Kärnfysik för nyfikna

Transkript

1 Avdelningen för kärnfysik Institutionen för fysik och astronomi Kärnfysik för nyfikna VT 2016 (5 HP) Kurskod 1FA319 1 Inledning I detta dokument hittar du information om kursens inlämningsuppgifter. Avsnitt 2 informerar om plagiering och den plagiatkontroll som används i kursen. I avsnitt 3 finns lite allmän information om uppgifterna. Avsnitt 4 beskriver kursens betygskriterier och betygsättning. I avsnitt 5 hittar du schemat med sista inlämningsdag för uppgifterna. Avsnitt 6 anger vad du bör läsa i kursboken när du arbetar med quiz och korta frågor och i avsnitt 7 finns förslag på olika projektuppgifter. Alla uppgifter är på engelska. Du kan välja själv om du vill skicka in dina svar på svenska eller på engelska. 2 Plagiering och plagiatkontroll För att motverka plagiering använder vi systemet URKUND, se Om du är osäker på vad som räknas som plagiat, varför källhänvisningar är så viktiga m.m., så bör du läsa detta dokument: 3 Allmän information om inlämningsuppgifterna na är av tre olika slag: quiz, korta frågor och projektuppgifter. I detta avsnitt hittar du allmän information dessa. 3.1 Quiz Frågorna i quizen är självrättande och fylls i direkt på Studentportalen. De flesta av frågorna är av flervalstyp, men för en del av dem ska du ange svaret på någon kortare beräkning eller fylla i något som saknas, t.ex. formeln för ett radioaktivt sönderfall eller för en kärnreaktion. Alla frågor i quizen är baserade på kursbokens innehåll. Du kan svara på dem med hjälp av den information som finns i kursboken :50:15 1[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02

2 Du hittar quizen i funktionen TESTSAMLINGAR/Quiz på kurstillfällets webbsidor på Studentportalen. Frågorna är uppdelade enligt kursbokens kapitel, en quiz för varje kapitel som ingår i kursen. Vi rekommenderar att du gör ett försök (d.v.s. svarar på frågorna i quizen) direkt efter du har läst ett kapitel. Varje quiz (kallas också test) består av 10 frågor som slumpas ut från en större samling av frågor per kapitel. Varje gång du startar en quiz för ett specifikt kapitel slumpas alltså 10 frågor ut. För att få godkänt i en quiz måste du klara av 8 av de 10 slumpade frågorna. Du kan göra om testet hur många gånger som helst och det är bara ditt bästa testresultat som sparas. Under rubriken Inlämnade test kan du se den högsta poäng du har fått på dina genomförda quiz för varje kapitel. För det bästa resultatet för varje quiz kan du gå in och se vilka frågor du har rätt och fel på. Färdiga quiz kommer att markeras i funktionen FRAMSTEG på Studentportalen. Där kan du alltså se vilka quiz du är klar med och vilka som återstår att göra. Om du har frågor och funderingar gällande en quiz för ett specifikt kapitel är det enklast om du skickar din fråga genom händelseloggen (se avsnitt 3.2). 3.2 Korta frågor Med korta frågor menas egentligen att svaren ska vara korta, maximalt ca 100 ord. Dessa frågor är också baserade på kursbokens innehåll, d.v.s. du kan skriva ditt svar med hjälp av den information som finns i kursboken. Exempel på en sådan fråga är att du ska beskriva en kärnfysikalisk process med några meningar. Ett annat exempel är att du ska rita ett sönderfallsschema för ett radioaktivt sönderfall. De korta frågorna kan du ladda ner genom funktionen FILAREOR/Kursmaterial. Det finns 1-2 korta frågor per kapitel. För att bli godkänd på denna del av inlämningsuppgifterna måste du skicka in svar på minst en (1) kort fråga för varje kapitel. I det fall det finns fler än en kort fråga kan du välja vilken av dem du vill svara på. Dina svar på de korta frågorna skickar du in för rättning med hjälp av funktionen INLÄMNING- AR/Korta frågor kap.nr på Studentportalen. Varje kapitel har en egen inlämning, i vilken du kan ladda upp filerna med dina svar. Filerna måste vara av formatet PDF. Det är lämpligt att skicka in svaret på en kort fråga så snart du är klar med frågan. På detta sätt kan du få snabb feedback från läraren som rättar frågan. Om du har svarat fel eller inte tillräckligt bra på en kort fråga så kan du få tillbaka den som rest Du bör då komplettera frågan för att få den godkänd. Varje kapitels inlämning har en egen händelselogg i vilken läraren kan ge kommentarer till ditt inlämnade svar. Genom händelseloggen kan du också skicka frågor (t.ex. om du har kört fast) till läraren gällande uppgiften samt frågor rörande quizen för motsvarande kapitel. I funktionen FRAMSTEG på Studentportalen kan du se vilka korta frågor som du är klar med och vilka som fortfarande återstår att göra. 3.3 Projektuppgifter Avsikten med projektuppgifterna är att du ska fördjupa dig i några olika kärnfysikaliska tillämpningar och skriva rapporter om dessa tillämpningar alternativt presentera dem muntligt. Projektuppgifterna är uppdelade i tre delområden (kategorier): :50:15 2[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02

3 1. Kärnenergi 2. Medicinska tillämpningar 3. Övriga tillämpningar För att bli godkänd i kursen måste du ha lämnat in och fått godkänt i tre projektuppgifter, en från varje delområde. En av projektuppgifterna kan bytas ut mot en rapport, som beskriver ett av studiebesöken som arrangeras under kursen eller ett tidigare studiebesök, som du har genomfört till en anläggning där man använder någon/några kärnfysikaliska tillämpningar. För att göra projektuppgifterna är det troligt att du måste använda andra källor än kursboken, t.ex. annan litteratur eller Internet. Några användbara länkar till webbplatser med koppling till kärnfysikaliska tillämpningar finns angivna i funktionen WEBBSIDOR/Länkar på Studentportalen. Glöm inte att tydligt ange referenser till de källor som du har utnyttjat. Förslag till projektuppgifterna hittar du i avsnitt 7. Om du har egna förslag på projektuppgifter så är du välkommen att kontakta den lärare som ansvarar för rättandet av projektuppgifterna för respektive kategori (se avsnitt 7). De frågor som ställs i en del av projektuppgifterna är avsedda som vägledning - du behöver inte nödvändigtvis ge svar på just dessa frågor. Projektuppgifterna kan som sagt antingen göras skriftligt eller muntligt. En skriftlig projektuppgifter lämnar du in för rättning genom att ladda upp filen, som måste vara i PDF-format, i funktionen INLÄMNINGAR/Projektuppgifter på Studentportalen. Rapporten ska vara 2 till 4 sidor lång exklusive källförteckningen. Använd enkelt radavstånd och fontstorlek 12 pt. En muntlig presentation av en projektuppgift ska vara mellan 5 och 15 min lång och genomförs över Internet med hjälp av webbkonferensplattformen Adobe Connect. Information om hur du använder Adobe Connect, vilka krav det ställs på din dator och din Internetförbindelse m.m., hittar du här: Kontakta läraren som ansvarar för rättandet av den kategori av projektuppgift som du avser att presentera muntligt för att boka tid för presentationen senast 1 vecka innan du vill genomföra den. Ansvarig lärare för respektive kategori finns angiven i avsnittet 7 nedan. Om du inte har gjort en tillräckligt bra skriftlig rapport eller muntlig presentation av en projektuppgift så kan du få tillbaka den som rest med information om vad du bör ändra för att få den godkänd eller för att få högre betyg. Inlämningsfunktionen för projektuppgifterna har också en händelselogg, genom vilken läraren skickar kommentarer till dina inlämnade projektuppgifter och muntliga presentationer. Genom händelseloggen kan du också skicka frågor till läraren gällande projektuppgifterna. I funktionen FRAMSTEG på Studentportalen kan du se när du är klar med alla projektuppgifterna. Information om hur projektuppgifterna betygsätts, hur många gånger du kan lämna in dem för att få högre betyg än 3, samt hur ditt betyg för hela kursen bestäms, hittar du i avsnittet 4. 4 Betygskriterier och betygsättning 4.1 Kvalitativa betygskriterier Betygsskalan som används i kursen är U (underkänd), 3, 4, och :50:15 3[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02

4 För betyg 3 måste studenten kunna använda grundläggande kärnfysikaliska begrepp och samband (nuklider, kärnans massa och bindningsenergi, radioaktiva sönderfall, joniserande strålning, kärnreaktioner, fission, fusion), identifiera och beskriva begrepp inom kursens tre delområden (kärnenergi, medicinska tillämpningar, övriga kärnfysikaliska tillämpningar), använda kärnfysikaliska databaser tillgängliga på Internet för att söka efter information om nukliders egenskaper, samt skriva kortfattade rapporter eller ge korta muntliga presentationer om olika kärnfysikaliska tillämpningar. För betyg 4 måste studenten, utöver vad som krävs för betyg 3, kunna förklara begrepp inom kursens delområden (kärnenergi, medicinska tillämpningar, övriga kärnfysikaliska tillämpningar), tillämpa kunskaper om grundläggande kärnfysik inom dessa delområden. För betyg 5 måste studenten, utöver vad som krävs för betyg 4, kunna relatera, sammanfatta och värdera begrepp och tillämpningar inom kursens delområden (kärnenergi, medicinska tillämpningar, övriga kärnfysikaliska tillämpningar). 4.2 Betygsättning Quiz och korta frågor är antingen godkända eller underkända. För de tre projektuppgifterna (både skriftliga och muntliga) ges betygen underkänt, 3, 4 eller 5. För betyg 3 (godkänt i kursen) krävs följande: Quizarna godkända för samtliga kapitel i kursboken som ingår kursen. Den korta frågan godkänd för samtliga kapitel i kursboken som ingår kursen. Tre godkända projektuppgifter, en från varje delområde (kärnenergi, medicinska tillämpningar, övriga kärnfysikaliska tillämpningar). Om du har fått tillbaka en uppgift från läraren (du har fått rest på uppgiften) så kan du efter att du har åtgärdat felet/felen, lämna in en ny version av uppgiften alternativt redovisa den muntligt på nytt för att få betyg 3. Detta kan du göra hur många gånger som helst. För högre betyg krävs följande, utöver det som krävs för betyg 3: För betyg 4 krävs ett medelvärde på minst 3.5 för de tre projektuppgifterna. För betyg 5 krävs ett medelvärde på minst 4.5 för de tre projektuppgifterna. Läraren som rättar din projektuppgift ger kommentarer och tips om vad du bör göra för att få högre betyg för uppgiften. Du kan då antingen nöja dig med det betyg som du har fått eller skicka in en ny version för att försöka få ett högre betyg. Du kan bara skicka in en ny version en gång för att försöka få högre betyg. För att få godkänt (betyg 3) så kan du som nämnts ovan skicka in projektuppgiften ett obegränsat antal gånger :50:15 4[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02

5 5 Schema för inlämning av uppgifterna För att uppmuntra dig som student att kontinuerligt arbeta med uppgifterna under kursens gång har vi satt en deadline för inlämning av de olika deluppgifterna. Sista inlämningsdag anges i tabellen nedan. Inlämningsuppgift Sista inlämningsdag Quiz och kort fråga för kapitel 1 och Quiz och kort fråga för kapitel 3 och Quiz och kort fråga för kapitel 5 och Quiz och kort fråga för kapitel 8 och Quiz och kort fråga för kapitel 10 och Projektuppgift 1, 2 och Läsanvisningar för kursboken Här följer anvisningar för vilka kapitel och avsnitt som du ska läsa i kursboken Introduction to Nuclear Science, Jeff C. Bryan, CRC Press Taylor & Francis Group 2013, Second Edition, ISBN Observera att dessa läsanvisningar gäller för upplaga 2 av boken, som skiljer sig rätt mycket från upplaga 1. Avsnitt som ges i kursiv stil är inte examinerande, men kan med fördel läsas av de som är intresserade och de kan även vara till nytta då du arbetar med projektuppgifterna. Kapitel och avsnitt som ges i parentes ingår inte i kursen. För varje kapitel som ska läsas anges sista inlämningsdag för quiz och korta frågor (samma information som i tabellen i avsnitt 5) samt namnet på den lärare som rättar uppgifterna. Chapter 1: Introduction Innehåller viktig grundläggande information om strålning och om atomkärnan. Hela kapitlet ingår i kursen. Sista inlämningsdag, quiz och kort fråga för kapitel 1: Rättande lärare: Walter Ikegami Andersson. Chapter 2: The Mathematics of Radioactive Decay Dessa avsnitt innehåller bl a de matematiska grunderna för radioaktivt sönderfall. Om du känner dig osäker på begreppen naturlig logaritm, ln(x), och exponentialfunktion, e x, hänvisas till läsning på Internet, t.ex Innehåller en beskrivning av principen för radioaktiv datering. 2.5 Förgrenade sönderfall :50:15 5[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02

6 2.6 Radioaktiv jämvikt. Matematiken i detta avsnitt är rätt krånglig och kommer inte att examineras. Avsnittet läses frivilligt, men är relevant bl.a. för tillämpningar inom nukleärmedicinsk diagnostik, vilket tas upp i avsnitt 8.4. (2.7 Statistiska begrepp som användes inom kärnfysiken. Ingår inte i kursen.) Sista inlämningsdag, quiz och kort fråga för kapitel 2: Rättande lärare: Walter Ikegami Andersson. Chapter 3: Energy and the Nucleus Bindningsenergi, sönderfallsenergi och sönderfallsdiagram. Hela kapitlet ingår i kursen. Sista inlämningsdag, quiz och kort fråga för kapitel 3: Rättande lärare: Jim Ögren. Chapter 4: Applications of Nuclear Science I: Power and Weapons Grundläggande om kärnreaktorer och kärnvapen. 4.3 Analys av radioaktiva material. Sista inlämningsdag, quiz och kort fråga för kapitel 4: Rättande lärare: Joachim Pettersson. Chapter 5: Radioactive Decay: The Gory Details Beskriver de vanligaste typerna av radioaktivt sönderfall Avsnitten behandlar isomera övergångar och några mindre vanliga typer av radioaktiva sönderfall. Sista inlämningsdag, quiz och kort fråga för kapitel 5: Rättande lärare: Bo Cao. Chapter 6: Interactions of Ionizing Radiation with Matter Detaljerad beskrivning av strålningens växelverkan med materia. Det förekommer en del komplicerade matematiska samband i detta kapitel, vilka inte behöver studeras i detalj. 6.4 Viktiga grundläggande formler och begrepp gällande absorption av röntgen- och gammastrålning. Sista inlämningsdag, quiz och kort fråga för kapitel 6: Rättande lärare: Bo Cao :50:15 6[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02

7 (Chapter 7: Detection of Ionizing Radiation) Kapitel 7 ingår inte i kursen. Det behandlar instrument för detektering av joniserande strålning och kan läsas om du är intresserad av kärnfysikaliska mätmetoder m.m. Chapter 8: Applications of Nuclear Science II: Medicine and Food Kapitlet handlar om strålbehandling, bestrålning av födoämnen och nukleärmedicin. Det förekommer en del komplicerade matematiska samband (figur på sida 182 och ekvation på sida 183) vilka inte behöver studeras i detalj. De kemiska reaktionsformlerna som beskrivs kan du hoppa över. Sista inlämningsdag, quiz och kort fråga för kapitel 8: Rättande lärare: Joachim Pettersson. Chapter 9: Nuclear Reactions 9.0 Introduktion av kärnreaktioner. Vi har kallat texten i början av kapitlet (innan avsnitt 9.1) för avsnitt Avsnitten om energisamband och reaktionssannolikheter för kärnreaktioner innehåller en del matematiska samband, vilka inte är nödvändiga att förstå, men texten är viktig att läsa igenom. (9.3 Förklarar begreppet yield. Ingår inte i kursen.) Avsnitten om acceleratorer och kosmogena nuklider läses frivilligt. Sista inlämningsdag, quiz och kort fråga för kapitel 9: Rättande lärare: Hazhar Ghaderi. Chapter 10: Fission and Fusion Grundläggande begrepp om fission och fusion. Avsnitten innehåller en del avancerad matematik, som inte behöver studeras i detalj Kort beskrivning av hur grundämnena har skapats i universum Konstgjord syntes av okända grundämnen. Sista inlämningsdag, quiz och kort fråga för kapitel 10: Rättande lärare: Hazhar Ghaderi. (Chapter 11: Applications of Nuclear Science III: More about Nuclear Reactors) Kapitel 11 ingår inte i kursen. Kapitlet kan dock läsas av de som vill lära sig mera om olika typer av kärnreaktorer, deras säkerhet, kärnkraftsolyckor, m.m :50:15 7[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02

8 Chapter 12: Radiation Protection Hela kapitlet om strålskydd bör läsas. I avsnitt 12.2 nämns en del förkortningar av detektorer (mätinstrument) vilka beskrivs i kapitel 7. Det är inte nödvändigt att förstå hur dessa detektorer fungerar. Sista inlämningsdag, quiz och kort fråga för kapitel 12: Rättande lärare: Jim Ögren. (Chapter 13: X-ray Production) Kapitel 13 ingår inte i kursen. (Chapter 14: Dosimetry of Radiation Fields) Kapitel 14 ingår inte i kursen. Det kan läsas av de som är intresserade av dosimetri, m.m. 7 Projektuppgifter I detta avsnitt finns en lista på möjliga projektuppgifter. De är indelade i tre kategorier (delområden): kärnenergi, medicinska tillämpningar, övriga tillämpningar. Du kan också själv föreslå en projektuppgift. Kontakta i sådant fall läraren som är ansvarig för rättandet av respektive kategori av projektuppgifter. Projektuppgifterna löser du genom att skriva en rapport om ämnet i fråga eller genom att presentera den muntligt. Se avsnitt 3.3 för information om rapportens längd, skriftlig eller muntlig presentation, m.m. samt avsnitt 4 för betygsättning av projektuppgifterna. Kategori: kärnenergi Sista inlämningsdag: Rättande lärare: Jim Ögren. 1: Swedish nuclear power plants Sweden has three working nuclear power plants: Ringhals, Forsmark and Oscarshamn. Select one of them and describe how many reactors the plant has and what type they are. How much 235 U is burnt every year? What is the lifetime of the fuel rods. How much waste is produced per year? What is the expected life time of the reactors and what limits the life time? 2: Generation III reactors The vast majority of nuclear reactors in use today are of a type called generation II. Describe the main characteristics of generation III reactors and how they differ from generation II :50:15 8[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02

9 3: Generation IV reactors Generation IV reactors are a number of different theoretical nuclear reactor designs which presently are investigated. Select and describe one of the designs. What type of fuel will be used? What is the expected energy output? How is cooling and safety handled? What about radioactive waste? 4: Fusion Select one of the fusion research reactors, for example JET, ITER or HiPER. Describe the type of fuel to be used and the nuclear reactions that will provide the energy. What are the technical solutions to handle the high temperatures involved? What is the total output/input ratio for energy? What about radioactive waste and radiation shielding? 5: Uranium as a resource Where are the resources of uranium located on earth and where is uranium mined? What are the prospected resources compared to today s usage? What are the safety regulations in place during mining? 6: Radioactive waste and transmutation One of the downsides of nuclear power is the waste that is produced and that will be toxic for thousands of years. Describe the proposed solutions for storage of radioactive waste from nuclear power plants. For how long time is it necessary to store the waste before it has reached low enough radioactivity? An alternative to storing the waste is to destroy it by transmutation. Describe the principles and proposed technical solutions, difficulties etc. of transmutation of nuclear waste. 7: Thorium as reactor fuel A possible fuel for fission reactors is to use thorium instead of uranium. Describe a current project involving thorium as a nuclear fuel. 8: Fukushima accident 2011 An earth quake and a tsunami destroyed several reactors of the Fukushima Daiichi nuclear power plant in Japan in Describe the local, and global sociopolitical effects of the accident. Kategori: medicinska tillämpningar Sista inlämningsdag: Rättande lärare: Bo Cao :50:15 9[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02

10 9: Radioactive tracers The use of tracer techniques utilizing radionuclides is based on the fact that ionizing radiation can be detected with very high sensitivity. Describe the principles of this technique and give examples of a few common applications (not only related to medicine). 10: Computed tomography Describe the principles of Computed tomography (also called CT-scanning). How does it differ from ordinary X-ray diagnostics? Advantages and disadvantages? 11: Magnetic resonance imaging Describe the principles of Magnetic Resonance Imaging (MRI). What are the differences between MRI and CT-scanning? 12: Radiation therapy with X rays and electrons The most common radiation therapy methods for tumors is X rays and electron radiation. How is the radiation produced? What are the safety regulations concerning the machines producing this radiation? Are there different methods used for different tumors? 13: Proton therapy A few years ago it was decided that a national center for proton therapy will be built in Uppsala. Another possibility was to build a light ion radiation facility at Karolinska Institutet in Stockholm. Describe the principles of proton and light-ion cancer therapy. What are the differences, advantages and disadvantages compared to radiation therapy with gamma rays? Which types of cancer are suitable for treatment by proton therapy? 14: Brachyteraphy Brachyteraphy is a commonly used radiation therapy method. Describe its principles and the most frequently used radionuclides. What are its advantages and disadvantages compared to other radiation therapy methods? 15: Gamma Cameras Gamma cameras are used in nuclear medicine to detect gamma rays. Describe how gamma cameras work and give examples of when they are used. Kategori: övriga tillämpningar Sista inlämningsdag: Rättande lärare: Walter Ikegami Andersson :50:15 10[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02

11 16: Radiometric dating Besides the dating of organic samples with 14 C, the radiometric dating technique is used for example by geologists. There are several different long-lived nuclides that can be utilized. Select a couple of them and describe how they are used and what type of objects they can date. 17: The European spallation source Sweden (Lund) has been chosen to be the host of the European spallation source (ESS). This facility will provide neutron beams which are more than 100 times more powerful than the ones existing today. Describe how the accelerators of ESS will create the neutron beams. Select and describe one or a few scientific projects that will use the facility. How are the neutron beams used as tools in the various applications? 18: Synthesis of superheavy elements The heaviest element that exists naturally on earth is uranium with 92 protons. Scientists have been able to synthesize elements with up to 118 protons. How are these nuclei made in the nuclear physics laboratory? Can they be synthesized naturally? There are predictions of an island of stability of superheavy elements in the nuclide chart. What is this island? 19: Nucleosynthesis Select one of the nuclides that exist naturally on earth and describe how it has been synthesized in the universe according to the current models of nucleosynthesis and how it may have ended up on the earth :50:15 11[11] kffn_2016_inlamningsuppgifter_v02