Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

Relevanta dokument
LÖSNING TILL TENTAMEN I STJÄRNORNA OCH VINTERGATAN, ASF010

Lösningar Heureka 2 Kapitel 14 Atomen

Vilken av dessa nivåer i väte har lägst energi?

Från atomkärnor till neutronstjärnor Christoph Bargholtz

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801) Lördag 15 december 2012,

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 3

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Hertzsprung-Russell-diagrammet Ulf Torkelsson

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

Universums tidskalor - från stjärnor till galaxer

Stjärnors död samt neutronstjärnor. Planetära nebulosan NGC (New General Catalogue) Kattöganebulosan

Stjärnors struktur och utveckling Ulf Torkelsson

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

BFL 111/ BFL 120 Fysik del B2 för Tekniskt Basår/ Bastermin

Föreläsning 2. Att uppbygga en bild av atomen. Rutherfords experiment. Linjespektra och Bohrs modell. Vågpartikel-dualism. Korrespondensprincipen

Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Preliminärt lösningsförslag till Tentamen i Modern Fysik,

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

Lösningsförslag. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Alla svar till de extra uppgifterna

Introduktion. Stjärnor bildas, producerar energi, upphör producera energi = stjärnor föds, lever och dör.

Kvantmekanik och kemisk bindning I 1KB501

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 19, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

Varifrån kommer grundämnena på jorden och i universum? Tom Lönnroth Institutionen för fysik, Åbo Akademi, Finland

Relativistisk kinematik Ulf Torkelsson. 1 Relativistisk rörelsemängd, kraft och energi

Till exempel om vi tar den första kol atomen, så har den: 6 protoner, 12 6=6 neutroner, 6 elektroner; atommassan är också 6 men masstalet är 12!

Solen och andra stjärnor 24 juli Stefan Larsson. Mer kap 3 Stjärnors egenskaper

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

2. Hur många elektroner får det plats i K, L och M skal?

Solens energi alstras genom fusionsreaktioner

12 Elektromagnetisk strålning

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

Tentamen i fysik B2 för tekniskt basår/termin VT 2014

Stjärnors spektralklasser; dubbelstjärnor Ulf Torkelsson

Upp gifter. är elektronbanans omkrets lika med en hel de Broglie-våglängd. a. Beräkna våglängden. b. Vilken energi motsvarar våglängden?

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin 12. Kärnfysik Kärnfysik 1

Från nebulosor till svarta hål stjärnors födelse, liv och död

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 5,

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

Atomens historia. Slutet av 1800-talet trodde man att man hade en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.

Utveckling mot vågbeskrivning av elektroner. En orientering

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

8. Atomfysik - flerelektronatomer

Instuderingsfrågor Atomfysik

Kärnfysik och radioaktivitet. Kapitel 41-42

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

3.7 γ strålning. Absorptionslagen

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 2

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 1

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Gull! Astrofysikk, kärnfysik, kvantmekanik og relativitetsteori i vardagen? Jonas Persson Institutt for Fysikk, NTNU

2 H (deuterium), 3 H (tritium)

Översiktskurs i astronomi Lektion 7: Solens och stjärnornas energiproduktion samt utveckling

Lösningsförslag - tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Atom- och Kärnfysik. Namn: Mentor: Datum:

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 12, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

En rundvandring i rymden

Studiematerial till kärnfysik del II. Jan Pallon 2012

Kurs: Kemi/Fysik 2 Fysikdelen Kurskod LUI103. Examinator: Anna-Carin Larsson Tentamens datum

FyU02 Fysik med didaktisk inriktning 2 - kvantfysik

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

Översiktskurs i astronomi Lektion 4: Atomer och spektra

Lösningar del II. Problem II.3 L II.3. u= u MeV = O. 2m e c2= MeV. T β +=

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk fysik för F3

Materiens Struktur. Lösningar

Tentamen Relativitetsteori , 27/7 2019

Mer om E = mc 2. Version 0.4

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin 13. Kärnfysik Föreläsning 13. Kärnfysik 2

Hur mycket betyder Higgs partikeln? MASSOR! Leif Lönnblad. Institutionen för Astronomi och teoretisk fysik Lunds Universitet. S:t Petri,

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för fysik LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I MEKANIK B För FYP100, Fysikprogrammet termin 2

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

Tentamen. TFYA35 Molekylfysik, TEN1 24 oktober 2016 kl Skrivsal: G34, G36, G37

7. Atomfysik väteatomen

Atomens uppbyggnad. Atomen består av tre elementarpartiklar: Protoner (+) Elektroner (-) Neutroner (neutral)

VARFÖR MÖRK ENERGI HAR EN ANMÄRKNINGSVÄRT LITET VÄRDE. Ahmad Sudirman

Atomens uppbyggnad. Atomen består av tre elementarpartiklar: Protoner (+) Elektroner (-) Neutroner (neutral)

WALLENBERGS FYSIKPRIS

Rörelsemängd och energi

1. 2. a. b. c a. b. c. d a. b. c. d a. b. c.

Relativistisk energi. Relativistisk energi (forts) Ekin. I bevarad energi ingår summan av kinetisk energi och massenergi. udu.

Medicinsk Neutron Vetenskap. yi1 liao2 zhong1 zi3 ke1 xue2

Stora namn inom kärnfysiken. Marie Curie radioaktivitet Lise Meitner fission Ernest Rutherford atomkärnan (Niels Bohr atommodellen)

Lösningsförslag - Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Miljöfysik. Föreläsning 5. Användningen av kärnenergi Hanteringen av avfall Radioaktivitet Dosbegrepp Strålningsmiljö Fusion

Guld. fabriker. Kosmos nya

Kvantbrunnar -Kvantiserade energier och tillstånd

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 6 Lösningar

Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

Experimentell fysik. Janne Wallenius. Reaktorfysik KTH

Transkript:

Institutionen för Fysik Göteborgs Universitet LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I FYSIK A: MODERN FYSIK MED ASTROFYSIK Tid: Lördag 3 augusti 008, kl 8 30 13 30 Plats: V Examinator: Ulf Torkelsson, tel. 031-77 3136 arbete), 031-451404 bostad), 0733-61681 mobil) Hjälpmedel: Physics Handbook, valfria matematiska och fysikaliska tabeller, godkänd räknare utan minne). Lösningarna presenteras på kurshemsidan den 5 augusti. Resultaten anslås senast den 1 september. Tentamensgranskning den 1 september kl. 11.45-1.15 i O7108B. Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och för VG 13,5 poäng. UPPSTÄLLDA SAMBAND SKALL MOTIVERAS gärna med en enkel skiss). Alla väsentliga steg i analys och beräkningar skall redovisas. 1. α Centauri är den stjärna som ligger närmast vårt solsystem. Den har en parallax på 0,74 bågsekunder. α Centauri är en dubbelstjärna med en banperiod på 80 år och halva storaxeln för dubbelstjärnan upptar 17,66 bågsekunder. a. Beräkna systemets totala massa. 1 poäng) b. Massförhållandet mellan stjärnorna är 1,3. Beräkna banperioden för en liten planet som rör sig i en cirkulär bana med radien 1 AU runt den tyngsta stjärnan. Inverkan av den andra stjärnan kan försummas. poäng) Lösning: a. Keplers tredje lag: ger oss att systemets totala massa är M a 3 = 1 P 1) M = a3 P = 17.66/0.74)3 80 =.1 M. ) 1

b. Den tyngre stjärnan har massan M 1 och den lättare stjärnan har massan M. Då kan vi skriva systemets totala massa som M = M 1 + M = M 1 + 1 1.3 M 1 =.3 1.3 M 1. 3) Banperioden för en cirkulär bana med radien a 1 kring den tyngre stjärnan kan skrivas som ) a 3 1/ P 1 = 1 = M 1 ) 1/ 1 1.3.3.1 = 0.84 år. 4). Solen får sin energi från att omvandla väte till helium enligt proton-protonkedjan. a. Skriv ner ett av de reaktionssteg i proton-proton-kedjan i vilket det bildas en gamma-foton och beräkna fotonens energi. poäng) b. Trots att energin delvis frigörs som gammastrålning i solens inre så tar vi emot energin från solen som synligt ljus. Förklara varför. 1 poäng) Lösning: a. H + 1 H 3 He + γ. 5) Fotonens energi E γ = mc = m H + m1 H m3 He) c =.01410 + 1.00785 3.016030) 931.50 = 5.49 MeV. 6) b. Solen är ogenomskinlig för gammastrålning så på väg ut från solen sprids fotonen många gånger mot elektroner och atomer i solens inre. Dessa spridningar leder till att fotonerna förlorar energi och antar spektrumet för svartkroppsstrålning. 3. Beskriv utvecklingen för en stjärna på 15 solmassor. Lösning: En huvudseriestjärna på 15 M o dot är blå och förbränner väte till helium genom CNO-cykeln. Medan vätet omvandlas till helium så drar stjärnans kärna ihop sig något och blir lite hetare, så att väteförbränningen går snabbare och snabbare. Därmed ökar stjärnans luminositet något och dess ytterradie växer något. Efter ungefär tio miljoner år tar vätet i stjärnans kärna slut, och kärnan drar då ihop sig och blir hetare. Samtidigt fortsätter väteförbränningen i ett skal som omger kärnan. Under denna fas växer stjärnans ytterradie kraftigt och den utvecklas till en röd överjätte. Utvecklingen åt höger i Hertzsprung-Russell-diagrammet slutar när densiteten och temperaturen i

kärnan har blivit så höga att heliumförbränningen startar i kärnan. Sedan fortsätter utvecklingen i flera steg till genom kolförbränning, syreförbränning, kiselförbränning och så vidare. Varje ny typ av förbränning startar först i kärnan men fortsätter sedan i ett skal som omger kärnan. Detta fortsätter tills att det bildas järn i kärnan. Det går inte att uutvinna energi ur fusion av järnkärnor, så därefter kollapsar stjärnans kärna. När dess densitet överstiger en atomkärnas densitet så bromsas kollapsen upp och vänds i en chockvåg som rör sig utåt genom stjärnan. När chockvågen når fram till stjärnans yta så sprängs stjärnan i en supernova. Den mesta energin från supernovan avges som neutriner vilka bildas i den kollapsande kärnan då protoner och elektroner smälter samman till neutroner. Efter supernovaexplosionen finns det kvar en neutronstjärna eller ett svart hål. 4. En silveryta belyses med ljuset från en kvicksilverlampa. Kvicksilver avger ljus vid våglängderna 54, 365, 436 och 546 nm. a. Utträdesarbetet från silver är 3.81 ev. Vilka av kvicksilvers våglängder kan frigöra elektroner från silverytan? b. Vilken är den högsta kinetiska energin som en frigjord elektron kan ha? c. Vad händer med antalet frigjorda elektroner och deras kinetiska energier om man fördubblar intensiteten från kvicksilverlampan? Lösning: a. Fotonens energi är E = hc λ. 7) För λ = 54 nm är E = 4.88 ev, och för λ = 365 nm är E = 3.40 ev. Alltså är det bara ljus av våglängden 54 nm som kan frigöra elektroner från silverytan. b. Den kinetiska energin ges av 1 mv = E W ut = 4.88 3.81 = 1.07 ev. 8) c. Antalet frigjorda elektroner fördubblas men deras kinetiska energi förblir densamma. 5. Vi stänger in tre elektroner i en en-dimensionell lådpotential { 0 x < a V x) = x > a 3

där a är lådans längd. a. Beräkna de tre lägsta energinivåerna för detta system. poäng). b. Beräkna de våglängder som kan sändas ut vid övergångar mellan dessa nivåer. 1 poäng) Lösning: a Varje elektron har en energi som bestäms av dess kvanttal n E = n π h ma = n h 8ma. 9) Enligt Paulis uteslutningsprincip kan bara två elektroner ha samma kvanttal n, i vilket fall de har motriktade spinn. De tre lägsta energinivåerna är därför h E 11 = 8ma 1 + 1 + ) = 3 4 ma 10) E 1 = h 8ma 1 + + ) = 9 8 ma 11) E 113 = h 8ma 1 + 1 + 3 ) = 11 h 8 ma 1) b. När systemet övergår från tillståndet 1 till 11 utsänds en foton med våglängden λ 1 vilken ges av hc 9 = E 1 E 11 = λ 1 8 3 ) h 4 ma = 3 h 8 ma. 13) Våglängden är alltså λ 1 = 8 ma c 3 h. 14) På samma sätt får vi att vid vergången från 113 till 11 utsänds en foton med våglängden 4 ma c 5 h, 15) och vid övergången från 113 till 1 våglängden h h λ 3 = 4 ma c h. 16) 6. a. Beskriv α-, β- och γ-sönderfall för en atomkärna. b: Nyligen har man studerat sönderfallet för en Ni 48 -kärna. Beskriv sammansättningen för en Ni 48 -kärna. c. Ni 48 sönderfaller genom att emittera två protoner. Vad blir kvar efteråt? 4

a. Vid α-sönderfall sänder en tyngre atomkärna ut en alfapartikeln, det vill säga en 4 He-kärna. På så sätt gör den sig av med två protoner och två neutroner. β-sönderfallet är en svag reaktion, vid vilken en elektron eller en positron sänds ut eller absorberas från en atomkärna. På så sätt kan en proton omvandlas till en neutron eller tvärtom genom någon av reaktionerna n p + e + ν e 17) p n + e + + ν e 18) p + e n + ν e 19) Vid γ-sönderfall går en atomkärna från ett exciterat tillstånd till ett lägre exciterat tillstånd eller dess grundtillstånd genom att sända ut överskottsenergin som en foton. Vid γ-sönderfallet förändras inte antalet protoner och neutroner. b. 48 Ni består av 8 protoner ochh 0 neutroner. c. 48 Ni 46 Ni + p. 0) 5