مفاهیم کلیدی: انرژی، رادیواکتیو، فروپاشی نمایی
مشاهده علمی ۱۹۲
مقدمه:
یکی از روش‌های تولید انرژی استفاده از راکتورهای هسته‌ای است. این نیروگاه‌ها به طور کلی بی خطر هستند اما گاهی حوادثی در آنها رخ می‌دهد که در پی آن مواد رادیواکتیو خطرناک آزاد می‌شوند. ممکن است در مورد حوادث هسته‌ای مانند چرنوبیل، Three mile island و فوکوشیما در اخبار چیزهایی شنیده باشید. پاک سازی پس از این حادثه‌ها چندین سال یا حتی چند دهه به طول می‌انجامد و حتی ممکن است تا زمانی بسیار طولانی‌تر زندگی انسان‌ها در این مکان‌ها پر خطر باشد. چرا آلودگی هسته‌ای به این اندازه پایدار است؟ در این فعالیت علمی کاملاً بی خطر با استفاده از سکه در مورد فروپاشی مواد رادیواکتیو بیشتر خواهید آموخت.
پیش‌زمینه:
تمام مواد از اتم تشکیل شده‌اند. برخی از اتم‌ها رادیواکتیو هستند، به این معنا که در نهایت تجزیه می‌شوند یا به دو نوع اتم مختلف تبدیل می‌شوند. هنگامی که این فرآیند شکست رخ می‌دهد، اتم از خود پرتو ساتع می‌کند. برخی از پرتوها هر روز ما را احاطه می‌کنند و کاملاً بی خطر هستند، مانند امواج رادیویی و نور مرئی. انواع دیگر مانند اشعه ایکس و گاما برای انسان مضر هستند. اتم‌های مورد استفاده به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای می‌توانند این پرتوهای خطرناک را تولید کنند، به همین دلیل نگهداری این سوخت‌ها بسیار اهمیت دارد. با این اوصاف، در صورت وقوع انفجار (یا در مورد فوکوشیما رخ دادن زمین لرزه) در یک نیروگاه هسته‌ای، ممکن است مقداری از این اتم‌های رادیواکتیو به فضای بیرون راه پیدا کنند و باعث آلودگی شوند.
فروپاشی مواد رادیواکتیو فرآیندی تصادفی است، تقریباً چیزی شبیه به پرتاب سکه یا تاس. در هر لحظه از زمان احتمال این وجود دارد که یک اتم فروپاشی کند اما احتمال این نیز وجود دارد که فروپاشی اتفاق نیفتد. سرعت فروپاشی مواد رادیواکتیو با معیاری به نام نیمه عمر اندازه‌گیری می‌شود. نیمه عمر بیان می‌کند که به طور میانگین چه مدت طول می‌کشد تا نیمی از اتم‌های رادیواکتیو باقی بمانند. نیمه عمر اتم‌های مختلف می‌تواند بسیار متفاوت باشد، برخی کمتر از یک ثانیه و برخی حتی هزاران یا چند میلیون سال. در این فعالیت علمی شما با پرتاب سکه‌ها فروپاشی هسته‌ای را شبیه‌سازی خواهید کرد. سکه‌هایی که در هنگام فرود سمت تصویرشان به بالا قرار بگیرد فروپاشی می‌کنند و سکه‌هایی که سمت عددشان به بالا باشد بدون فروپاشی باقی می‌مانند. با این کار بدون استفاده از مواد رادیواکتیو در مورد روند فروپاشی آنها بیشتر خواهید آموخت.
مواد و وسایل مورد نیاز:
حدود ۱۲۰ عدد سکه (نوع سکه اهمیت ندارد)
زیپ کیپ (کیسه‌ی در دار)
یک میز تخت برای قرار دادن سکه‌ها روی آن و شمارش آنها
کاغذ یادداشت
مداد
آماده‌سازی:
تمام وسایل مورد نیاز خود را روی میز کار قرار دهید.
دقیقاً صد عدد سکه داخل کیسه بریزید.
روش کار:
کیسه را چند ثانیه با شدت تکان دهید.
کیسه را باز کنید و سکه‌ها را با دقت روی میز بریزید. دقت کنید که همه‌ی آنها را نباید به سرعت با هم از کیسه خالی کنید زیرا ممکن است در اثر این کار چند سکه روی زمین بیفتد.
سکه‌ها را بر اساس سمتی از آنها که رو به بالا قرار گرفته است به دو گروه تقسیم کنید: گروهی که سمت تصویرشان رو به بالاست و گروهی که سمت عددشان رو به بالا قرار دارد. تعداد سکه‌های موجود در این گروه چقدر است؟ نسبت تعداد سکه‌ها در این دو گروه به هم چند است؟
تعداد سکه‌هایی که سمت عددشان رو به بالاست را بشمارید و آن را یادداشت کنید.
سکه‌هایی که سمت تصویرشان رو به بالاست را کنار بگذارید و باقی سکه‌ها که عددشان رو به بالاست را مجدداً داخل کیسه بریزید.
کیسه را تکان دهید و همین مراحل را تکرار کنید: سکه‌ها را روی میز بریزید. دو گروه را از هم جدا کنید. تعداد سکه‌هایی که عددشان رو به بالاست را یادداشت کنید و آنها را به داخل کیسه برگردانید. هر بار چه نسبتی میان تعداد سکه‌های دو گروه برقرار است؟
این مراحل را تا جایی تکرار کنید که هیچ سکه‌ای مجدداً به کیسه برگردانده نشود و هر صد سکه کنار گذاشته شده باشند.
حال به اعدادی که یادداشت کرده‌اید نگاه کنید. به تعداد هر عدد سکه روی هم بچینید و سپس ستون‌های سکه را به ترتیب اعدادی که نوشتید کنار هم بگذارید. (بدین ترتیب به جای رسم نمودار، نموداری از ستون‌های سکه خواهید داشت.) توجه داشته باشید که ممکن است برای ساخت ستون‌ها نیاز به استفاده از سکه‌های اضافه‌تان داشته باشید. (برای مثال اگر اعدادی که یادداشت کردید به ترتیب 56، 25، 13، 6، 3 و 1 باشند، جمع آنها 104 می‌شود. بدین ترتیب با وجود اینکه تنها از صد سکه برای انجام آزمایش استفاده کردید، برای ساخت نمودار به 104 سکه نیاز دارید زیرا برخی از سکه‌ها چندین بار سمت عددشان رو به بالا قرار می‌گیرد.) نموداری که با سکه‌ها ساختید چه شکلی است؟ آیا نمودار به صورت خط راست است یا اشکال دیگر؟ چند مرتبه کار لازم بود تا سکه‌های داخل کیسه تمام شوند؟
آزمایش‌های تکمیلی:
این فعالیت را چند مرتبه‌ی دیگر انجام دهید. آیا هر بار نتایجی یکسان به دست می‌آورید؟
این فعالیت را با تعداد سکه‌های متفاوت تکرار کنید. اگر کار را با 50 یا 200 سکه شروع کنید چه اتفاقی می‌افتد؟ نمودار پایانی در این موارد چه تفاوتی دارد؟
با استفاده از زمان سنج مدت زمانی که کیسه را تکان می‌دهید اندازه بگیرید تا مواد مختلف با نیمه عمرهای متفاوت را شبیه-سازی کنید. سپس با استفاده از خط‌کش ستون‌های سکه را نسبت به زمان قرار دهید. برای مثال، اگر کیسه را به مدت ده ثانیه تکان می‌دهید، می‌توانید ستون‌های سکه را با فاصله‌های ده سانتیمتری از هم قرار دهید. نمودار رسم شده به این ترتیب چه تفاوتی با نمودار مربوط به حالتی دارد که بیست ثانیه کیسه را تکان می‌دهید؟ (در صورتی این مقایسه درست است که در هر دو مرتبه کار را با تعداد یکسان سکه شروع کنید.)
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که تعداد سکه‌های داخل کیسه به طور تقریبی و نه دقیقاً، هر بار نصف می‌شوند. برای مثال اگر هر بار نیز با صد سکه کار را شروع کنید، بدین معنا نیست که دقیقاً پنجاه سکه رو به عدد و پنجاه سکه رو به تصویر قرار می‌گیرند. ممکن است عددِ 56 سکه و تصویرِ 44 سکه رو به بالا باشد. احتمالاً در هر مرتبه نیمی از سکه‌ها را کنار می‌گذارید و حدوداً شش مرتبه کار لازم است تا تمام سکه‌های داخل کیسه تمام شوند (در صورتی که با صد سکه کار خود را شروع کرده باشید.). دقت داشته باشید که پرتاب سکه فرآیندی تصادفی است در نتیجه نتایج هر بار کاملاً یکسان نخواهند بود. نمودار نهایی خط صاف نیست، بلکه یک منحنی نمایی با شیب ابتدایی زیاد است که در ادامه به سمت صفر میل می‌کند. اگر کار را با تعداد سکه‌های کمتر یا بیشتر شروع کنید، تعداد دفعات لازم برای رسیدن به عدد صفر متغیر می‌شود اما شکل منحنی یکسان است.
به همین دلیل آلودگی رادیواکتیو در طبیعت خطرناک و از بین بردن آن دشوار است. با وجود اینکه تعداد زیادی از ماده در ابتدا از بین می‌رود، مقادیر کمتر در طولانی مدت باقی می‌مانند. برای مثال، برخی از آلودگی‌های فاجعه‌ی چرنوبیل نیمه عمری در حدود سی سال دارند. فرض کنیم که می‌توانستیم هر مرحله از این آزمایش را هر سی سال یک بار انجام دهیم. در آن صورت پس از گذشت صد سال نیز احتمالاً هنوز سکه‌هایی باقی می‌مانند! به همین دلیل اگر چه حادثه‌ی چرنوبیل در سال ۱۹۸۶ رخ داده است، منطقه‌ی رویداد آن هنوز برای زندگی انسان‌ها نامناسب است.
منبع:
Scientific American
رادیو اکتیویته
نیمه عمر - ویکی پدیا
منابع مفید:
پرتو ایکس
ماشین پرتو ایکس
عمرسنجی با کربن ۱۴
پزشکی هسته ای
شیمی هسته ای
شیمی هسته ای - ۲
عناصر مصنوعی
رادیوایزوتوپ و پزشکی هسته ای
رادیو ایزتوپ راهکاری برای سرطان
Atomic Candy
فاجعه چرنوبیل - ویکی پدیا
واپاشی هسته ای - ویکی پدیا
حادثه تری مایل آیلند - ویکی پدیا