TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 2

Transkript

1 TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 2 Skrivtid: 8 13 Hjälpmedel: Formelblad och räknedosa. Uppgifterna är inte ordnade efter svårighetsgrad. Börja varje ny uppgift på ett nytt blad och skriv bara på en sida. Lösningarna ska vara motiverade och försedda med svar. Kladdblad rättas inte! Uppgifter utan svar ger inte full poäng! Betyg: Varje korrekt löst uppgift ger 3 poäng. För godkänt krävs minst 12 poäng. På varje uppgift görs en helhetsbedömning. 1. Här kommer först några blandade atomfysikfrågor. a) Med hjälp av laserteknik kan man beröringsfritt mäta temperatur t ex i en bunsenbrännare. Se figuren. Vid mätningen bestämmer man hur många atomer (eller molekyler) som befinner sig på olika exciterade nivåer. Vilket samband används för att räkna ut temperaturen? b) När en komet passerar nära solen pekar kometsvansen (som är ett lysande gasmoln) alltid bort från solen. Se figuren. Vilken egenskap hos solljuset är det som riktar kometsvansen? c) Vår hud har en temperatur på ca 34ºC. Huden strålar i stort sett som en svart kropp (oberoende av hudfärg i det synliga området), och den utstrålade effekten beskrivs av Plancks strålningslag. Vid vilken våglängd har den utstrålade effekten sitt maximum? 2. a) I ett konventionellt TV-rör accelereras elektronerna av en spänning på 35 kv. När elektronerna lämnar elektronkanonen är det 30 cm fram till TVskärmen. Hur lång är den sträckan sedd från elektronernas vilosystem? b) Hur stor debroglievåglängd har elektroner som accelererats av 35 kv? 1

2 3. Grundämnet zirkonium (Zr) undersöks i en masspektrometer av Bainbridgetyp. Envärda joner passerar ett hastighetsfilter med det elektriska fältet 3,00 kv/m och den magnetiska flödestätheten 125 mt. Efter att ha passerat en smal spalt avböjs jonerna i en halvcirkel i ett magnetfält med flödestätheten 110 mt. Jonerna passerar sedan ytterligare en smal spalt innan de detekteras. När spalten och detektorn flyttas i sidled ändras jonströmmen enligt figuren. a) Hur många neutroner innehåller den vanligaste zirkoniumisotopens kärna? b) Ange samtliga isotopers masstal och uppskatta den relativa förekomsten av den vanligaste zirkoniumisotopen. 4. I figuren ovan ser du en spektralserie som är resultatet av övergångar i vätelikt bor. (Bor har den kemiska symbolen B.) a) Använd figuren för att avgöra huvudkvanttalet n på den energinivå till vilken samtliga övergångar sker. b) Beräkna de två längsta våglängderna i spektralserien. Ange svaret med 6 gällande siffror. 2

3 5. När en partikel, t.ex. en elektron, är innestängd i en tvådimensionell låda med oändligt höga väggar och kvadratisk bottenyta med sidan L, ges energinivåerna av ( x y ) h E = n + n 2 8mL Beräkna de fem lägsta energinivåerna (uttryckta i enheten 1 ev) när L = 0,50 nm, och rita in dem i ett energinivådiagram. Ange också energinivåernas degenerering. b) En kvantprick som absorberat UV-strålning fluorescerar i en färg som beror på kvantprickens storlek. Hur beror färgen på kvantprickens storlek? Motivera ditt svar! 6. Ett energinivådiagram för en gaslaser av fyranivåtyp visas i figuren. Pumpningen (excitationen) sker med ljus från grundtillståndet till den översta nivån i figuren. Avståndet mellan speglarna i lasern är 40 cm. Vid beräkningarna kan du med god approximation sätta brytningsindex till 1,00 i gasen mellan speglarna. a) Mellan vilka energinivåer uppstår det inverterad population om pumpningen är effektiv? b) Beräkna laservåglängden. c) Beräkna skillnaden i frekvens mellan de stående vågorna i laserns resonator. Ledning: De stående vågorna i lasern har svängningsnoder vid speglarna. c) Beräkna skillnaden i våglängd mellan de stående vågorna i laserns resonator. Svara i enheten 1 pm = m. 3

4 7. Du ska bygga ett strålskydd som skyddar dig mot gammafotoner med energin 500 kev. Strålskyddet, som ska bestå av bly och betong, ska vara 20,0 cm tjockt och reducera intensiteten på strålningen till 1 promille (0,1 %) av ursprungsintensiteten. Hur tjockt ska bly- respektive betonglagret vara? I diagrammet finns absorptionskoefficienterna för bly och betong vid olika fotonenergier E. Observera att siffervärdena på x-axeln är logaritmerade! 8. Vi ska räkna på plutoniumisotopen 239 Pu som alfasönderfaller med halveringstiden år. a) Vilken isotop blir resultatet av sönderfallet? Ange beteckningen på isotopen med hjälp av grundämnets kemiska symbol. b) Beräkna med hjälp av tabellen intill vilken energi som frigörs vid ett sönderfall. Ange svaret i MeV. c) Bestäm den maximala effekt som avges då 1,00 g 239 Pu sönderfaller. Ange svaret i mw. Kärna Massa/u 4 He 4, U 235, Np 239, Pu 239, Am 239, Cm 243, G J

5 5

6 6

7 7