ΑΤΟΜΙΚΗ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ

Transcript

1 ΑΤΟΜΙΚΗ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Περιεχόμενα ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ, ΦΑΣΜΑΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ-ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ, ΚΥΜΑΤΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΟΣ ΔΥΪΣΜΟΣ, ΑΡΧΕΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ... 2 Ερωτήσεις κλειστού τύπου... 2 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου... 2 Ασκήσεις... 3 ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΔΟΜΗ, ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΚΑΙ ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑ... 4 Ερωτήσεις κλειστού τύπου... 4 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου... 4 Ασκήσεις... 4 ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ... 4 Ερωτήσεις κλειστού τύπου... 4 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου... 4 Ασκήσεις... 4

2 ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ, ΦΑΣΜΑΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ- ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ, ΚΥΜΑΤΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΟΣ ΔΥΪΣΜΟΣ, ΑΡΧΕΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ Ερωτήσεις κλειστού τύπου 1. (2 η Προαιρετική Εξέταση Προόδου ) Έστω μονοατομικό αέριο, το άτομο του οποίου μπορεί να βρεθεί στη θεμελιώδη στάθμη Ε 0, την 1η διεγερμένη Ε 1 και τη δεύτερη διεγερμένη Ε 2 (Ε 0 < Ε 1 <Ε 2 ). Αν μου δώσουν φάσμα που αντιστοιχεί σε αυτό και αποτελείται μόνο από μία κίτρινη και μία ιώδη γραμμή, το φάσμα αυτό είναι: Α. συνεχές φάσμα εκπομπής Β. Γραμμικό φάσμα εκπομπής Γ. φάσμα συνεχούς απορρόφησης Δ. Φάσμα γραμμικής απορρόφησης Η κίτρινη γραμμή του φάσματος προκύπτει από: Α. τη διέγερση των ατόμων του αερίου από Ε 0 Ε 2 Β. τη διέγερση των ατόμων του αερίου από Ε 0 Ε 1 Γ. την αποδιέγερση των ατόμων του αερίου από Ε 2 Ε 0 Δ. την αποδιέγερση των ατόμων του αερίου από Ε 1 Ε 0 Η ιώδης γραμμή του φάσματος προκύπτει από: Α. τη διέγερση των ατόμων του αερίου από Ε 0 Ε 2 Β. τη διέγερση των ατόμων του αερίου από Ε 0 Ε 1 Γ. την αποδιέγερση των ατόμων του αερίου από Ε 2 Ε 0 Δ. την αποδιέγερση των ατόμων του αερίου από Ε 1 Ε 0 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου 1. (εξετάσεις Σεπ. 2015) Δεδομένου ότι η απαιτούμενη ενέργεια για το σπάσιμο του C C δεσμού του αιθανίου είναι 88 kcal/mol, για να συμβεί αυτό απαιτείται ακτινοβολία: Α. Υπεριώδης Β. Ορατή Γ. Υπέρυθρη Δ. Μικροκυμάτων Διότι: 2. (εξετάσεις Ιουν. 2015) Οι ενεργειακές στάθμες που μπορεί να βρεθεί το άτομο ενός στοιχείου είναι Ε 0 = 0 ev, Ε 1 = 1 ev και Ε 2 = 2 ev. i) Ποια είναι τα μήκη κύματος της ακτινοβολίας κατά την αποδιέγερση Ε 1 Ε 0 και Ε 2 Ε 0 ; ii) Τι θα παρατηρήσετε σε ένα φασματοσκόπιο ΟΡΑΤΟΥ φωτός εξαιτίας αυτών των αποδιεγέρσεων; iii) Μπορεί η ακτινοβολία από αυτές τις αποδιεγέρσεις να σπάσει ένα δεσμό C-C (350 kj/mol); 3. (εξετάσεις Φεβ. 2015) Έστω οι ενεργειακές στάθμες Ε ν = 20 ev και Ε ν+1 = 22 ev ενός ατόμου. Εκπομπή φωτονίου θα παρατηρείται κατά τη διέγερση Ε ν Ε ν+1 ή την αποδιέγερση Ε ν+1 Ε ν ; Σε τι μήκος κύματος αντιστοιχεί αυτό το φωτόνιο; Μπορεί ένα τέτοιο φωτόνιο να σπάσει ένα δεσμό C-C (350 kj/mol); 4. (2 η Προαιρετική Εξέταση Προόδου ) Στους φούρνους μικροκυμάτων η συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας είναι περίπου 2,45 GHz. Αν γνωρίζετε τις τιμές ενέργειας διαφόρων δεσμών, π.χ. C-C (= 350 kj/mol), C-H (= 410 kj/mol), O-H (= 460 kj/mol), εξηγείστε γιατί τα μικροκύματα είναι μη ιονίζουσα ακτινοβολία.

3 Ασκήσεις 1. (εξετάσεις Φεβ. 2016) Ποιο είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που θα πάρουμε από την αποδιέγερση ατόμων He από την ενεργειακή στάθμη 24,01 ev στην ενεργειακή στάθμη 20,61 ev; Σε ποια περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος ανήκει; Β) Μπορεί η ακτινοβολία αυτή να σπάσει απλούς δεσμούς O H και C N; 2. (εξετάσεις Φεβ. 2015) Έστω οι ενεργειακές στάθμες Ε ν = 20 ev και Ε ν+1 = 22 ev ενός ατόμου. Εκπομπή φωτονίου θα παρατηρείται κατά τη διέγερση Ε ν Ε ν+1 ή την αποδιέγερση Ε ν+1 Ε ν ; Σε τι μήκος κύματος αντιστοιχεί αυτό το φωτόνιο; Μπορεί ένα τέτοιο φωτόνιο να σπάσει ένα δεσμό C-C (350 kj/mol); 3. (2 η Προαιρετική Εξέταση Προόδου ) Πόσο είναι το γωνιακό εύρος (θ) του κεντρικού μεγίστου της περίθλασης που υφίσταται δέσμη ηλεκτρονίων που επιταχύνεται (σε κενό) σε 100 kv αν διέρχεται από σχισμή πλάτους 0,1 nm; (θεωρήστε ότι ισχύει η προσέγγιση μικρής γωνίας, sinθ = θ) 4. (εξετάσεις Σεπ. 2016) Οι τιμές των ενεργειών στο διπλανό διάγραμμα ενεργειακών σταθμών είναι Ε 1 = 1eV, Ε 2 = 3eV και Ε 3 = 5eV. Ακτινοβολία συχνότητας f 1 προσπίπτει σε δείγμα ουσίας διεγείροντας την από την Ε 1 στην Ε 3 και η ουσία επανεκπέμπει ακτινοβολία συχνότητας f 2 (βλ. σχήμα). α) Σε ποια είδη ΗΜ ακτινοβολίας ανήκουν η προσπίπτουσα και εκπεμπόμενη ακτινοβολία; Είναι κάποια από αυτές ορατή και αν ναι, τι χρώμα περίπου έχει; β) Πως λέγεται το φαινόμενο αυτό και που εφαρμόζεται;

4 ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΔΟΜΗ, ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΚΑΙ ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑ Ερωτήσεις κλειστού τύπου Ερωτήσεις ανοικτού τύπου Ασκήσεις ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Ερωτήσεις κλειστού τύπου Ερωτήσεις ανοικτού τύπου Ασκήσεις 1. (εξετάσεις Ιουν. 2016) Η ενεργότητα του 14C που περιέχεται στο σώμα ενός μέσου άνδρα μάζας 78kg είναι 0,081 μci. Α) Πόσες διασπάσεις πυρήνων αυτού του ισοτόπου συμβαίνουν μέσα στο σώμα στη διάρκεια ενός χρόνου; Β) Πόσα rem ισοδύναμης δόσης απορροφώνται τότε (σε ένα χρόνο) από το σώμα του άνδρα δεδομένου ότι η ενέργεια των β-σωματίων που εκπέμπονται από κάθε διάσπαση πυρήνα14cείναι 0,156 ΜeVκαι περίπου το 1/3 αυτών συλλαμβάνεται στο ανθρώπινο σώμα. 2. (εξετάσεις Φεβ. 2016) Το Τεχνήτιο (Τc) είναι χημικό στοιχείο με Z = 43. Ονομάστηκε έτσι επειδή ήταν το πρώτο στοιχείο που σχηματίστηκε εξ ολοκλήρου εργαστηριακά. Το βραχυβιότερο ισότοπό του, Τεχνήτιο-99m (δηλ., με Α = 99), με χρόνο υποδιπλασιασμού 6 h, εκπέμπει ακτινοβολία-γ και χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλούς διαγνωστικούς ελέγχους. Πόσα Ci είναι η αρχική ενεργότητα (ραδιενέργεια) δείγματος 120 mg 99m Tc και πόσα mg του παραμένουν ενεργά 24 h μετά την παρασκευή του; 3. (εξετάσεις Σεπ. 2015) Το ραδιοϊσότοπο Α έχει διπλάσιο χρόνο υποδιπλασιασμού από το Β, t 1/2 (A) = 2t 1/2 (B). Δύο δείγματα Α και Β έχουν την χρονική στιγμή t = 0 ίσο πλήθος πυρήνων. Ποιος είναι ο λόγος των ενεργοτήτων (ραδιενεργειών) C 0 (Α) / C 0 (Β) αυτών των δύο δειγμάτων όταν t = 0; Ποιος θα είναι ο λόγος C (Α) / C (Β) μετά από χρονικό διάστημα Δt= t 1/2 (Α) ; 4. (εξετάσεις Σεπ. 2015) Φυτικό υλικό μάζας 200 g δέχεται γ-ακτινοβολία (RBE = 1,1) και μετριέται ισοδύναμη δόση = 220 krem. Πόση είναι η ενέργεια σε Joule που έχει δεχτεί; Πόση θα ήταν η ενέργεια αυτή αν αντί για ακτίνες-γ δεχόταν ακτίνες-χ (RBE = 0,85); 5. (εξετάσεις Ιουν. 2015) Στο γάλα αγελάδας που κατανάλωσε χορτάρι από περιοχή μολυσμένη με 90 Sr ανιχνεύτηκε ποσότητα 0,1 μg 90 Sr ανά λίτρο. Το ραδιοϊσότοπο 90 Sr μεταστοιχειώνεται με εκπομπή β σωματιδίων και χρόνο υποδιπλασιασμού 29 χρόνια. α) Πόση η ραδιενέργεια (ενεργότητα, C) εξαιτίας του 90 Sr σε ένα λίτρο γάλα αυτής της αγελάδας;

5 β) Αν η συνολική ενέργεια που απελευθερώνεται από ενεργότητα C είναι: Ε = C <Ε> (όπου <Ε> = 1,709 ΜeV, η μέση ενέργεια των β-σωματίων που απελευθερώνονται σε κάθε μεταστοιχείωση του 90 Sr) πόση είναι η απορροφούμενη δόση, D, στο σκελετό ενός άνδρα που θα πιεί ένα λίτρο από αυτό το γάλα αν η μάζα του σκελετού του είναι: m σκελετ. = 3,4 kg, και πόση η ισοδύναμη δόση H (RBE β-σωμάτια = 1); (Θεωρείστε ότι το σύνολο του 90 Sr καταλήγει στα οστά αυτού που θα πιεί το γάλα.) γ) Είναι ασφαλές ή όχι αυτό το γάλα αν το μέγιστο επιτρεπόμενο όριο για τα οστά ενός ανθρώπου είναι rem; 6. (εξετάσεις Φεβ. 2015) Το ραδιοϊσότοπο 32 Ρ, με t 1/2 = 14,3 ημέρες, χρησιμοποιείται συχνά ως ιχνηθέτης των βιοχημικών αντιδράσεων που αφορούν το φώσφορο. Διάλυμα που περιέχει 0,32 mg 32 Ρ εισάγεται αμέσως μετά την παραγωγή του ισοτόπου κατάλληλα στο ριζικό σύστημα φυτού. α) Πόση είναι η ενεργότητα (C, ραδιενέργεια) αυτού του διαλύματος; β) Αν σε κάθε διάσπαση του 32 Ρ απελευθερώνονται β-σωμάτια με μέση ενέργεια <Ε> = 1,709 ΜeV, πόση είναι η απορροφούμενη δόση, D, σε 100 g φυτικού υλικού; (Η συνολική ενέργεια είναι Ε = C <Ε>) και πόση η ισοδύναμη δόση H (RBE β-σωμάτια = 1) γ) πόσο θα είναι αυτές τιμές των D και Η 57,2 ημέρες μετά την αρχική εισαγωγή του ισοτόπου στο φυτικό υλικό; 7. (2 η Προαιρετική Εξέταση Προόδου ) Φυτικό υλικό μάζας 200 g δέχεται γ-ακτινοβολία (RBE = 1,1) και μετριέται ισοδύναμη δόση = 220 krem. Πόση είναι η ενέργεια σε Joule που έχει δεχτεί; Πόση θα ήταν η ενέργεια αυτή αν αντί για ακτίνες-γ δεχόταν ακτίνες-χ (RBE = 0,85); 8. (εξετάσεις Σεπ. 2014) Θεωρείστε ένα φωτόνιο ακτίνων-χ, μήκους κύματος 1 Å και ένα φωτόνιο ακτινοβολίας γ που προκύπτει από την αποδιέγερση του πυρήνα του Ni-60 κατά 1,17 MeV. i) Ποιο φωτόνιο έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια; ii) Πόση είναι η δόση που θα απορροφηθεί από ένα ινδικό χοιρίδιο μάζας 2 kg αν το ακτινοβολήσουμε με 1016 φωτόνια ακτίνων-χ και πόση από ίσο αριθμό φωτονίων ακτίνωνγ; iii) Πόση είναι η ισοδύναμη δόση για το προηγούμενο ερώτημα; 9. (εξετάσεις Σεπ. 2014) Για τη θεραπεία ορισμένων παθήσεων του θυρεοειδή αδένα χρησιμοποιείται συχνά ραδιοϊωδιοθεραπεία, δηλαδή χορήγηση ραδιενεργού ιωδίου (Ι-131). Για μια περίπτωση υπερθυρεοειδισμού προτάθηκε η χορήγηση 10 mci Ι-131. Σε πόσα μg Ι-131 αντιστοιχεί αυτή η ενεργότητα αν γνωρίζουμε ότι ο χρόνος υποδιπλασιασμού του Ι-131 είναι 8 ημέρες και ο θεράπων έλαβε αυτό το ραδιοϊσότοπο την ημέρα παρασκευής του; Ποια θα είναι η ενεργότητα (ραδιενέργεια) του ραδιοϊσοτόπου αυτού 24 ημέρες μετά; 10. (εξετάσεις Φεβ. 2014) Για την ιχνηθέτηση των μεταβολικών οδών εισάγονται σε ένα φυτό 0,32 g ραδιοϊσοτόπου 32 Ρ που έχει χρόνο υποδιπλασιασμού t 1/2 = 14,3 ημέρες. Υπολογίστε την ενεργότητα (ραδιενέργεια) αυτής της ποσότητας. Πόση θα είναι ενεργότητα της μετά από 42,9 ημέρες; 11. (εξετάσεις Φεβ. 2014) Φυτικό υλικό μάζας 200 g εκτέθηκε σε γ-ακτινοβολία και έλαβε ισοδύναμη δόση 0,1 Sv. Πόση είναι η ενέργεια αποτέθηκε σε αυτό; Πόση θα ήταν η ενέργεια αυτή αν μετριόταν η ίδια ισοδύναμη δόση αλλά η πηγή ήταν ακτινοβολίας α;

6 11. (εξετάσεις Φεβ. 2014) Μετά την ξαφνική απελευθέρωση ραδιενέργειας από το ατύχημα στον πυρηνικό αντιδραστήρα του Chernobyl το 1986, η ραδιενέργεια του γάλακτος στην Πολωνία αυξήθηκε στα Bq/L λόγω της παρουσίας ιωδίου 131 στο γρασίδι που καταναλωνόταν από βοοειδή γαλακτοπαραγωγής. Το ραδιενεργό ιώδιο, με χρόνο ημιζωής 8 μέρες, είναι ιδιαίτερα επικίνδυνο επειδή ο θυρεοειδής αδένας συγκεντρώνει ιώδιο. Πόσα γραμμάρια ιωδίου 131 ιωδίου-131 υπήρχαν σε 1 L γάλακτος ώστε να παρατηρηθεί αυτή η ενεργότητα; Ποιός είναι ο χρόνος αποθήκευσης που χρειάζεται για να μειωθεί η περιεκτικότητα σε ιώδιο, του τυριού που παράγεται από το γάλα των αγελάδων αυτών στο 25% των αρχικών επιπέδων; 12. (εξετάσεις Φεβ. 2014) Ένας άνθρωπος που ζυγίζει 85 kg εκτέθηκε σε πηγή ακτινοβολίας γ και έλαβε δόση 0,5 Sv σε ολόκληρο το σώμα του. Πόση ενέργεια αποτέθηκε στο σώμα του; Πόση θα ήταν η ενέργεια αυτή αν αντί για ακτίνες-γ μετριόταν η ίδια ισοδύναμη δόση αλλά η πηγή ήταν ακτινοβολίας α; 13. (εξετάσεις Σεπ. 2016) Ένα πειραματόζωο ινδικό χοιρίδιο εκτίθεται σε ακτινοβολία α- σωματιδίων από ραδιενεργό πηγή 8,7 mci. Η μάζα του ινδικού χοιριδίου είναι 250 g και η έκθεσή του στην α-ακτινοβολία έγινε για 2 min. Αν απορροφά το 65% της α-ακτινοβολίας και κάθε εκπεμπόμενο α-σωματίδιο έχει ενέργεια 5,7 MeV, α) πόση είναι η ραδιενέργεια της πηγής σε α-σωματίδια (διασπάσεις) ανά δευτερόλεπτο (Bq); β) Πόση είναι η απορροφημένη δόση για το ινδικό χοιρίδιο σε grays (Gy) και σε rad; γ) Πόση είναι η ισοδύναμη δόση σε Sievert (Sv) και σε rem;