Skiss till - Malmö högskola

Tentamen i Miljöfysik, fristående kurs,
Delkurs Strålning, fält och vågor, 4p
010522 kl 17.15-20.30
Hjälpmedel: räknare, tabeller, till uppgift 2 dator med Excel.
1 Radioaktivitet och dos (6p)
Antag att ett utsläpp sker från ett kärnkraftverk i din närhet. Radioaktiva ämnen sprids i luften
och förs med vindar hit.
Den stråldos du får beror av en lång rad faktorer. Red ut vilka det är och hur de påverkar din
stråldos. Red också ut skillnaden mellan absorberad dos och ekvivalent dos.
2 Halvvärdestjocklek (6p)
Kräver tillgång till dator med Excel
Vid en mätning av absorption av gammastrålning från 137Cs satte man blyplattor mellan
preparatet och GM-röret. Mätvärdena framgår av tabellen. Bakgrundsräknehastigheten var 40
pulser/minut.
a) För in mätvärdena i Excel, låt programmet rita ett lämpligt diagram med god kvalitet och
anpassa en lämplig kurva till mätvärdena. Sätt ditt namn som rubrik på diagrammet, skriv
ut det och lämna in tillsammans med övriga lösningar.
b) Använd ekvationen för kurvan till att beräkna halvvärdestjockleken.
c) Beräkna med hjälp av ekvationen förväntad räknehastighet med 20 mm bly.
Blytjocklek / mm
0
2
4
6
8
10
12
14
Räknehastighet / pulser per minut
740
536
438
332
308
240
173
147
3 Radioaktivt sönderfall (7p)
a) Skriv fullständig reaktionsformel för följande sönderfall (tag med kemisk beteckning för
dotterkärnan, masstal, protontal och neutrontal för inblandade partiklar och övrigt som gör
formeln komplett). Hjälpmedel: bifogad tabell.
Alfasönderfall av
232
90
Th
Beta-minus-sönderfall av
40
19
K
37
Beta-plus-sönderfall av 19
K
Tentamen i Miljöfysik, delkurs Strålning, fält och vågor, 4p, 010522
Malmö Högskola, Lärarutbildning, Mats Areskoug
1
b) Beräkna Q-värdet för  och - sönderfallen (ej +).
c) Vad kan man veta om energin på -partikeln resp -partikeln från sönderfallen?
4 Bindningsenergi (6p)
a) Vad menas med bindningsenergi? Vad menas med massdefekt? Vilket samband finns
mellan de två?
b) Skissa de väsentliga huvuddragen i ett diagram som visar bindningenergin per nukleon
som funktion av masstalet A. Ange ungefärliga värden på axlarna.
c) Beskriv vad man kan utläsa ur diagrammet om möjligheterna att utvinna energi genom
fission resp fusion.
d) Beräkna med hjälp av ditt diagram ett ungefärligt värde på den energi som frigörs då en
urankärna klyvs.
Tentamen i Miljöfysik, delkurs Strålning, fält och vågor, 4p, 010522
Malmö Högskola, Lärarutbildning, Mats Areskoug
2
5 Sönderfallsschema (2p)
Figuren visar ett möjligt sönderfallsschema, där moderkärnan sönderfaller med -sönderfall
till dotterkärnan.
Moderkärna
5 MeV
Dotterkärna
0
a) Vilka -energier kan förekomma?
b) Vad kan man förvänta sig finna utöver -strålning?
6 Optisk fiber (2p)
Förklara varför det är möjligt att skicka ljus längs en optisk fiber trots att denna är krökt.
Exemplifiera gärna med beräkningar med antagandet att fibern har ett brytningsindex på 1,4.
Tentamen i Miljöfysik, delkurs Strålning, fält och vågor, 4p, 010522
Malmö Högskola, Lärarutbildning, Mats Areskoug
3
7 Buller och hörselnedsättning (5p)
a) På 5 meters avstånd från ett motordrivet elverk uppmättes ljudnivån 92 dB. Med ett äldre
elverk uppmättes på samma avstånd ljudnivån 95 dB. Då dessa båda aggregat placerades
intill varandra och användes samtidigt uppmättes naturligtvis en högre ljudnivå om
mätpunkten fortfarande var placerad på avståndet 5 meter från båda. Vilket resultat ger
denna mätning?
b) Figurerna visar frekvensspektrum för en typisk konsonant ”s”, och en typisk vokal ”a”.
Diskutera i anslutning till figurerna hur och varför en hörselnedsättning t ex en
åldersbetingad, kan påverka möjligheten att uppfatta tal.
Språkljud ”s”
Språkljud ”o”
Tentamen i Miljöfysik, delkurs Strålning, fält och vågor, 4p, 010522
Malmö Högskola, Lärarutbildning, Mats Areskoug
4
Tabell över några nukliders massor.
Observera
 värdet på A har ej skrivits på konventionell plats
 i kolumnen Mass excess anges differensen (i miljondels massenheter, u) mellan massan
på nukliden och masstalet. Exempel:
32
Cl massan (32 - 0,013760) u = 31,98624 u
223
Th har massan (223 + 0,020920) u = 223,020920 u
Tentamen i Miljöfysik, delkurs Strålning, fält och vågor, 4p, 010522
Malmö Högskola, Lärarutbildning, Mats Areskoug
5
Facit
Tentamen i Miljöfysik, fristående kurs,
Delkurs Strålning, fält och vågor, 4p
010522 kl 17.15-20.30
1 Radioaktivitet och dos (6p)
Begrepp som bör behandlas:
Stråltyp, alfa, beta, gamma
Glesjoniserande – tätjoniserande
Absorberad dos, ekvivalent dos, viktfaktor (kvalitetsfaktor)
Extern-intern bestrålning
Energi på strålningen
Avstånd
Ev strålskydd
Exponeringstid
Halveringstid – fysikalisk, biologisk
2 Halvvärdestjocklek (6p)
Räknehastighet / pulser per
minut
Halveringstjocklek, facit
800
700
600
500
400
300
200
100
0
y = 679,12e-0,1302x
0
5
10
15
Blytjocklek / mm
Halvvärdestjockleken x1/2 ges av:
Tentamen i Miljöfysik, delkurs Strålning, fält och vågor, 4p, 010522
Malmö Högskola, Lärarutbildning, Mats Areskoug
6
679
 679 e 0,1302x1 / 2
2
1
 e 0,1302x1 / 2
2
1
ln  0,1302 x1 / 2
2
1
ln
2
x1 / 2 
 0,1302
x1 / 2  5,3 mm
Med 20 mm bly bör räknehastigheten bli:
R  679e 0,130220  50 pulser per minut
3 Radioaktivt sönderfall (7p)
4
Th142  228
88 Ra 140  2  2  Q
232
90
40
19
40
K 21  20
Ca20  10 e0    Q
37
19
37
K18 18
Ar19  10e0    Q
Q  ( M Th  M Ra  M  )c 2  (232,038124  228,031139  4,002604)  931,3 MeV  4,08 MeV
Q  ( M K  M Ca )c 2  (39,964000  39,962589)  931,3 MeV  1,31 MeV
-partikeln får nästan hela energin själv (en liten del blir rekylenergi hos dotterkärnan). Om
sönderfallet sker till exiterad nivå delas energin mellan  och .
-partikeln delar sin energi med neutrinon. Betaspektret blir därför en bred fördelning med en
högsta energi som ges av Q-värdet.
4 Bindningsenergi (6p)
Bindningsenergi E är den energi som måste tillföras för att plocka isär en kärna till lösa
partiklar. Omvänt frigörs denna energi som gammastrålning om kärnan sätts samman av
separata partiklar. Eftersom energi frigörs, så minskar också kärnans massa. Massdefekten
M är skillnaden i massa mellan lösa partiklar och kärnan.
Dessa båda är olika mått på samma sak, och förhåller sig till varandra enligt Einsteins formel:
Tentamen i Miljöfysik, delkurs Strålning, fält och vågor, 4p, 010522
Malmö Högskola, Lärarutbildning, Mats Areskoug
7
E=M c2.
Brant stigning från noll till 8 MeV då A ökar från 0 till 60.Sedan långsamt avtagande mot ca 7
MeV vid A=240.
Eftersom bindningenergin ökar både då man sätter samman två små kärnor och då man klyver
en tung, frigörs energi i båda fallen.
För fission handlar det om att frigöra ca 0,8 MeV per nukleon, dvs 0,8240 MeV = ca 200
MeV
5 Sönderfallsschema (2p)
Möjliga alfa-energier 7 MeV, 6,2 MeV och 5 MeV
Möjliga gammaenergier 2 MeV, 1,2 MeV och 0,8 MeV
6 Optisk fiber (2p)
Diskussion kring totalreflektion längs fiberns yta exemplifierad med någon beräkning.
7 Buller och hörselnedsättning (5p)
L  10  lg
I
I0
I1  I 0 109, 2
ger

I 2  I 0  109,5
och
som
tillsammans
ger

I1  I 2  I 0  109, 2  109,5  I 0  109, 68 och därmed ljudnivån 97 dB
Många konsonanter speciellt väsljud innehåller frekvenser upp till ca 10 kHz med hög
intensitet. Hörselskador drabbar ofta så att känsligheten för höga frekvenser minskar. Då
minskar också möjligheten att uppfatta och urskilja många av de vanligaste språkljuden.
Tentamen i Miljöfysik, delkurs Strålning, fält och vågor, 4p, 010522
Malmö Högskola, Lärarutbildning, Mats Areskoug
8