بررسی نیمه عمر مواد رادیواکتیو با سکه
مقدمه:
یکی از روش های تولید انرژی استفاده از راکتورهای هسته ای است. این نیروگاه ها به طور کلی بی خطر هستند اما گاهی حوادثی در آنها رخ می دهد که در پی آن مواد رادیواکتیو خطرناک آزاد می شوند. ممکن است در مورد حوادث هسته ای مانند چرنوبیل، Three mile island و فوکوشیما در اخبار چیزهایی شنیده باشید. پاک سازی پس از این حادثه ها چندین سال یا حتی چند دهه به طول می انجامد و حتی ممکن است تا زمانی بسیار طولانی تر زندگی انسان ها در این مکان ها پر خطر باشد. چرا آلودگی هسته ای به این اندازه پایدار است؟ در این فعالیت علمی کاملاً بی خطر با استفاده از سکه در مورد فروپاشی مواد رادیواکتیو بیشتر خواهید آموخت.
پیش زمینه:
تمام مواد از اتم تشکیل شده اند. برخی از اتم ها رادیواکتیو هستند، به این معنا که در نهایت تجزیه می شوند یا به دو نوع اتم مختلف تبدیل می شوند. هنگامی که این فرآیند شکست رخ می دهد، اتم از خود پرتو ساتع می کند. برخی از پرتوها هر روز ما را احاطه می کنند و کاملاً بی خطر هستند، مانند امواج رادیویی و نور مرئی. انواع دیگر مانند اشعه ایکس و گاما برای انسان مضر هستند. اتم های مورد استفاده به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای می توانند این پرتوهای خطرناک را تولید کنند، به همین دلیل نگهداری این سوخت ها بسیار اهمیت دارد. با این اوصاف، در صورت وقوع انفجار (یا در مورد فوکوشیما رخ دادن زمین لرزه) در یک نیروگاه هسته ای، ممکن است مقداری از این اتم های 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 اندازه گیری می شود. نیمه عمر بیان می کند که به طور میانگین چه مدت طول می کشد تا نیمی از اتم های رادیواکتیو باقی بمانند. نیمه عمر اتم های مختلف می تواند بسیار متفاوت باشد، برخی کمتر از یک ثانیه و برخی حتی هزاران یا چند میلیون سال. در این فعالیت علمی شما با پرتاب سکه ها فروپاشی هسته ای را شبیه سازی خواهید کرد. سکه هایی که در هنگام فرود سمت تصویرشان به بالا قرار بگیرد فروپاشی می کنند و سکه هایی که سمت عددشان به بالا باشد بدون فروپاشی باقی می مانند. 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 (کیسه ی در دار)
یک میز تخت برای قرار دادن سکه ها روی آن و شمارش آنها
کاغذ یادداشت
مداد
آماده سازی:
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 سکه ها را با دقت روی میز بریزید. دقت کنید که همه ی آنها را نباید به سرعت با هم از کیسه خالی کنید زیرا ممکن است در اثر این کار چند سکه روی زمین بیفتد.
سکه ها 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 سکه های موجود در این گروه چقدر است؟ نسبت تعداد سکه ها در این دو گروه به هم چند است؟
تعداد سکه هایی که سمت عددشان رو به بالاست را بشمارید و آن را یادداشت کنید.
سکه هایی که سمت تصویرشان رو به بالاست را کنار بگذارید و باقی سکه ها که عددشان رو به بالاست را مجدداً داخل کیسه بریزید.
کیسه را تکان دهید و همین مراحل را تکرار کنید: سکه ها را روی میز بریزید. دو گروه را از هم جدا کنید. تعداد سکه هایی که عددشان رو به بالاست را یادداشت کنید و آنها را به داخل کیسه برگردانید. هر بار چه نسبتی میان تعداد سکه های دو گروه برقرار است؟
این مراحل را تا جایی تکرار کنید که هیچ سکه ای مجدداً به کیسه برگردانده نشود و هر صد سکه کنار گذاشته شده باشند.
حال به اعدادی که یادداشت کرده اید نگاه کنید. به تعداد هر عدد سکه روی هم بچینید و سپس ستون های سکه را به ترتیب اعدادی که نوشتید کنار هم بگذارید. (بدین ترتیب به جای رسم نمودار، نموداری از ستون های سکه خواهید داشت.) توجه داشته باشید که ممکن است برای ساخت ستون ها نیاز به استفاده از سکه های اضافه تان داشته باشید. (برای مثال اگر اعدادی که یادداشت کردید به ترتیب 56، 25، 13، 6، 3 و 1 باشند، جمع آنها 104 می شود. 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 سکه ها چندین بار سمت عددشان رو به بالا قرار می گیرد.) نموداری که با سکه ها ساختید چه شکلی است؟ آیا نمودار به صورت خط راست است یا اشکال دیگر؟ چند مرتبه کار لازم بود تا سکه های داخل کیسه تمام شوند؟
آزمایش های تکمیلی:
این فعالیت را چند مرتبه ی دیگر انجام دهید. آیا هر بار نتایجی یکسان به دست می آورید؟
این فعالیت را با تعداد سکه های متفاوت تکرار کنید. اگر کار را با 50 یا 200 سکه شروع کنید چه اتفاقی می افتد؟ نمودار پایانی در این موارد چه تفاوتی دارد؟
با استفاده از زمان سنج مدت زمانی که کیسه را تکان می دهید اندازه بگیرید تا مواد مختلف با نیمه عمرهای متفاوت را شبیه-سازی کنید. سپس با استفاده از خط کش ستون های سکه را نسبت به زمان قرار دهید. برای مثال، اگر کیسه را به مدت ده ثانیه تکان می دهید، می توانید ستون های سکه را با فاصله های 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 می دهید؟ (در صورتی این مقایسه درست است که در هر دو مرتبه کار را با تعداد یکسان سکه شروع کنید.)
مشاهده و نتیجه گیری:
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که تعداد سکه های داخل کیسه به طور تقریبی و نه دقیقاً، هر بار نصف می شوند. 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 می گیرند. ممکن است عددِ 56 سکه و تصویرِ 44 سکه رو به بالا باشد. احتمالاً در هر مرتبه نیمی از سکه ها را کنار می گذارید و حدوداً شش مرتبه کار لازم است تا تمام سکه های 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 می کند. اگر کار را با تعداد سکه های کمتر یا بیشتر شروع کنید، تعداد دفعات لازم برای رسیدن به عدد صفر متغیر می شود 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 می رود، مقادیر کمتر در طولانی مدت باقی می مانند. برای مثال، برخی از آلودگی های فاجعه ی چرنوبیل نیمه عمری در حدود سی سال دارند. فرض کنیم که می توانستیم هر مرحله از این آزمایش را هر سی سال یک بار انجام دهیم. در آن صورت پس از گذشت صد سال نیز احتمالاً هنوز سکه هایی باقی می مانند! به همین دلیل اگر چه حادثه ی چرنوبیل در سال ۱۹۸۶ رخ داده است، منطقه ی رویداد آن هنوز برای زندگی انسان ها نامناسب است.
منبع: Scientific American
