دانلود تحقیق کربن رادیو اکتیو

مقدمه

هر گاه در خودم احساس پیری زود رس و نا بهنگام می‌کنم، به سنگی که در گوشه میز کارم قرار دارد،  نیم‌نگاهی می‌اندازم. این سنگ خاکستری تیره، بخشی از توده گرانیت مانند  "نایس- gneiss " است. من آن را در سواحل رودخانه " آکاستا- Acasta " در مرزهای شمال غربی کانادا پیدا کرده ام. در نظر اول مانند همه نایس ها است. تنها در یک مورد با بقیه تفاوت دارد: قدیمی ‌ترین سنگی است که تا کنون در سطح زمین یافت شده است. این سن به‌اندازه ای زیاد است که حتی تصورش مشکل می‌نماید. از زمان تولد سیاره ما، اتمهایی که این سنگ را تشکیل داده اند، به هم پیوسته مانده اند، حتی زمانی که قاره ها از هم جدا شدند و آرایش جدید پیدا کردند. اگر  یکسال را معادل 1 یارد(9144/0 متر) نخ بافته شده تصور کنید ، آنگاه چنانچه 5/4 بار فاصله بین ماه- زمین را نخ کشی کنید، طول نخ مصرفی، معادل سن سنگ آکاستا خواهد شد. 

چگونه ما این اطلاعات را به‌دست می آوریم؟ طبیعت گواهی تولد صادر نمی‌کند، حتی سال تولد را مانند سکه، بر روی موجوداتش مهر نمی‌نماید. دانشمندان آموخته اند سن استخوانها، سنگها، سیاره‌ها و ستاره ها را با استفاده از ساعتهایی که درون خودشان وجود دارد، مشخص کنند. با این زمان سنج ‌های طبیعی، آنها قادرند نیروهایی که قاره‌ها را شکل داده اند، حیات، تمدن انسانی و حتی کهکشان‌ها را درک کنند. دیگر تاریخ انسانی، قابل مقایسه با تاریخ طبیعت نیست: اگر عمر جهان را که 13 بیلیون سال است، معادل یک روز تابستانی فرض کنیم، آنگاه 100000 سال گذشته _که انسان جدید پا به عرصه گذاشته یعنی آغاز کشاورزی و تاریخ مدون بشری_ تنها به تابش کرم شبتابی درلحظه طلوع خورشید همانند است.

پاسخ دادن به سؤال: " چند سال... ؟" مدت‌‌ها ذهن بشر را به خود مشغول کرده است. در این مقاله با برخی روش‌های تعیین سن آشنا می شویم.

کربن رادیو اکتیو

*** دانشمندان بر حسب اینکه چه مقیاس زمانی لازم دارند، ساعتهای گوناگونی را انتخاب می نمایند. مثلا برای اندازه‌گیری زمانهای تا حدود 40000سال پیش، کربن 14 مناسب است. محققان با اندازه گیری مقدار کربن رادیو اکتیو موجودی که قبلا زنده بوده، میتوانند زمان مرگ آن را مشخص نمایند. به عنوان مثال، باستان شناسان می‌دانند که یکی از قدیمی‌ترین قسمت‌های " استون هنج- Stone Henge " در انگلیس، آبراهه‌ای است که سنگهای مشهور را محاصره کرده است. این آبراهه، بوسیله شاخ‌های گوزن حفر شده که بقایای آنها در کنار آبراهه یافت شده اند. با اندازه گیری کربن 14 این شاخ‌ها معلوم شد که این حفاری در 5000 سال پیش صورت گرفته است.

و اما کربن رادیو اکتیو از کجا می آید؟ همه اتمها _ چه کربن و چه سایر عناصر_ شامل اجزا زیر اتمی در هسته خود هستند: نوترون‌ها و پروتون‌ها . معمولا اتمها تعداد برابری از نوترون و پروتون دارند. مثلا کربن  6 پروتون و 6 نوترون دارد که با هم کربن با عدد اتمی 12 را بوجود می‌آورند . وقتی همین اتم‌ها ، تعداد متفاوتی نوترون در هسته خود داشته باشند،این اتمهای جدید، ایزوتوپ اتم اول نامیده می‌شوند.

کربن 12 یکی از ایزوتوپ های کربن است. ایزوتوپ دیگر آن کربن 14 می باشد که 8 نوترون در هسته خود دارد. این نوع کربن زمانی تشکیل می شود که ذرات فضایی  بشدت با اتم های نیتروزن موجود در اتمسفر برخورد می کنند.

   ایزوتوپ های رادیواکتیو با سرعت قابل پیش‌بینی از هم پاشیده می شوند. کربن 14 نیز از این قاعده مستثنی نیست. اگر شما 1 پوند(453/0 کیلوگرم) کربن 14 را در یک شیشه قرار دهید، پس از 5730 سال نصف آن به نیتروژن 14 تبدیل می شود. فیزیکدانان این زمان را، زمان نیمه عمر می نامند. گیاهان و جانوران زنده، دی اکسید کربن را از هوا جذب می کنند، که شامل هر دو نوع کربن 12 و 14 است. اما به محض مردنشان، کربن 14، شروع به فروپاشی به نیتروژن 14 می نماید. با مقایسه سطح کربن 14 نسبت به کل مقدار کربن موجود در جسم مورد نظر، دانشمندان می توانند محاسبه کنند که چقدر از زمان مرگ گیاه یا جانور گذشته است.

تابش نور تهییجی و استفاده از آمینو اسیدها

 ***فسیل های قدیمی تر از 40000 سال ، میزان خیلی کمی از کربن 14 دارند. بنابراین دانشمندان مجبور به یافتن راههای دیگری برای تعیین سن آنها شدند. زمین شناسی بنام "گیفورد میلر- Gifford Miller " از دانشگاه کلرادو، در حوالی دریاچه ویکتوریا _ استرالیای جنوبی، به من نشان داد که چگونه از دو روش جدید استفاده می‌کند تا محدودیت کربن 14 را از بین ببرد.

دریاچه ویکتوریا  به  قوس  بزرگی  از  تپه های شنی  چسبیده   است که طی دهها  هزار  سال  روی  هم  انباشته شده اند. میلر و من همراه دسته‌ای از پرندگان( کوکاتو- نوعی طوطی کاکلی)، از ماسه‌های مواج بالا رفتیم. به‌تدریج که به لایه های دورتر و عمیقتری از تپه های ماسه ای رسیدیم، توده هایی از پوسته‌های صدف سیاه خودنمایی می‌کرد.  احتمالا در  زمانهای   قدیم  توسط  بومیان  منطقه از  دریاچه  جمع آوری  شده  بودند.  هنوز سر نیزه های بومیان در کنار استخوان های کانگورو و شترمرغ های شکار شده، به چشم می‌خورد.در جستجوی آب در طول زمان، به عقب برگشتیم و به طرف یک آبراهه پایین آمدیم.

میلر در حالیکه به لایه ای رسی اشاره می‌کرد گفت:" به نظر من این لایه منقرض شده هااست. دیرین شناسان در آن، اسکلت‌ کیسه داران غول پیکر، کانگورو‌های با 10 فوت بلندی و شیرهای کیسه داررا پیدا کرده اند. " ( هر فوت معادل 48/30 سانتی متراست)

در مورد علت انقراض این موجودات بزرگ جثه هنوز در استرالیا شک و تردید وجود دارد. آیا انسانهاآنها را نابود کرده اند یا تغییرات آب و هوایی؟ اولین قدم برای حل این معما، گشودن رمز عمر این فسیل ها است، اما میزان کربن 14 باقیمانده در این اسکلتها کافی نیست تا سن آنها را بدست آوریم. میلر برای من توضیح داد که چگونه از ساعتهای دیگر استفاده می کند. او در حالیکه جسم کوچکی را به اندازه ناخنش بلند کرده بود، گفت:"بفرمایید! این هم جنیورنیس- Genyornis" .  

 جنیورنیس پرنده غول پیکری بوده با 400 پوند وزن که قادر به پرواز نبوده است. آنچه میلر در دست داشت، تکه کوچکی از پوست تخم این پرنده بود به رنگ شیری با فرورفتگی های کوچک در سطح آن. او هزاران قطعه مشابه از نقاط مختلف استرالیا جمع آوری کرده است. آنها همه جا یافت می شوند و یکبار که فهمیدید دنبال چه می گردید، به راحتی می‌توانید آنها را از ماسه ها جدا کنید. او می گوید:" خیلی جالبه، کی فکرش رو می‌کرد که راه بری و پوست تخم پرنده جمع کنی؟!"

میلر و همکارانش عمر پوسته های جنیورنیس را به دو روش تعیین کرده اند. روش اول بنام Optically stimulated luminescence( OSL) معروف است. یک کانی را در نظر بگیرید. اتم‌های رادیواکتیو و درونی این کانی،  ذراتی آزاد می‌کنند که انرژی آنها قادر است الکترونها را از حالت پایه  بیرون بکشد و آنها را آزاد کند. گاهی این الکترونهای آزاد شده در حفره های ساختمانی موجود در کریستال کانی مورد نظر( در اینجا کوارتز)انباشته می شوند. این تله‌های کریستالی، در یک سیستم زمانی منظم، بتدریج با الکترونها پر می‌شوند. اگر شما بتوانید سرعت به دام افتادن الکترونها را محاسبه کنید و سپس تعداد الکترونهای به دام افتاده را بشمارید، میتوانید بفهمید چه مدت از زمانی که کانی مورد نظر در معرض نور خورشید، یعنی در سطح زمین قرار داشته می‌گذرد. زیرا اگر نور خورشید، حتی به مدت چند ثانیه به کانی مورد نظر مورد نظر برسد، انرژی خورشید،  تمام الکترونهای در تله افتاده را آزاد می کند و به محل اولیه شان بر می گرداند. در واقع ساعت را دوباره روی صفر قرار می دهد.

کار مهم میلر این بود که پوسته ها را از درون ماسه هایی بیرون بیاورد که از لحظه دفن شدن، نور خورشید به آنها نتابیده است. به این ترتیب ماسه های اطراف این پوسته‌ها، حاوی کوارتزهایی با خصوصیات مورد نظر بودند. برای بدست آوردن چنین کریستالهایی، او از یک کارشناس متخصص در این روش کمک گرفت: نایگل ا. سپونر- Nigel A.Spooner "  فیزیکدانی  از  دانشگاه  ملی  استرالیا.  سپونر استوانه های  فولادی تو خالی را در ماسه هایی که پوسته های جنیورنیس را احاطه کرده بودند، قرار می‌داد و با چکش، آنها را کاملا درون ماسه ها فرو می برد. سپس به سرعت در استوانه ها را می بست، در پلاستیک سیاه بسته بندی می‌کرد و به آزمایشگاهش انتقال می‌داد. در آزمایشگاه، او دانه های کوارتز را در ماشینی قرار می دهد که تابش هایی از فوتونهای با انرژی های مشخص، الکترون‌ های در تله افتاده را به اتمهای اصلی‌شان برمی‌گردانند. با برگشت هر الکترون، مقداری انرژی بصورت نور آزاد می‌شود. با اندازه‌گیری این نور، سپونر می‌تواند تعداد الکترونهای در تله افتاده را محاسبه کند و از روی تعداد آنها، زمان دفن ماسه و در نتیجه سن پوسته تخم پرنده را دریابد. به منظور دقت بیشتر، تمام این عملیات در تاریکخانه‌ای که تنها با نورهای قرمز ضعیف روشن می شود، انجام می پذیرد.

روش دیگری که میلر بر روی آن کار کرده، استفاده از پروتئین های حفظ شده در درون پوسته تخم‌ها است. واحد‌های ساختمانی پروتئین ها ، یعنی آمینواسیدها، می‌توانند از لحاظ نوری، راست گردان یا چپ گردان باشند. به دلایلی که هنوز ناشناخته مانده است، طبیعت به شدت آمینو اسید‌های چپ گردان را ترجیح می دهد.

یعنی آمینو اسید های طبیعی موجود در بدن موجودات زنده ، چپ گردانند. اما پس از مرگ، طی واکنش راسمیزاسیون- Racemization،  این آمینو اسید ها با سرعت مشخصی به ایزومرهای راست گردان خود تبدیل می‌شوند. البته سرعت تبدیل این ایزومرها، به دقت ساعت رادیواکتیونیست، چرا که این فرآیند به دما بستگی دارد: گرما سرعت واکنش را افزایش و سرما آهنگ آن را کاهش می‌دهد. با این وجود، میلر با تخمین تغییرات آب و هوایی استرالیا طی 100000 سال گذشته، توانسته است معیار دقیقی به‌دست آورد.