هذه بعض التفسيرات الفيزيائية اتمنى تفيدكم

هاذي بعض التفسيرات الفيزيائية اتمنى تفيدكم
كيف يستخدم كربون 14 في حساب العمر
قد يصل عمر قطعة من الخشب او العظام إلى 5000 عام. ومن الطبيعي ان نتسأل عن كيفية تمكن العلماء من تقدير عمر الأثار والحفريات التي توجد على الكرة الأرضية، وما هي الطريقة المستخدمة؟ وفي هذه المقالة سوف نشرح الفكرة الفيزيائية لتقدير أعمار الكائنات باستخدام الكربون-14.
يستخدم كربون-14 كمقياس لتقدير أعمار الحفريات ذات الأساس البيولوجي والتي قد يصل عمرها في بعض الأحيان أكثر من 50000 سنة.

ما هو كربون-14؟
تصطدم الأشعة الكونية cosmic rays الغلاف الجوي باستمرار، ويقدر أن ملايين الاشعة الكونية تصطدم بجسم الانسان كل ساعة. تصطدم الأشعة الكونية بذرات الغلاف الجوي مما ينتج عنه اشعة كونية ثانوية في شكل نيوترون تحمل طاقة حركة، تصطدم هذه النيوترونات بذرات النيتروجين-14 المكون من سبع بروتونات وسبع نيوترونات. ينتج عن هذا التصادم ذرة كربون-14 المكونة من ستة بروتونات وثمانية نيوترونات وتتحرر ذرة هيدروجين المكونة من بروتون واحد فقط. تعتبر ذرة الكربون-14 ذرة غير مستقرة لأن عدد بروتوناتها لايساوي عدد نيوتروناتها مما تسمي بالكربون المشع الذي له عمر نصف (وهو العمر اللازم لكي تقل كمية النشاط الإشعاعي إلى النصف) هو 5730 سنة.
n + 14N → 14C + 1H
كربون 14 هو نظير من نظائر الكربون المشعة ، وهو مصدر لاشعة (B) يتحلل بمرور الوقت . فاذا كان لدينا كمية معينة منه ، بعد مرور 5730 عام يكون قد تحلل نصفها . وهذا ما ندعوه بعمر النصف ، ويكون لنا هذا العمر بمثابة الاساس الذي نعتمد عليه في اعتبار كربون 14 كطريقة ناجعة في تحديد العمر .
الكربون14 موجود في كل الكائنات الحية
ذرات الكربون14 التي تنتج من الأشعة الكونية تتحد مع الأكسجين لتكون ثاني أكسيد الكربون، يتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون من قبل النباتات خلال عملية التمثيل الضوئي، ينتقل كربون-14 من النبات إلى الانسان والحيوان من خلال الأكل. تكون نسبة الكربون-12 إلى الكربون-14 في الهواء وفي كافة الكائنات الحية نفس النسبة. ويقدر عدد ذرات الكربون-14 في الهواء بذرة واحدة لكل 1012 ذرة كربون-12، ذرات الكربون-14 مشعة وتضمحل باستمرار من خلال اطلاق اشعة بيتا ولكن يتم تعويض الفاقد من جسم الكائنات الحية بمعدل ثابت من خلال ما نتناوله من طعام أو ماء.
عند هذه اللحظة نؤكد على أن جسم الانسان يحتوي على نسبة ثابتة من الكربون-14 فيه وتساوي نفس النسبة في الحيوان والنبات.

حساب العمر
تكمن الفكرة في الاعتماد على الكربون-14 لحساب العمر عن توقف توزيد الكمية المفقودة من الكربون-14 عند الوفاة للكائن الحي فتختلف النسبة بين الكربون-12 إلى الكربون-14 عن باقي الكائنات الحية لان الكربون-14 هو عنصر مشع ويضمحل بمعدل ثابت مع الزمن من خلال اطلاق جسيمات بيتا ولا يتم تعويضه كما هو الحال للكائن الحي. بينما يبقى الكربون-12 ثابتا في جسم الكائن قبل الوفاة وبعده. وعليه نستنتج أنه بقياس النسبة بين الكربون-14 إلى الكربون-12 ومقارنة النتيجة مع النسبة بينهما في الكائنات الحية يمكن حساب عمر العينة.
والمعادلة التالية توضح نحسب العمر
t = [Ln (Nf/No) / (-0.693) ] x t1/2
حيث Ln هي دالة اللوغاريتم الطبيعي، Nf/No هي النسبة بين كربون-14 في العينة إلى الجسم الحي. و t1/2 هو عمر النصف للكربون-14 والذي يساوي 5730 سنة.
فإذا افترضنا أن هناك عينة تم قياس نسبة كربون-14 ووجدت أنها 10% بالمقارنة مع نسبته في الاجسام الحية فإن حساب عمر العينة يكون حسب المعادلة السابقة على النحو التالي:
t = [ Ln (0.10) / (-0.693) ] x 5,700 years
t = [ (-2.303) / (-0.693) ] x 5,700 years
t = [ 3.323 ] x 5,700 years
t = 18,940 years old

ملاحظة
لأن عمر النصف للكربون-14 هو 5730 سنة فإن الكربون-14 يستخدم لتقدير عمر كائنات لا يزيد عمرها عن 60000 سنة. ولكن بنفس المبدأ الذي يستخدم لتقدير العمر في الكربون-14 يطبق على عناصر مشعة أخرى تتواجد في جسم الانسان مثل البوتاسيوم-40 وعمر النصف له كبير جداً ويساوي 1.3x109 سنة. كذلك عنصر اليوراتيوم-238 وعمر نصفه 4.5x109 سنة ةعنصر الثوريوم-232 الذي عمر نصفه 14x109 سنة وعنصر الرابيديوم-87 الذي عمر نصفه 49x109 سنة.
باستخدام العناصر السابقة يتمكن العلماء من تقدير أعمار العينات التي اساسها كائنات حية أو العينات الجيولوجية.
جدير بالذكر ان تقدير الاعمار باستخدام الكربون-14 او غيره من العناصر المشعة لا يعطي نتائج دقيقة للعينات بعد العام 1940 حيث تم اكتشاف القنابل النووية والمفاعلات النووية التي انتجت التجارب عنها اضافة لنسبة العناصر المشعة الموجودة في الطبيعة مما احدث خلل في النسبة الطبيعية بين الكربون-12 والكربون-14 في الغلاف الجوي التي اعتمدنا عليها في حساب عمر العينةجهاز انذار الحريق
جهاز كشف الدخان المستخدم للتحذير من اندلاع حريق في غرفة أو مبني من الاجهزة الهامة والضرورية فبالرغم من انخفاض تكلفتها التي تبلغ في حدود 15 دولار فإنها تقي من نشوب حريق قد يقضي على ممتلكات مؤسسة بكاملها. يتكون جهاز كاشف الدخان Smoke Detector من جزئين اساسيين اولهما مجس حساس للضوء وهو الفوتوديود Photodiode والجزء الثاني هو جهاز الكتروني يصدر صوت منبه مرتفع. يعمل جهاز انذار الحريق من خلال بطارية 9 فولت أو من خلال مزود الكهرباء المنزلي.
فكرة عمل جهاز انذار الحريق
يعتمد هذا النوع من كاشف الدخان على فوتوديود وهو حساس للضوء، وإذا ما تم تصميم دائرة إلكترونية بحيث اذا سقط الضوء على الفوتوديود تصدر الدائرة الإلكترونية جرس منبه ذو صوت عالي. وهذه فكرة عمل جهاز انذار الحريق حيث أن الجهاز يحتوي على شعاع ضوئي عادي يصدر من ديود باعث للضوء LED مثبت في نهاية انبوبة اسطوانية الشكل وعلى زاوية 90 درجة يتفرع اسطوانة اخرى مثبت في نهايتها فوتوديودكيف تنشأ النار؟
النار يمكنها ان تدمر كل ما هو حولنا في غضون ساعة أو أقل، كما ان النار قادرة على ان تأتي على غبة من الاشجار وتحولها إلى كومة من الرماد. وتستخدم النار كسلاح فتاك في الحروب وحسب الاحصائيات السنوية تعتبر كوارث النار الاكثر سببا للوفيات كل عام.
ولكن وبالرغم من الصوةر القاتمة التي بدأنا بها المقال فإن النار مفيدة للغاية. فهي الوسيلة الأولى للنسان استخدمها للاضاءة والتدفئة، هذا بالطبع استخدامها لطهو الطعام ودخل استخدام النار في الصناعة لتشكيل الحديد وتحويله الى الات مفيدة للبشرية. لا يوجد مثيل للنار في المضار التي يمكن أن تسببها للانسان وفي نفس الوقت للنار الكثير من الفوائد. ولذلك فإن النار بالتأكيد مهمة جداً لنا وعنصرا اساسياً للحياة وقوة مهمة للبشرية ولكن ماهي النار؟
اذا نستنتج مما سبق ان حرق الخشب يحدث على مرحلتين منفصلتين كل مرحلة عبارة عن تفاعل كيميائي وهما كما يلي:
1. عندما تكون الغازات القابلة للاحتراق والتي تنطلق في صورة دخان عند درجة حرارة 260 درجة مئوية فإن جزيئات الخشب تتكسر وتنفصل عن بعضها البعض وتتحد ذراتها مع الاكسجين لتكون الماء واول اكسيد الكربون ومواد أخرى وتلك العملية نسميها عملية الاحتراق.
2. الكربون الموجود في الخشب بعد الاحتراق يكون في صورة فحم يتحد مع الاكسحين ايضاً في تفاعل كيميائي ولكن عملية الاتحاد مع الأكسحين في هذا التفاعل تكون أبطىء ولهذا نلاحظ ان الفحم المشتعل يبقى حاراً لفترات طويلة. ينتج عن التفاعلات الكيميائة السابقة انطلاق الحرارة والتي تؤدي الى استمرار وبقاء النار مشتعلة.

ولهذا السبب تعلم الانسان كيف يستفيد من تلك الخاصية في الابقاء على النار مشتعلة لفترات زمنية طويلة فنحن نعلم مثلا ان وقود مثل البنزين يحترق في لمح البصر نتيجة لتبخر البنزين بارتفاع درجة الحرارة وتحوله الى غازات قابلة للاشتعال بدون ترك مخلفات مادية مثل الفحم ولكن بااستخدام مادة الشمع يمكن ان نجعل النار مستمرة لفترة طويلة نتيجة لان تبخر الشمع ابطىء بكثير من تبخر البنزين لذا بتقليل معدل التبخر للمادة المحترقة "الوقود" يمكننا الحصول على نار لفترة زمنية طويلة.




ينتج الضوء من النار لان ذرات الكربون في المادة المحترقة تسخن وبالتالي تثار هذه الذرات بالحرارة وتتخلص تلك الذرات من اثارتها باصدار الضوء المرئي كما يحدث في المصباح الكهربي عندما يمر التيار الكهربي في فتيلة المصباح وترتفع درجة حرارتها نتيجة لمقاومتها للتيار فينطلق الضوء منها طالما استمرت درجة حرارة الفتيلة مرتفعة.
ينطلق الضوء من النار في صورة لهب Flame والهب له لون مميز يعتمد على مادة الاحتراق بدرجة رئيسية ويعتمد أيضا على درجة الحرارة. الالوان المختلفة والصادرة من اللهب هي بسبب تغير درجة الحرارة في شعلة اللهب نفسها. فالجزء الاسخن في اللهب يكون في اسفله والجزء الاكثر برودة في اعلى منطقة في اللهب.ولهذا يبدو لون اللهب في الاسفل ازرق بينما أعلى اللهب يكون اللون قريبا من اللون البرتقالي أو الأصفر.

وبالاضافة الى الضوء المنبعث من اللهب فإن جسميات من الكربون تتجمع حول اللهب في صورة شبيه بجسميات الغبار..كيف يعمل جهاز السي دي؟
انتشر استخدام السي دي CD ليحل محل اشرطة الكاسيت المغناطيسية لما تمتاز به هذه التكنولوجيا من ميزات اهمها سعتها التخزينية الكبيرة وجودة المادة المخزنة عليها وعمرها الأفتراضي الطويل، الـ CD متعددة الاستخدامات حيث يمكن استخدامها لتخزين مواد سمعية أو معلومات، ولأهمية هذا الموضوع سنقوم بتوضيح فكرة عمل اقراص السي دي وجهاز قراءة وكتابة هذه الاقراص.
جاءت تسميتها بهذا الاسم (سي دي) من أول أحرف للاسم الإنجليزي
Compact Disk
سي دي CD
السعة التخزينية لأقراص السي دي
يمكن تخزين ما يقارب 74 دقيقة من المعلومات الصوتية على القرص الواحد، وهذا يعادل 740 ميجابيت من المعلومات على القرص الذي يبلغ قطره 12 سم، مما يعني أن المساحة المخصصة لكل بايت على القرص يجب أن تكون متناهية الصغر وبدراسة تركيب قرص لسي دي يمكن فهم كيف يمكن تخزين هذا الكم الهائل من المعلومات على المساحة الصغيرة نسبياً.
مكونات قرص السي دي
يتكون السي دي من البلاستيك بسمك قدره 1.2 مم تعرف باسم polycarbonate وعلى هذه الطبقة يوجد طبقة رقيقة من الألومنيوم اللامع بسمك 1.25 نانومتر مغطاة بطبقة حماية من مادة الاكريلاك acrylic كما في الشكل.
السي دي يحتوي على مسار متصل من البيانات في شكل لولبي يبدأ من الداخل إلى الخارج، وهذا يعني أنه بالامكان تقليل قطر السي دي عن 12 سم إذا رغبنا في ذلك. وفي الحقيقة يوجد بطاقات بحجم بطاقة business cards يمكن وضعها في جهاز قارئ السي دي وتحتوي على بيانات بسعة تخزينية قدرها 2 ميجابيت
وبالنظر تحت المجهر على شكل هذه المسارات اللولبية التي تحتوي على البيانات نجدها تظهر كما في الشكل المقابل على صورة مرتفعات Bits عرضها لايتجاوز 0.5 ميكرون وارتفاعها 125 نانومتر ويفصل بين المسار والذي يليه مسافة تبلغ 1.6 ميكرون. وهذه مساحات متناهية في الصغر وللتوضيح أكثر نفترض أننا قمنا تحويل المسار اللولبي إلى مسار مستقيم سنحصل على شريط عرضه 0.5ميكرون وطوله يتجاوز الـ 5 كيلومتر!! ولقراءة هذه المعلومات نحتاج إلى جهاز خاص هو جهاز الـ CD ROM Drive.
مشغل اقراص الـ CD
يقوم جهاز مشغل أقراص السي دي بالبحث عن المعلومات المخزنة في صورة Bits على المسارات اللولبية سابقة الذكر وقراءتها وهذا يتطلب دقة عالية. ويمكن تقسيم مشغل اقراص السي دي إلى ثلاثة اقسام رئيسية هي:
• الموتور: يقوم بتدوير قرص السي دي والتحكم بسرعته التي تتراوح من 200-500 دورة في الدقيقة.
• الليزر: وهو الاداة المستخدمة لقراءة البيانات من القرص.
• الباحث: وهو الذي يقوم بتوجيه شعاع الليزر على المسارات المخصصة للبيانات بدقة فائقة.
كما تجدر الاشارة إلى أن مشغل الأقراص يحتوي على قطع الكترونية تقوم بتحويل البيانات المخزنة في صورة رقمية Digital إلى اشارة تناظرية Analogue كما هو الحال في استخدامه لسماع الموسيقى أو لنقل البيانات إلى الكمبيوتر.
إن الوظيفة الاساسية لمشغل اقراص السي دي هي تركيز أشعة الليزر على المسارات التي تحتوي البيانات، حيث تنفذ أشعة الليزر من الطبقة البلاستيكية لتسقط على طبقة الألومنيوم العاكس، وحيث أن المسارات تحتوي على البيانات على شكل Bits متقطعة مما يسبب في اختلاف انعكاس شعاع الليزر على هذه المناطق والمناطق التي لاتحتوي على البيانات وبالتالي يكون الشعاع المنعكس عبارة عن نبضات متقطعة هي بمثابة 0 , 1 هذه النبضات المتقطعة يقرأها فوتوديود يحول النبضات الضوئية إلى تيار كهربي. تقوم اجهزة الكترونية في مشغل اقراص السي دي بتفسير هذه التيارات الكهربية الناتجة من الـ Bits المخزنة على القرص وتحويلها إلى معلومات.
من المهم التحكم في موقع شعاع الليزر على المسار اللولبي خلال دوران القرص المرن وهذا يتم من خلال موتور خاص مبرمج لتحريك الليزر بسرعات تتناسب مع سرعة دوران البيانات على القرص حيث أن سرعة تدفق البيانات تساوي حاصل ضرب السرعة الزاوية للقرص في نصف قطر المسار. ولهذا يجب على الموتور المتحكم في تحريك الليزر أن يتباطأ كلما اتجهنا من المسار الداخلي إلى المسار الخارجي. لنحافظ على معدل تدفق ثابت للبيانات.
شكل البيانات المخزنة على السي دي
يستطيع كل شخص ان يخزن البيانات التي يريدها على قرص السي دي إذا امتلك جهاز قراءة وكتابة وكل ما عليه هو تحديد نوع البيانات اذا كانت بيانات كمبيوتر CD-ROM أو موسيقى CD-DA فيقوم البرنامج بعملية الكتابة دون تدخل منا ولكن هذه العملية البسيطة تخفي تعقيدات بحاجة إلى متخصص لفهم ألية تخزين البيانات على السي دي وهذا ما يعرف بألية التشفير data encoding methodology. والتي يجب أن تراعى النقاط التالية:
• توجيه الليزر بين مناطق البيانات المخزنة مثل بداية المقطوعة الموسقية ونهايتها والمقطوعة التي تليها.
• أن يتضمن التشفير كاشف للخطأ الناجم عن الخطأ في تفسير بعض الـ Bits وهذا مايعرف بـ error-correcting codes.
• الخدوش التي قد تحدث عن الاستخدام الخاطئ لقرص السي دي مما ينتج عنه انقطاع في تدفق البيانات.