Lösningar - Rätt val anges med fet stil i förekommande fall (obs att svaren på essäfrågorna inte är uttömmande).



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

1.5 Våg partikeldualism

4-1 Hur lyder Schrödingerekvationen för en partikel som rör sig i det tredimensionella

Instuderingsfrågor, Griffiths kapitel 4 7

Kärnfysik och radioaktivitet. Kapitel 41-42

Standardmodellen. Figur: HANDS-ON-CERN

Higgsbosonens existens

Väteatomen. Matti Hotokka

Edwin Hubbles stora upptäckt 1929

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.

En resa från Demokritos ( f.kr) till atombomben 1945

LHC Vad händer? Christophe Clément. Elementarpartikelfysik Stockholms universitet. Fysikdagarna i Karlstad,

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

Fysik TFYA86. Föreläsning 11/11

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 1

Småsaker ska man inte bry sig om, eller vad tycker du? av: Sofie Nilsson 1

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

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

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

1. Beskriv Newtons tre rörelselagar. Förklara vad de innebär, och ge exempel! Svar: I essäform, huvudpunkterna i rörelselagarna.

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

KEMA00. Magnus Ullner. Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium kan laddas ner från

Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

Kurs PM, Modern Fysik, SH1011

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 19, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

Atom- och kärnfysik! Sid i fysikboken

Lösningar Heureka 2 Kapitel 14 Atomen

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Kosmologi. Ulf Torkelsson Teoretisk fysik CTH/GU

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 16 december 2015, kl 17:00-22:00

Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

Instuderingsfrågor Atomfysik

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

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 21 december 2016, kl 17:00-22:00

Två typer av strålning. Vad är strålning. Två typer av strålning. James Clerk Maxwell. Två typer av vågrörelse

Solens energi alstras genom fusionsreaktioner

14. Elektriska fält (sähkökenttä)

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

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

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

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Prov (b) Hur stor är kraften som verkar på en elektron mellan plattorna? [1/0/0]

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Kärnenergi. Kärnkraft

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

Utveckling mot vågbeskrivning av elektroner. En orientering

Medicinsk Neutron Vetenskap. yi1 liao2 zhong1 zi3 ke1 xue2

Hur mycket betyder Higgspartikeln? MASSOR!

s 1 och s 2 är icke kvantmekaniska partiklar? e. (1p) Vad blir sannolikheterna i uppgifterna b, c och d om vinkeln = /2?

ATOM OCH KÄRNFYSIK. Masstal - anger antal protoner och neutroner i atomkärnan. Atomnummer - anger hur många protoner det är i atomkärnan.

Universums tidskalor - från stjärnor till galaxer

Andra föreläsningen kapitel 7. Patrik Lundström

Dugga i FUF040 Kvantfysik för F3/Kf3

Kapitel 7. Atomstruktur och periodicitet

Tentamen i Fysik för π,

Atom- och Kärnfysik. Namn: Mentor: Datum:

Kapitel 7. Atomstruktur och periodicitet. Kvantmekanik Aufbau Periodiska systemet

Preliminärt lösningsförslag till Tentamen i Modern Fysik,

Universums uppkomst: Big Bang teorin

SUBATOMÄR FYSIK F3, 2004

Higgspartikeln. och materiens minsta beståndsdelar. Johan Rathsman Teoretisk Partikelfysik Lunds Universitet. NMT-dagar i Lund

Miniräknare, formelsamling

Kaströrelse. 3,3 m. 1,1 m

Kommer sig osäkerheten av att vår beskrivning av naturen är ofullständig, eller av att den fysiska verkligheten är genuint obestämd?

Astronomi. Vetenskapen om himlakropparna och universum

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

attraktiv repellerande

Tentamen i Materia, 7,5 hp, CBGAM0

Förslag: En laddad partikel i ett magnetfält påverkas av kraften F = qvb, dvs B = F qv = 0.31 T.

Christian Hansen CERN BE-ABP

Vågfysik. Ljus: våg- och partikelbeteende

Föreläsningsserien k&p

Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: KBAST16h KBASX16h. TentamensKod: Tentamensdatum: Tid: 09:00 13:00

Partikelfysik och det Tidiga Universum. Jens Fjelstad

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

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

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!

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

Tentamen: Baskurs B i Fysik, del1, 4p kl

VARFÖR MÖRK ENERGI HAR EN ANMÄRKNINGSVÄRT LITET VÄRDE. Ahmad Sudirman

7. Radioaktivitet. 7.1 Sönderfall och halveringstid

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

LHC Att Studera Universums Minsta Beståndsdelar i Världens största Experiment

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Introduktion till partikelfysik. CERN Kerstin Jon-And Stockholms universitet

Vilken av dessa nivåer i väte har lägst energi?

Big bang Ulf Torkelsson. 1 Enkla observationer om universums kosmologiska egenskaper

Experimentell fysik. Janne Wallenius. Reaktorfysik KTH

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

LUNDS KOMMUN POLHEMSKOLAN

Kärnenergi. Kärnkraft

Lokal pedagogisk plan

Tentamen Relativitetsteori , 27/7 2019

Tomrummet Partikelfysik 2008 av Josef Kemény

2 H (deuterium), 3 H (tritium)

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

TENTAMEN. Institution: Fysik och Elektroteknik. Examinator: Pieter Kuiper. Datum: 7maj2016. Tid: 5timmar Plats: Kurskod: 1FY803

Atomen - Periodiska systemet. Kap 3 Att ordna materian

Transkript:

STOCKHOLMS UNIVERSITET FYSIKUM Tentamensskrivning i Materiens Minsta Byggstenar, 5p. Lördag den 15 juli, kl. 9.00 14.00 Lösningar - Rätt val anges med fet stil i förekommande fall (obs att svaren på essäfrågorna inte är uttömmande). Flervalsfrågor. För varje fråga är endast ett svar det korrekta. Ringa in det korrekta svaret (i ett par fall dock ges svaret på annan form). Varje fråga kan ge ett poäng. 1. Vilket viktigt fysikaliskt fenomen kunde klassisk fysik inte förklara: a) gravitation b) magnetism c) termisk expansion d) atomens stabilitet e) existensen av radiovågor 2. Hur många partikelfamiljer finns det i Standardteorin? a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 3. Vilket av dessa påståenden är korrekt (och förenligt med kvantmekaniken)? a) fysiken är inte deterministisk b) den klassiska fysiken är felaktig c) kvantmekaniken kan bara säga något om experiment som upprepas många gånger d) kvantmekaniken delar upp världen i system och observatörer e) ett bundet tillstånd och dess övergång till ett annat bundet tillstånd beskrivs av en sannolikhetsfunktion 4. Varför kollapsar inte atomerna? (Detta med tanke på att kärnan är positiv och elektronen är negativ och att dessa attraherar varandra). a) atomkärnan innehåller även de neutrala neutronerna som späder ut den positiva laddningen b) elektronerna kretsar runt kärnan med mycket hög hastighet c) det finns ett s.k. grundtillstånd där elektronen har sin lägsta energi d) nukleonerna och elektronerna är alla fermioner och dessa kan inte blandas e) på ytterst nära håll blir gravitationskraften mellan elektronerna och protonerna repulsiv

5. Partikelgrupperna som listas nedan karakteriserar partiklarna på olika sätt. Grupperna kan ange partiklar som också har inre beståndsdelar (dvs vara sammansatta av andra elementarpartiklar). En grupp anger dock en icke sammansatt grupp partiklar vilken? a) leptoner b) fermioner c) baryoner d) hadroner e) mesoner 6. Vi bor i ett universum som växer (expanderar) vilket medför att (med nuvarande expansionstakt) alla avstånd ökar med en faktor 2 under en tidsrymd av a) 10 miljoner år b) 100 miljoner år c) 1 miljard år d) 10 miljarder år e) 100 miljarder år 7. Mot varje kontinuerlig symmetrioperation som lämnar de fysikaliska lagarna oförändrade svarar en konserveringslag (Noethers teorem). Ringa in rätt alternativt i samtliga fall nedan. symmetri under rums(läges)förflyttning (bevarad storhet är: energi, rörelsemängd, symmetri under rotation (bevarad storhet är: energi, rörelsemängd, symmetri under tidsförflyttning (bevarad storhet är: energi, rörelsemängd, 8. Nästan alla atomer som vi är uppbyggda av har skapats a) vid Big Bang b) i stjärnorna c) genom radioaktiva processer i jorden d) genom kollisioner mellan vätgasmoln i rymden e) på annat sätt 9. Det finns bara ett nej bland dessa frågor a) Är ljusår ett längdmått? b) Är mol ett mängdmått? c) Ökar fotonens (ljuskvantats) energi om dess våglängd minskar? d) Är positronen en antipartikel? e) Är Bohrs atommodell i konflikt med kvantmekaniken?

10. Täta (mörka) molekylmoln i rymden innehåller ca 10 4 molekyler per kubikcentimeter (cm -3 ). Antag att ett sådant moln har en volym som svarar mot en kub med kantlinjen 1,3 ljusår (1 ljusår är den vägsträcka ljuset med farten 300 000 km/s tillryggalägger under tidsrymden 1 år (dvs drygt 30 miljoner sekunder). Vad väger hela molnet om varje molekyl i medeltal väger, säg 3 nukleonmassor. 1 nukleon väger ca 1,6 10-27 kg? Låt oss ange svaret i jordmassor (jorden väger 6 10 26 kg). a) 10 jordmassor b) 100 jordmassor c) 1000 jordmassor d) 10000 jordmassor e) 100000 jordmassor (= [1,3 300 000 1000 30 10 6 100] 3 10 4 3 1,6 10-27 / 6 10 26 = 128 000). 11. Nämn två metoder för att bestämma atomernas storlek (1 p): 1. Röntgendiffraktion. 2. Scanning tunneling microscope (ung. scanning-tunnelelektronmikroskop) och atomic force microscope (atomkraftsmikroskop). Ifrån detta bestäms Avogadros konstant som säger att en mol av materia ( = mängden materia i A gram av ett ämne med atomvikten A) innehåller (1p): a) 2 10 19 atomer b) 6 10 23 atomer c) 6 10 26 atomer 12. a) Ungefär hur stor är en atom i diameter uttryckt i meter? 10-10 m. b) Hur många gånger mindre är en atomkärna jämfört med en atom? 10000 ggr. 13. Vilken typ av elektrisk laddning har antiprotonen? + eller (ringa in rätt svar). Vilken typ av elektrisk laddning har positronen? + eller (ringa in rätt svar). Essäfrågor. Svara kortfattat på följande frågor. Använd ett blad per fråga så underlättar det rättningen. Varje fråga kan ge maximalt 4 poäng. 14. Med hjälp av ett Scanning tunneling microscope kan man studera plana ytor på atomär nivå (enskilda atomers lägen kan registreras). Vilken princip ligger bakom? Och hur går det till i praktiken? (elektronerna tunnlar över (en kvantmekanisk effekt som beror på egenskaperna hos elektronens vågfunktion) mellan metallytan som studeras och en fin spets. Se vidare föreläsning 3).

15. Beskriv, redogör för några experimentella bevis för existensen av mörk materia. (Superdatorberäkningar av galaxfördelningar, rotationskurvor för galaxer, avböjning av ljuset från galaxhopar (gravitationslinser), se vidare föreläsning 4). 16. Elektronerna i en atom karakteriseras av 4 kvanttal n, l, m l och m s, där n=1,2,3, anger ett allt större medelavstånd till atomkärnan. Värdet på l anger rotationsriktningen (och formen) på elektronens bana runt atomkärnan och kan anta värdena 0, 1, 2, (n-1). Värdet på m l anger elektronbanans lutning i förhållande till en given riktning och kan anta värdena 0, ±1, ±2 till ±l. m s slutligen anger åt vilket håll elektronen spinner dvs i höger eller vänstervarv med avseende på en viss riktning och antar värdena +½ eller -½. Ange de lägsta möjliga kvanttalen n, l, m l och m s, för de 10 elektronerna runt en atomkärna med 10 protoner (neon) under förutsättning att ingen elektron kan ha exakt samma uppsättning kvanttal (detta villkor brukar gå under benämningen Paulis uteslutningsprincip). (Då n=1 har vi l=0, m l =0 och två olika spinriktningar dessa två elektroner säges fylla det inre skalet i atomen. Då n=2 har vi dels l=0 som tidigare, dels l=1 med m l =0,1,-1 vardera tillståndet med två oberoende spinriktningar, dvs 2 + 6 = 8 elektroner som säges fylla det andra skalet i atomen). 17. Radon utgör ett allvarligt folkhälsoproblem. Halveringstiden för den vanligast förekommande radonisotopen ( 222 Rn) är 3,8 dagar. Hur kan en så kortlivad isotop förekomma i naturen? Du skall redogöra för vilka processer i naturen som gör att radon bildas samt hur det sönderfaller. Varför är radon farligt? (Sönderfallskedjan startar med 238 U som har en halveringstid jämförbar med jordens ålder, vilket garanterar att förådet med Rn hela tiden fylls på. Radon sönderfaller genom alfapartikelsönderfall en strålning med mycket liten genomträngningsförmåga. Radon är dock en gas som kan anrikas i luften och den vägen komma ner i lungblåsorna och där förorsaka skada. Se även föreläsning 6). 18. Beskriv ljus ur alla de aspekter du kan komma på (vad är det, hur skapas det, hur beskrivs det)? (Man bör nämna att det är en elektromagnetisk strålning och beskriv av elektriska och magnetiska fält som ändrar amplitud med en viss frekvens (f) som i sin tur ger den e.m. strålningen en viss våglängd (l). Sambanden E=hf och c = f l. Skapas vid elektronövergångar i atomerna. Föreläsning 1 och 8). 19. Kometer är kalla isbollar som kommer från platser långt utanför vårt eget solsystem. 1996 observerade man överraskande nog röntgenstrålning från kometer. Hur och varför skickar kometer ut röntgenstrålning? (Se föreläsning 7). 20. Hur mycket energi uttryckt i J (joule) frigörs när 1 mikrogram antimateria förenar sig med samma mängd materia. (E = m c 2 = 2 10-9 (3 10 8 ) 2 = 1,8 10 8 Nm = 180 MJ. 21. I nedanstående dimkammare har två gammakvanta växelverkat med en tunn blyplatta i kammaren. Ange noga riktningen (rita) hos de två fotonerna och ange vilka partiklar som har bildats i processen och markera deras banor. Kammaren har omgivits av ett (starkt) magnetfält. Hur kan vi se det och vilken huvudsaklig riktning har magnetfältet haft? (De neutrala fotonerna ser vi inte men vi kan rekonstruera deras riktning (prickade linjer) utifrån elektron-positronparen (impulsen skall bevaras till storlek och riktning). Magnetfältet är riktat vinkelrät mot papperets plan (de laddade partiklarna rör sig i cirkelbanor ungefär i bildens plan). Om magnetfältet är riktat

från iakttagaren mot pappret böjer de positiva positronerna åt vänster (röda) och de negativa elektronerna åt höger (gula) i bilden (se vidare föreläsning 9).