장5 4장 시계는 죽음의 순간에 멈춘다

우리 지구는 다른 어떤 행성보다 훨씬 더 흥미롭습니다.이런 말은 우주에서 내 고향만 좋다는 인색한 자부심에서 나온 것이 아니며, 실로 이 말을 증명할 수 있는 강력한 사실들이 많이 있습니다.오늘날 우리는 태양계의 9개 행성 중 오직 지구만이 모든 종류의 생명체가 찬란하게 혼합되어 있다고 자신 있게 말할 수 있습니다.생명은 지각, 해양 및 대기의 물리 및 화학에 큰 영향을 미치는 강력한 힘입니다.이것은 지구에 관한 다양한 과학을 매우 흥미롭게 만듭니다. 지구의 거의 모든 문제는 동시에 많은 과학을 포함하고 있으며 이러한 문제는 종종 인간 문제와 밀접하게 관련되어 있습니다.우리의 요점을 증명하는 데는 단 하나의 과학적 이야기만 있으면 됩니다. 이 이야기는 우리 태양계의 다른 어떤 행성에서도 일어날 수 없었습니다.

이야기의 시작은 이것입니다. 작은 원자 입자가 우리 은하계의 끝없는 공간을 날아가고 있습니다.초속 186,000마일을 거의 빛의 속도로 질주하는 그 어떤 것보다 빠른 작은 발사체 같았다.그러나 우주는 믿을 수 없을 정도로 광대하기 때문에 이 작은 발사체가 은하수에서 진정한 진전을 이루려면 수천 년이 걸릴 것입니다.공교롭게도 비행 목적지는 별이고 그 모습은 바늘 끝 정도의 작은 크기입니다.그 별은 타오르는 태양 우리 자신의 태양이지만 그 빛나는 광채는 무서운 거리에 의해 은색으로 희미해집니다. 원자폭탄은 끝없이 날아가고 있었고, 수천 년 동안 날아가는 동안 태양은 점점 더 강렬하고 밝아졌습니다.발사체 비행의 마지막 날과 몇 시간 동안 태양은 점점 더 커지는 백열 원반이되었습니다.발사체는 태양계 외곽의 여러 행성 궤도를 통과해 목성과 화성을 통과해 공평하게 지구를 향해 날아갔다.

처음에는 보름달만큼 커 보였던 원반 모양의 지구 표면은 가까워질수록 점점 커져 마치 큰 바퀴처럼 하늘의 절반을 덮었다.발사체는 지구 상공 1,000마일을 날아 지구 대기권의 최외층으로 진입해 속도 저하 없이 대기권을 뚫고 마침내 지표면에서 약 1만 피트 높이에서 지구에 명중한다. 공기 원자에.충격력이 너무 강력하고 끔찍해서 발사체와 표적조차도 산산조각이 나고 사방으로 흩어졌습니다.근처에 표류하는 질소 원자에 파편이 돌진했고, 파편이 부딪히는 순간 질소 원자의 화학적 성질이 완전히 바뀌었습니다. 이야기의 나머지 부분을 진행하기 전에 우리는 한 원자의 조각이 다른 원자의 특성을 어떻게 바꿀 수 있는지 확인해야 합니다.원자에는 세 가지 기본 건축 자재가 있습니다.첫 번째는 음전하를 띠는 작고 미묘한 입자로 전자라고 합니다.다른 두 가지 건축 자재는 똑같이 작지만 전자보다 거의 2,000배 더 무겁습니다.양성자는 양전하를 띠고 전하의 힘은 전자와 같기 때문에 양성자와 전자가 가지고 있는 전하는 서로를 완전히 중화시킬 수 있다.원자 구조 내에서 양성자와 중성자는 원자의 중심에 있는 핵이라는 조밀하고 무거운 공으로 함께 융합됩니다.전자는 파리 떼처럼, 또는 태양 주위를 공전하는 행성처럼 핵 주위를 행진합니다.전자는 중력이 아니라 전자와 핵의 양성자 사이의 전기적 인력에 의해 현재 위치에 유지됩니다.

원자의 화학적 특성은 핵의 양성자 수에 의해 결정됩니다.수소는 모든 원자 중에서 가장 단순합니다. 수소의 핵은 양성자 하나만 있습니다.헬륨 원자의 핵에는 양성자가 2개, 탄소가 6개, 칼슘이 20개, 금이 79개, 다른 원자의 양성자 수는 다릅니다.각 화학 원소의 원자를 부르려면 하나의 숫자만 부르면 됩니다.핵에는 여전히 약간의 중성자가 있지만 그 수는 원자의 화학적 특성과 무관하며 중성자는 원자의 무게를 더할 뿐입니다. 이제 돌아가서 이야기를 계속하십시오.우주에서 온 원자 침입자가 대기 원자의 핵에 충돌하면 어떻게 될까요?

충돌 행위는 발사체와 목표물을 모두 산산조각 냈고, 이들을 구성하는 양성자와 중성자를 흩뿌렸습니다.우리의 질소 핵에 부딪혀 달라붙는 중성자 조각이 있습니다. 충돌하기 전에 질소 원자의 핵에는 7개의 양성자와 7개의 중성자가 있었습니다.7개의 양성자는 그것을 질소 원자로 만들고, 화학 원소인 질소는 원자 번호가 7입니다.현재 질소 핵에는 8개의 중성자가 있지만 오래 가지 않습니다.질소 핵은 여분의 중성자를 유지할 수 없으므로 약 100만분의 1초 후에 질소 원자는 평형을 회복하기 위해 입자를 내던집니다.그러나 던진 입자는 침입한 중성자가 아니라 양성자입니다.이로 인해 질소 원자의 특성이 변경됩니다.원래 핵에는 양성자 7개와 중성자 7개가 있었지만 지금은 극적인 사고가 발생한 지 1초 만에 양성자 6개와 중성자 8개가 있습니다!탄소 원소의 핵에는 정확히 6개의 양성자가 있기 때문에 이 변화는 그것을 탄소 원자로 만듭니다.

그러나이 새로운 탄소 원자는 석탄, 흑연 및 다이아몬드와 같은 물질에서 발견되는 일반 탄소 원자와 약간 다릅니다.정상적인 탄소 원자에는 중성자가 6개밖에 없지만 우리의 탄소 원자에는 8개가 있습니다!일반적인 탄소 원자는 12개의 무게 단위(양성자와 중성자의 무게는 거의 동일함)를 갖지만 특수한 탄소 원자는 14개의 무게 단위를 가집니다.따라서 Carbon | Fourteen이라는 이름이 지정됩니다. 하지만 거기서 멈추지 않습니다.탄소 14개 원자의 핵은 불안정하며 일정 기간 동안만 존재할 수 있습니다.그런 다음 이 과중한 코어 내부의 무언가가 작동을 시작하고 그 특성이 다시 변경됩니다.그 갑작스러운 움직임은 핵에 있는 8개의 중성자 중 하나입니다.

중성자는 양성자와 전자로 구성된 단단한 패키지라고 할 수 있습니다.양성자와 전자는 전하의 성질은 반대이지만 세기는 같기 때문에 두 면이 서로 완전히 중화되어 서로 결합하여 작은 중성 입자 전자를 형성한다.따라서 탄소 14의 핵에 있는 중성자가 마침내 갑자기 움직이면 중성자에 포함된 전자가 큰 힘으로 핵 밖으로 튕겨져 나가고 변형된 중성자는 양성자가 된다.전자가 방출된 후 핵에는 7개의 중성자만 있고 원래 중성자 분할 후 형성된 양성자는 나머지 6개의 양성자에 더해집니다.이렇게 해서 총 7개의 양성자가 있고 원자는 다시 개질되어 이전의 질소 원자와 구별할 수 없는 질소 원자가 됩니다.이상하고 비범한 주기입니다.

하나의 탄소 14 원자가 중성자 중 하나를 작동시켜 질소 원자로 변환하는 데 얼마나 걸립니까?둘 다 모른다.그것은 다음 1초 안에 일어날 수도 있고, 일주일 후에 일어날 수도 있고, 지금부터 30,000년이 지나야 일어날 수도 있습니다. 그러나 언제 이런 일이 발생했는지에 관계없이 지구 대기 어딘가에서 또 다른 탄소 14 원자가 생성되었을 것입니다.위에서 언급한 종류의 충돌 때문에 탄소 14개의 원자를 생성하는데, 이는 지구 상공의 대기에서 항상 발생합니다.매초 100억 개의 우주 발사체가 대기권으로 돌진합니다.이 펠릿은 엄청나게 빠른 속도로 우주 공간을 통해 모든 방향으로 발사되는 우주 방사선 입자입니다.매초 수십억 개의 원자 폭발이 일어나고 있으며, 수많은 공기 원자를 산산조각 내는 것은 바로 이 작은 발사체입니다.

공기 중에서 이러한 원자를 생성하는 과정은 수억 년 동안 진행되었습니다.모든 탄소 14 원자는 예상치 못한 순간이 오면 다시 질소 원자가 됩니다.고대로부터 현재에 이르기까지 태어난 탄소 14개 원자의 수와 다시 변한 탄소 14개 원자의 수는 이제 막 균형을 이루었기 때문에 전 세계에 관한 한 그들의 수는 항상 똑같을 것이다.전 세계를 순환하는 모든 탄소 원자 중에서 약 1조 개는 탄소 14번째 원자입니다. 이제 탄소 14 원자의 수명이 매우 매우 길다고 가정합니다.그것은 출생 후 오랫동안 독신으로 남아 있지 않고, 단 하나의 산소 원자를 받아들인 다음 또 다른 산소 원자를 받아들입니다.그것은 화학적 결합의 강도에 의해 결합된 이 두 파트너와 단단한 덩어리를 형성하며, 세 개의 원자는 화학자들이 이산화탄소 분자라고 부르는 것을 형성합니다.

분자는 출생지인 십만 피트에서 떠내려옵니다.45,000피트의 고도에 도달했을 때, 그것은 시속 수백 마일의 속도로 서쪽에서 동쪽으로 지구 주위의 곡선 경로를 따라가는 격렬한 제트 기류를 만났습니다.한 시간 정도 질주한 후, 우리의 분자는 성층권 아래로 떨어졌고, 권운의 작은 얼음 알갱이에 달라붙었습니다.구름이 가라앉으면서 얼음 입자의 크기가 커지고 천천히 하강하기 시작했습니다.얼음 입자는 더 따뜻한 공기층에 도달하여 가열되고 녹아 바다로 떨어지는 빗방울이 됩니다. 그 후 수년 동안 이 분자는 파도에 의해 이리저리 밀리고 해류와 함께 움직이며 항해자가 되었습니다.그러던 어느 날 작은 단세포 해양 식물에 흡수되었습니다.복잡한 화학적 절차를 통해 식물은 이산화탄소 분자를 잡고 두 개의 산소 원자를 떼어내어 탄소 원자를 건축 자재로 사용하여 성장하는 몸에 추가합니다.얼마 후 그 식물은 새우에게 삼켜졌고, 그 새우는 흰살생선의 뱃속으로 들어가 바다표범의 먹이가 되었습니다.각 단계에서 탄소 원자는 그것을 먹은 동물의 몸의 일부가 됩니다.그러나 바다표범의 몸에 머무는 시간은 짧습니다.물개의 대사는 탄소 원자가 두 개의 산소 원자와 결합하여 이산화탄소 분자를 형성하게 합니다.이 분자는 바다표범의 혈류에 흡수되어 폐로 운반되어 공기 중으로 내뿜어집니다.

이 요소는 대륙과 바다를 가로질러 떠다니며 떠다니며 수천 년 동안 발견되지 않을 수도 있습니다.마침내 그것은 어린 메타세쿼이아에 흡수되어 이전과 마찬가지로 식물 조직의 건축 자재가 되었습니다.이 묘목의 줄기에 존재하는데, 메타세쿼이아는 어릴 때부터 튼실하게 자라고 수천 년 동안 하나씩 묻혀 있다.드디어 수천년 된 메타세쿼이아가 끝을 맺었습니다.산불로 메타세쿼이아 숲이 불타고 고목은 불길에 휩싸였습니다.몸통은 타서 재가 되고, 우리의 탄소 원자는 두 개의 산소 원자와 결합하여 이산화탄소 분자의 일부로 휘몰아치는 연기에 흡수됩니다. 그 분자는 수천 마일을 여행했고 미국 중서부의 대초원에서 풀잎에 흡수되었습니다.올해 늦여름, 소 한 마리가 와서 풀을 갉아먹었다.이 탄소 원자는 소의 몸을 통해 대퇴골로 이동합니다.오래지 않아 소는 선사시대 인도 사냥꾼의 먹잇감이 되었고, 소는 소를 자신이 사는 동굴로 끌고 들어가 불을 피우고 구워 잔치에 올렸습니다.배가 부르자 그 인디언은 까맣게 탄 넓적다리뼈를 등 뒤로 던졌고 그 뼈는 동굴 뒤 쓰레기 더미에 떨어졌다. 몇 년 후 그 인디언은 죽어서 이 동굴에 묻혔습니다.마침내 동굴의 지붕이 무너져 사냥꾼의 몸과 황소의 넓적다리 뼈가 두꺼운 모래와 돌로 덮였습니다. 몇천년이 흘렀는지 모르겠습니다.서기 1926년에 뉴멕시코 주 폴섬 마을 근처를 발굴하던 한 고고학자가 이 석기 시대 사냥꾼의 뼈를 발견했습니다.뼈는 지역 암석층에 대한 연구를 바탕으로 13,000~15,000년 된 것으로 추정됩니다.그 후 수년 동안 Folsom Man은 북미 대륙에서 가장 오래된 것으로 알려진 거주자로 인식되었습니다. 까맣게 그을린 허벅지 뼈도 발굴되어 미국 동부의 박물관으로 보내졌습니다.25년 정도 동안 우리의 탄소 원자는 박물관의 유리 상자에 보관되어 비밀로 유지되어 왔으며 그 이상한 기원이나 미래에 대해 세상에 알려지지 않았습니다. 제2차 세계대전 직후, 핵물리학자가 박물관을 찾아와 그을린 뼈의 작은 조각을 두드려 달라고 부탁했습니다.그는 파편을 실험실로 가져가서 갈아서 그 안에 있는 모든 것에서 탄소 원자를 추출했습니다.그런 다음 그는 탄소 샘플의 무게를 정확하게 측정하여 가이거 계산기의 계산실에 넣었습니다.탄소 원자는 이 계산기에 들어가는 원자 중 하나입니다. 실험이 시작된 지 3시간 21분 만에 우리의 탄소 원자는 마침내 분해되었습니다.핵에는 양성자와 전자로 분해되는 중성자가 있습니다.양성자는 핵에 남아 있으므로 약 20,000년 후에 우리의 원자는 이제 다시 질소 원자가 됩니다.방출된 전자는 가이거 계산기의 튜브를 통과하여 계산기를 작동시킵니다.계산기와 연결된 자동 기록기는 한 단계 발전합니다. 24시간 후 물리학자들은 실험을 마쳤습니다.그는 녹음기의 눈금을 읽고 메모를 했습니다.한동안 계산자로 분주한 계산 끝에 구천구백이라는 숫자를 적었다. 이 물리학자는 무엇을 하고 있습니까?그는 까맣게 그을린 뼈와 데이트를 하다가 소가 약 9,900년 전에 죽임을 당한 것을 발견했습니다.뼈가 그와 함께 발굴되었기 때문에 이것은 또한 Folsam의 나이임에 틀림없습니다.따라서 Folsam의 나이는 마침내 확정되었으며 이전에 추정한 것보다 수천 년 더 젊습니다. 우리의 탄소 원자는 이미 사냥꾼이 황소를 죽이는 순간부터 작동하는 시계의 일부로서의 기능을 수행합니다. 이 시계는 어떻게 작동합니까? 모든 생물은 지구 대기에서 탄소를 계속 흡수하여 자체 조직을 만듭니다.대기 중의 탄소 14와 탄소 12의 비율은 항상 1조 대 1조 정도이므로 생물체에서도 그 비율은 같다.그러나 동물이나 식물이 죽으면 더 이상 대기에서 탄소를 빨아들이지 않습니다.따라서 죽는 순간 탄소 14 대 탄소 12 원자의 비율이 변하기 시작합니다.탄소 14개의 원자는 방사선으로 인해 하나씩 쪼개지고 대기에서 새로운 원자를 가져와 구성할 수 없습니다.반면 탄소 12 원자는 안정적이어서 항상 원래 모양을 유지합니다.그 결과 죽은 동식물의 조직에서 탄소 14와 탄소 12의 비율이 점차 감소합니다.이러한 감소는 정확한 수학적 비율로 발생하기 때문에 사망 후 언제라도 동물이나 식물의 조직에 존재하는 두 개의 탄소 원자의 비율은 사망이 얼마나 오래 전에 발생했는지를 보여줍니다. 미국 중서부의 대초원에 있는 풀은 살아 있는 동안 두 가지 유형의 원자 비율을 일관되게 1조에 이릅니다.풀을 먹인 소는 몸에서 같은 비율을 유지합니다.그러나 소가 죽자마자 대퇴골에 있는 두 개의 탄소 원자의 비율이 즉시 바뀌기 시작했습니다.약 9,900년 후, 물리학자들은 비율의 변화를 측정하여 소가 죽은 지 얼마나 되었는지 알 수 있었습니다. 이 방법은 어떻게 계산됩니까? 특정 C14 원자가 언제 분열하는지 예측하는 것은 불가능하다고 앞서 설명했습니다.그렇다면 죽은 조직에서 C14 원자의 감소가 죽음의 나이를 어떻게 나타낼 수 있습니까?답은 이렇습니다. 특정 원자의 동작은 예측할 수 없지만 수백만 또는 수십억 개의 원자 그룹의 동작은 예측할 수 있습니다.룰렛 하우스를 플레이할 때 다음 단계에서 공이 어디로 점프할지 알 수 없지만 룰렛 하우스의 룰렛 휠이 속이지 않는 한 룰렛 휠이 수십억 번 회전하면 공은 숫자에 몇 번이나 떨어질 것입니다.같은 방식으로 많은 수의 탄소 14 원자의 미래 거동도 정확하게 예측할 수 있습니다. 우리는 많은 수의 탄소 14 원자 중 절반이 정확히 5,570년 후에 질소 원자가 된다는 것을 발견했습니다.변하지 않은 나머지 원자의 절반은 5,570년 후에 변하게 됩니다.약 30,000년 후에는 남아 있는 탄소 14개의 원자 수가 너무 작아서 정확한 연대를 측정할 수 없습니다. 나이를 계산하는 이 방법은 Willard입니다. 에프.Willard F. Libby 박사(Dr. Willard F. Libby)가 연구하여 1959년 노벨 화학상을 수상했습니다.그의 방법은 이집트 무덤에서 나온 나무 블록과 아즈텍 공주의 옷에서 나온 섬유와 같은 다른 많은 유기 물질의 연대를 측정하는 데 사용되었습니다. 그래서 우리는 이 장의 시작 부분으로 돌아가서 지구가 행성 중에서 가장 흥미롭다고 말하는 것을 살펴봅니다. 우리의 추론은 지구상의 생명체의 존재가 매분, 해마다, 그리고 시대에 따라 지구 표면에서 일어나는 모든 사건에 어떤 식으로든 항상 어떤 식으로든 영향을 미친다는 것입니다.오늘날 원자의 비밀이 밝혀지고 있는 지금, 질소 원자의 이야기는 우주 전체가 적어도 지구에 관한 한, 서로 얽힌 원자들이 왕복선처럼 달리는 장엄하고 끊임없이 변화하는 광경이라는 것을 알려줍니다. 살아있는 것들은 이 변화하는 장면에 지속적으로 영향을 미치고 있습니다.