria de design da instrução, de Robert M. Gagné; este website disponibilizado para os alunos, com o conteúdo apresentado em sala; uma investigação sobre alguns livros didáticos utilizados em sala de aula; sugestões de exercícios para prática dos estudantes; e duas propostas de experimentos recomendados para a demonstração dos fenômenos físicos em pauta.

Definimos "plasma" como um gás quasineutro de partículas carregadas e neutras, que exibe comportamento coletivo. Por possuir partículas carregadas, um plasma pode conter regiões de concentração de cargas; consequentemente, serão gerados campos elétricos internos a ele. A movimentação dessas partículas também cria campos magnéticos. Esses dois tipos de campos afetam o movimento de outras partículas carregadas, mais distantes das regiões de acúmulo de cargas. Isso diferencia o plasma de um gás ideal, em que todas as interações se dão por colisões, não havendo perturbações de outra natureza.

Existem, no entanto, três condições que um plasma deve satisfazer: o comprimento de Debye deve ser muito menor do que a dimensão ocupada pelo gás, o número de partículas na esfera de Debye deve ser muito maior do que 1, e o produto da frequência de oscilação de plasma vezes o tempo médio entre colisões entre átomos neutros deve ser maior que 1 (CHEN, 1985).

(a)Comprimento de Debye: ao colocar objetos eletricamente carregados dentro do plasma, quase instantaneamente esses objetos irão atrair partículas de cargas opostas, que rodearam o objeto cancelando o campo elétrico dentro do plasma. A fronteira dessa camada de cargas ao redor dos objetos ocorre no raio em que a energia potencial é aproximadamente igual à energia térmica KT das partículas, nesse ponto as partículas escapam do potencial, podendo assim existir potenciais elétricos dentro do plasma. Em um plasma suficientemente frio a blindagem se aproxima de 100%. A distância da superfície do objeto carregado até a fronteira em que partículas tem velocidade igual ou acima da de escape, é chamada de comprimento de Debye. Para que esteja configurado o estado plasma, é necessário que o plasma ocupe um espaço muito maior que a blindagem de Debye ao redor desses objetos carregados. Essa exigência tem relação direta com a quasineutralidade do plasma, ele não pode ser tão neutro tal que as forças eletromagnéticas desapareçam. O plasma também precisa ser denso o bastante tal que ele tenha partículas suficientes para blindar objetos carregados dentro de si, sem que seja dominado totalmente pela influência do objeto, ou seja, o comprimento de Debye deve ser muito menor que a dimensão do plasma.

(b)Número de partículas na esfera de Debye: esta condição está estreitamente correlacionada a primeira, se houverem apenas uma ou duas partículas blindando o objeto carregado inserido no plasma, o conceito de blindagem não seria válido, portanto o número dessas partículas na bainha de plasma deve ser muito maior do que 1.

(c)Frequência de oscilação do plasma e tempo médio de colisões: porque elétrons tem massa aproximadamente 1000 vezes menor que o menor íon, um próton, em um plasma, eles se movem de maneira muito mais célere que os últimos. De fato, podemos pensar que os íons formam um plano de fundo imóvel em relação aos elétrons. Quando os elétrons se deslocam em relação a esse plano de fundo, campos elétricos aparecem em direção tal que precipite o retorno à neutralidade do plasma, puxando-os de volta a sua posição inicial. Porém, como uma mola, os elétrons passam direto pela posição de equilíbrio, e o mesmo se repete na direção oposta. A frequência desse movimento é chamada de frequência de plasma. Tipicamente, essa frequência é da ordem de 109Hz. Para que se configure o estado plasma, é importante que o período de oscilações seja inferior ao tempo médio de colisões entre os íons, caso contrário, não se poderia dizer que o plasma realmente oscila, e portanto as forças eletromagnéticas não seriam dominantes, descaracterizando o estado plasma, assim, o produto da frequência de plasma vezes o tempo médio de colisões deve ser maior que 1.

• Hábil vidreiro, fornecia instrumentos para a Universidade de Bonn.
• Aprimorou a técnica de evacuação de tubos de vidro.
• Tubos de Geissler são precursores dos tubos de gás neônio.

• Físico e professor da Universidade de Bonn.
• Trabalhou com os instrumentos feitos por Geissler
• Descobriu que descargas elétricas em um gás rarefeito geram brilho nas paredes do tubo de vidro.
• Pioneiro na área de espectroscopia.

• Físico inglês, professor na Universidade de Cambridge.
• Aprimorou os tubos de Geissler, agora chamados tubos de Crookes.
• Descreveu os raios catódicos.
• Acreditava ter descoberto o quarto estado da matéria.
• Usando as técnicas da época de espectroscopia, descobriu os elementos Tálio, Hélio e Protactínio.

• Físico inglês, professor na Universidade de Cambridge.
• Vencedor do sexto prêmio nobel de física por suas contribuições teóricas e experimentais sobre a condução de eletricidade por gases.
• Exímio professor, 7 de seus alunos receberam o mesmo prêmio, e também seu próprio filho.
• Descobriu que os raios catódicos eram compostos por partículas negativamente carregadas e 1000 vezes mais leves que um átomo de hidrogênio, os elétrons.
• Inventor da espectroscopia de massa, identificou isótopos pela primeira vez (neônio).

• Físico inglês, professor na Universidade de Cambridge do departamento de matemática.
• Partículas carregadas emitem radiação.
• Raio da trajetória do elétron em um campo magnético.

• Físico e Químico americano, pesquisador da General Electric, vencedor do prêmio Nobel de Química de 1932.
• Caracterizou e nomeou o quarto estado da matéria como “plasma”.

• Físico sueco, professor na Universidade de Estocolmo.
• Criador do acelerador linear de partículas.
• Utilização de campos elétricos oscilantes (ondas de rádio) para acelerar partículas.

• Físico inglês, professor em King’s College, vencedor do prêmio Nobel de Física em 1947.
• Provou a existência da ionosfera através do estudo da reflexão de ondas de rádio pela atmosfera.
• Seu trabalho culminou na invenção do radar.

• Físico russo, professor da Universidade de Kharkiv.
• Formulador da primeira teoria de transição de fases de segunda ordem (contínuas).

• Físico americano, vencedor do prêmio Nobel de 1939 pela invenção do ciclotron.
• Defensor da política da “Big Science”.

• Físico americano dedicado ao estudo da física de plasma, vencedor do prêmio Nobel de 1970.
• Pioneiro no estudo da magnetoidrodinâmica.
• Cunhou o conceito de "Universo Plasma"
• Grande popularizador do estado plasma

• Físico americano, precursor da instrumentalização científica dos satélites.
• Montou contadores Geiger-Muller em satélites, conseguindo assim detectar cinturões de radiação presos entre as linhas de campo magnético terrestre, hoje chamados cinturões de Van Allen.

De fato, a transição de fase gás-plasma ocorre de forma diferenciada das outras transições. As transições comumente ensinadas no Ensino Médio recebem a classificação de transições de primeira ordem, ou descontínuas, enquanto que a transição gás-plasma é classificada como de segunda ordem, ou contínua, de acordo com a classificação de Ehrenfest. Argumentamos que as transições de segunda ordem são conceitualmente mais simples que as transições de primeira ordem, isto por causa do seu caráter contínuo,de acordo com Callen (1985):

Assumindo a aproximação de gases perfeitos:

Como elucidado na primeira aula deste trabalho, a história dos tubos de raios catódicos e da espectroscopia de massa começa com Geissler, Plucker, Crookes, e Thomson, é importante, no entanto, ressaltar mais alguns marcos importantes no desenvolvimento desta tecnologia.

Em 1886, William Crookes, em pronunciamento à Chemical Section of the British Association at Birmingham, disse (WHITE; WOOD, 1986. Tradução livre pelo autor):

De acordo com White e Wood (1986, p. 5), no mesmo ano, o físico alemão Eugen Goldstein, que investigava descargas em tubos a baixa pressão, observa que se o catodo fosse perfurado também havia um brilho em torno deste. Conclui assim que havia outros raios, além dos catódicos, indo na direção oposta. Porque esses raios passavam por dentro das perfurações, denominou-os raios canais. Treze anos depois, um alunos de Kirchhoff, Wilhelm Wien, mostra que esses raios, ou íons, poderiam ter sua trajetória desviada por um eletroímã. Durante esse mesmo período, Thomson estava no laboratório Cavendish, em Cambridge, estudando em detalhe as trajetórias de elétrons e íons positivos, percebendo que, quando defletidas por um campo magnético, se tornavam parábolas bem definidas e discretas, provando que átomos individuais do mesmo elemento tem aproximadamente a mesma massa. Assim nasceu a espectroscopia de massa, é importante esclarecer ao aluno de ensino médio o sentido da palavra espectro, a saber, o domínio dos valores possíveis para as massas. Thomson então declara (WHITE; WOOD, 1986. Tradução livre pelo autor):

Ainda de acordo com White e Wood (1986, p. 7), já em 1912 Thomson conseguia distinguir trajetórias de íons cuja massa diferia em apenas 10%. E em 1919, Francis William Aston, um colega de Thomson no laboratório Cavendish, foi capaz de estabelecer uma razão de abundância de 10 para 1 para Neônio de massa atômica 20 e 22, respectivamente, um resultado muito próximo do peso atômico conhecido de 20.18.

Aston continuou a aperfeiçoar seu equipamento mapeando boa parte da tabela periódica, chegando a medir 212 isótopos diferentes. Determinou assim que a maioria, e não a minoria como se pensava, dos elementos possuem isótopos, e também a chamada lei do número inteiro, que diz que as massas dos isótopos são múltiplos inteiros da massa do átomo de hidrogênio. Recebeu o prêmio Nobel da química por seus esforços em 1922. A partir do trabalho de Aston, o espectrômetro de massa passou a ser estudado e desenvolvido em vários países do mundo, começando por Estados Unidos, e depois por Canadá, Alemanha, Suécia, Japão, e Rússia. O espectrômetro desenvolvido por Aston tinha poder de resolução de 600, com as várias melhorias feitas ao equipamento, em 1955 já existiam espectrômetros com resolução igual a 500,000.

A indústria petroleira foi a primeira a adotar em massa os espectrômetros, para a análise qualitativa dos seus produtos. Já em 1943 o conteúdo de uma mistura de 9 componentes poderia ser determinado em 1 hora, o que levava 240 horas nos procedimentos anteriores (WOOD; WHITE, 1986, p. 3). Hoje, basicamente todas as indústrias de alta tecnologia utilizam esse equipamento, como aviação, comunicações, alimentos, petróleo, farmacêutica, fotografia, semicondutores, entre outros. O estudante talvez tenha se deparado com espectrômetros de massa em aeroportos, para controle de substâncias ilegais.