Atomfizika
2023.05.A3/B Egy nagy precizitású, olaszországi részecskefizikai kísérletnél a részecskedetektort ólom árnyékoló réteggel vették körbe. Ezt nem közönséges ólomból készítették, hanem ókori hajóroncsokon talált ólomtömböket használtak fel. A frissen bányászott ólom radioaktív izotópokat tartalmaz, így kismértékben sugároz, a 2000 éves hajóroncsról származott ólom sugárzása ennél jóval gyengébb.
a) Mit jelent egy radioaktív minta aktivitása, és mi az aktivitás mértékegysége?
Válasz
b) Mit értünk egy radioaktív izotóp felezési idején? Hogyan változik egy radioaktív
izotópokból álló minta aktivitása, mialatt eltelik a felezési idő?Válasz
c) Honnan származik a természetes háttérsugárzás? Nevezzen meg két forrást!Válasz
d) Mi lehet a szerepe a kísérletben a detektort körülvevő árnyékoló rétegnek? Miért kell
árnyékolni a részecskedetektort?Válasz
e) Miért jobb ezt az árnyékoló réteget a már régen bányászott ólomtömbökből készíteni?Válasz
f) Hogyan keletkezhetnek folyamatosan a földkéregben radioaktív ólomizotópok?Válasz
g) Nevezzen meg egy olyan atommagot, amelyből egy vagy több lépésben radioaktív ólom
izotóp keletkezhet!Válasz
3/B feladat a) Az aktivitás fogalmának meghatározása, mértékegységének megnevezése: 2 + 2 pont másodpercenként végbemenő bomlások száma, Bq, 1/s b) A felezési idő fogalmának ismertetése és kapcsolata a minta aktivitásával: 4 pont (bontható) A felezési idő az az időtartam, ami alatt az izotópoknak körülbelül a fele elbomlik (2 pont). A felezési idő eltelte alatt a minta aktivitása is megfeleződik (2 pont). c) A természetes háttérsugárzás fő forrásainak megnevezése: 2 pont (bontható) Kozmikus sugárzás, földkéregből származó sugárzás (1 + 1 pont). d) Az árnyékoló réteg szerepének magyarázata: 2 pont Az árnyékoló réteg a háttérsugárzás (nem a kísérletből származó sugárzás) hatásaitól védi a detektort. e) A régi ólom használatának magyarázata: 4 pont (bontható) A frissen bányászott ólom maga is sugároz (2 pont) ezáltal kismértékben zavarja a kísérletet. A régen bányászott ólomban a radioaktív izotópok nagyrészt már elbomlottak (2 pont). f) A radioaktív ólomizotópok keletkezési módjának megnevezése: 2 pont (bontható) Radioaktív bomlások során keletkeznek. g) Egy megfelelő atommag megnevezése: 2 pont Pl. urán, tórium, radon stb. Összesen: 20 pont 2022.05.B
3/B Hibás földalatti vezetékek (pl. olaj, gáz, esetleg fűtéscsövek) esetén előfordulhatnak repedések, szivárgások. Ilyenkor a repedés helyét úgy találják meg, hogy egy adott radioaktív izotópot (nyomjelzőt) kevernek a csőben szállított anyaghoz. A földfel- színen mozgó detektorokkal keresik meg a felgyülemlett sugárzó anyag helyét, s ezzel a repedés helyét is – ahol már érdemes nekiállni az ásásnak és a cső javításának
c) Megduplázott hozzáadott radioaktív izotópmennyiség esetén hogyan változik a detektor által mért aktivitás? Mennyivel lesz hosszabb a méréshez rendelkezésre álló idő (az az idő, ameddig a sugárzás még kimutatható a szivárgás helyén)?
Válaszát indokolja!
d) A jód-131 izotópja béta-bomlással bomlik. Írja fel a bomlás egyenletét és nevezze meg a létrejött bomlásterméket!
3/B feladat a) A kis felezési idő célszerűségének indoklása: 4 pont (bontható) Mivel egy adott mennyiségű izotópnak kisebb felezési idő mellett nagyobb az aktivitása (2 pont), könnyebb megtalálni a szivárgás helyét. Ugyanakkor a helyszínen a radioaktivitás gyorsabban csökken (2 pont), hamarabb eltűnik az egészségkárosító hatás. b) A sugárzás fajtájának megnevezése és a válasz indoklása: 4 pont (bontható) Gamma-sugárzó izotópot (2 pont) célszerű használni, mivel ennek a sugárzásnak legnagyobb az áthatolóképessége (2 pont), ezt lehet a földfelszínen leginkább mérni. (Bármilyen észszerű megfogalmazás elfogadható, az is, ha a vizsgázó a másik két sugárzás elnyelődésével érvel.) c) A megduplázott izotópmennyiség hatásainak tárgyalása: 6 pont (bontható) Mivel megduplázott izotópmennyiség esetén ugyanannyi folyadékban (ami a szivárgás helyén a földbe kerül) kétszer annyi izotóp van (1 pont), a földben mérhető aktivitás a korábbi duplája lesz (2 pont). Mivel az aktivitás egy egységnyi felezési idő elteltével a felére csökken (1 pont), az izotópmennyiség megduplázása esetén egy felezési időnyi időtartammal (2 pont) lesz hosszabb ideig mérhető a szivárgás helye. d) A reakcióegyenlet felírása és a bomlástermék megnevezése: 6 pont (bontható) 131 53I -> 131 54 Xe + e− + γ A reakcióegyenlet bal és jobb oldalán az izotópok helyes feltüntetése (rend- és tömeg- számmal) 2–2 pontot ér, az elektron jelölése 1 pontot. A γ foton hiánya nem számít hibának. A keletkezett bomlástermék a xenon (1 pont). Összesen: 20 pont 2020.10.
3/A Szivárvány létrehozása. Ha szivárványt akarunk létrehozni, arra a következő házilag készíthető eszköz alkalmas: egy kis edénybe egy zsebtükröt teszünk egy kavics segítségével ferdén feltámasztva. Ezután az edénybe vizet töltünk úgy, hogy a zseb- tükör nagyobb részét ellepje a víz. Ha a Napból érkező fehér fény a víz felszínén megtörve a zsebtükörre esik, akkor onnan visszaverődve és ismét megtörve elhagyja a vízfelszínt, és a kilépő fény a szivárvány színeire bomlik.
b) Rajzoljon be legalább két szétváló sugármenetet a fent megadott vázlatba, a beeső fénysugártól az ernyőig!
c) Miért bomlik a fehér fény a szivárvány színeire az elrendezésben? Magyarázza el a jelen- séget a fénytörést leíró optikai fogalmak felhasználásával! Hogy hívják azt a jelenséget, mely a fény felbomlását ebben az elrendezésben lehetővé teszi?
3/A feladat a) A fénytörés jelenségének ismertetése, a törési törvény felírása és a kapcsolódó fogalmak értelmezése: 7 pont (bontható) A fénysugarak két átlátszó közeg határán áthaladva irányt változtatnak, megtörnek (2 pont). Az irányváltás mértékét a második közeg elsőre vonatkoztatott törésmutatója (1 pont) határozza meg: sin α /sin β = n (1 pont) szerint. A beesési merőleges a közeghatár síkjára merőleges egyenes (1 pont), α a beeső fénysugár és a beesési merőleges által bezárt szög (1 pont), β a megtört fénysugár és a beesési merőleges által bezárt szög (1 pont). (A beesési merőleges, illetve α és β értelmezésére megfelelő ábra is elfogadható.) b) Két eltérő (széttartó) sugármenet berajzolása: 9 pont (bontható) Egy fehér fénysugár eléri a vízfelszínt. (1 pont) Két, kissé eltérő szögben megtört fénysugár halad tovább. (1 pont) Mindkét sugár a beesési merőlegeshez törik. (1 pont) A kisebb törési szöghöz tartozó a kék, a másik a vörös összetevő. (1 pont) A két megtört fénysugár széttart, a tükröt kissé eltérő helyen érik el. (1 pont) Mindkettő visszaverődik, irányuk továbbra is széttartó. (1 pont) A víz-levegő határhoz érve megint megtörnek. (1 pont) Ezúttal a beesési merőlegestől törnek. (1 pont) Ezután különböző helyeken érik el az ernyőt. (1 pont) c) A szivárvány létrejöttének magyarázata és a diszperzió megnevezése: 4 pont (bontható) A törésmutató függ a hullámhossztól (vagy frekvenciától) (1 pont), ez a diszperzió (színszórás) jelensége (1 pont). Ez okozza, hogy a különböző színösszetevők sugármenete eltérő (2 pont), és máshol érik el az ernyőt. Összesen: 20 pont 2008.05.
3/A Egy üzem területét radioaktív szennyezés érte. Kezdetben nagyon erős radioaktív sugárzást mértek, amelyet a radioaktív kalcium és stroncium okozott. A radioaktív 47Ca20 és 90Sr38 atomok körülbelül azonos számban szóródtak szét az üzem területén.
A kalcium felezési ideje 4,5 nap, a stronciumé 28,5 év. A radioaktív szennyezés eltávolításával megbízott szakemberek az alábbiak szerint intézkedtek:
a) Az üzemet és környékét lezárták, és mindenkit kitelepítettek a lezárt területről.
b) A mentesítést csak néhány hónap elteltével kezdhették meg. Addig a lezárt területen veszélyes volt tartózkodni.
c) A további munkálatok körülbelül egy évig tartottak. Ez alatt az idő alatt több csoport váltotta egymást. Egy-egy csoport csak néhány hétig dolgozott a lezárt területen.
3/A feladat
Minden pontszám bontható!
a) Az első intézkedés magyarázata:
3 pont
Az erős radioaktív sugárzás káros az élő szervezetre.
b) A második intézkedés magyarázata:
3+3 pont
Mivel a kalcium felezési ideje kicsi (sokkal kisebb, mint a stronciumé), a kezdeti erős
radioaktív sugárzásért a kalciumizotóp felelős.
Azonban néhány hónap elteltével a radioaktív kalcium jelentős része elbomlik, így a
sugárzás jelentősen csökken.
c) A harmadik intézkedés magyarázata:
3+3+3 pont
A sugárzás erősségét néhány hónap elteltével a stroncium határozza meg, amelynek a
nagy felezési idő miatt az aktivitása csaknem változatlan.
A stroncium aktivitása viszont a nagy felezési idő miatt viszonylag kicsi.
Ezért rövidebb ideig (néhány hét) a területen lehet tartózkodni egészségkárosodás nélkül.
Összesen 18 pont
2006.06.3/B A mellékelt ábrán látható fényképet Szalay Sándor és Csikai Gyula készítette, és ezzel kísérletileg is bizonyította a korábban elméleti fizikusok által megjósolt, neutrínónak nevezett részecske létezését.
A ködkamrában készült felvétel egy nyugvó atommag β− - bomlását mutatja. A bomlás helyéről induló Li 63mag és elektron (e-) ködfonala jól megfigyelhető a fényképen, de további részecske nyoma nem látható. Ennek ellenére a felvétel minden fizikus számára bebizonyította, hogy a bomlásban még egy harmadik részecske is keletkezett.
a) Miből következtettek a fizikusok a harmadik részecske keletkezésére?
b) Határozza meg, hogy milyen rendszámú és tömegszámú atommag β− -bomlását mutatja a felvétel!
c) A felvételen jól megfigyelhető, hogy a bomlásban keletkezett elektron pályája görbül. A görbült pályát az ábra síkjára merőleges irányú mágneses mező okozza. A papír síkjából kifelé, vagy a síkjába befelé mutat a mágneses mező? Válaszodat indokold!
3/B
(A feladatban minden részpontszám bontható.)
a)
A bomlás vizsgálata:
A lendület-megmaradás törvényének használata a folyamatban:
Az atommag β− -bomlása során érvényesül a lendület-megmaradás törvénye.
2 pont
Indoklás:
A külső erők elhanyagolhatóak a belső erőkhöz képest.
1 pont
(Elfogadható indoklás: A rendszer jó közelítéssel zártnak tekinthető.)
A bomlás előtti és utáni lendület értékének maghatározása:
Bomlás előtt nyugalomban lévő mag lendülete nulla, ezért a bomlástermékek összes
lendületének is nullának kell lennie.
3 pont
A „többletrészecske” létezésének indoklása:
A két „látható” részecske összes lendülete nem lehet nulla.
3 pont
Indoklás:
A két lendületvektor eredője nem nulla (nem ellentétes irányúak a sebességek (lendületek),
180o-nál kisebb szöget zárnak be egymással), tehát az összes lendület csak akkor lehet nulla,
ha keletkezik olyan részecske (részecskék) is, amelynek nyoma a fényképen nem látható.
3 pont
b) Az anyamag jellemzőinek meghatározása:
A β− -bomlásban a mag tömegszáma nem változik.
1 pont
A rendszám eggyel növekszik.
1 pont
A kiinduló mag jellemzői: A = 6, Z=2.
62He→6Li3 + e− +ν
2 pont
c) A mágneses indukció irányának meghatározása:
Az elektronra a pálya homorú oldala felé irányuló mágneses erő hat.
1 pont
(Elég az erőt berajzolni.)
A vr sebességű, negatív töltésű elektron az erőhatás szempontjából úgy kezelhető, mint egy
vr − irányba folyó áram ( vr − irányba mozgó pozitív töltés).
1 pont
Az áramra ható mágneses erő irányát a jobbkéz-szabály adja meg. (A mozgó töltésre ható
Lorentz-erő irányát a jobbkéz-szabály adja meg). A mágneses indukció iránya a papír síkjából
kifelé mutat.
2 pont
Összesen 20 pont
2003.
3/B Az alábbi elrendezésben egy kalcium bevonatú katóddal ellátott fotocellát vizsgálunk. A katódot különböző színű fénynyalábokkal világítjuk meg, és mérjük, hogy folyik-e áram az áramkörben.
fény hullámhossza 550 nm (zöld) 500 nm (kékeszöld) 480 nm (kék) 440 nm (ibolyáskék) 400 nm (ibolya)
áram nincs nincs nincs van van
Értelmezze a jelenséget!
MO:
3/B feladat
Ha az áramkörben áram folyik, akkor a fotocella katódjáról elektronok lépnek ki.
2 pont
Az elektronok a megvilágítás hatására lépnek ki, 2 pont
ez a fényelektromos hatás. 1 pont
A kilépés csak akkor következik be, ha a megvilágító fény fotonjának
energiája fedezi a kilépéshez szükséges munkát. 3 pont
A foton energiája a fény frekvenciájával arányos.
(Planck-formula is elfogadható) 2 pont
A hullámhossz a frekvenciával fordítottan arányos, 2 pont
ezért következik be kisebb hullámhosszú fényre az elektronkibocsátás. 3 pont
