Fachhochschule Hannover Radioökologie und Strahlenschutz Fachbereich Maschinenbau SS13 Zeit: 90 min. Name:...Vorname:...Mtrl. Nr:...

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Viktor Bieber
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1 Fachhochschule Hannover Radioökologie und Strahlenschutz Fachbereich Maschinenbau SS13 Zeit: 90 min Prof. Dr. U. J. Schrewe Hilfsmittel: diverse nlagen Name:...Vorname:...Mtrl. Nr:... 1a. Beschreiben Sie (vereinfacht) den tomaufbau auf Basis des Bohrschen tommodells. b. Was sind Elektronenschalen, wie werden sie bezeichnet? c. Wie viele Elektronen können die verschiedenen Elektronenschalen aufnehmen?. Milikan verwendete in seinem historischen Experiment zur Bestimmung der elektrischen Elementarladung Öltröpfchen mit Radien von ca. µm, die mit einer einzigen Elementarladung versehen, durch ein elektrisches Feld angehoben werden konnten (das gleiche Prinzip dient in einem industriellen Elektrofiltern zur bscheidung von Stäuben). a. Betrachten Sie ein Tröpfchen aus Ölsäure der Dichte 0,9 g cm 3 und der Molmasse 8 g mol. Wie viele Ölsäuremoleküle enthält das Tröpfchen? Volumen des Öltröpfchens Masse des Öltröpfchens: nzahl der Mole: nzahl der Moleküle: V R 33,51 m 3, cm m V 0,9 g cm 3, cm 3, g 1 m 3,016 0 g n, g mol Mol 3 mol N n N, mol 6,014179) 10 mol 10 N 6, b. Welche Spannung muss an einen Plattenkondensator gelegt werden, um ein mit einer Elementarladung geladenes µm großes Öltröpfchen im elektrischen Feld eines Kondensators (Plattenabstand 1 mm) zum Schweben zu bringen? Coulombkraft = uftriebskraft: q E m g Homogener Plattenkondensator: E U / d Lösung: mg d U e 1 3, g 9,81ms mm U 9 1, s 4 3 3, 0160 kg 9,81ms 0 m U 9 1, s kg m W U V 3 s Seite 1 Klausur SS13 RSV

3. Skizzieren Sie die spektrale Intensität di/d eines schwarzen Körpers als Funktion der Wellenlänge für verschiedene

Was versteht man unter "Photoeffekt" des Lichtes? Erklären Sie die Einsteinschen Deutung des Photoeffekts? 6.

2 3. Skizzieren Sie die spektrale Intensität di/d eines schwarzen Körpers als Funktion der Wellenlänge für verschiedene Temperaturen. 4. Beschreiben Sie das Strahlungsspektrum einer Wasserstoffgasentladungsröhre? 5. Was versteht man unter "Photoeffekt" des Lichtes? Erklären Sie die Einsteinschen Deutung des Photoeffekts? 6. Ordnen Sie die folgenden elektromagnetischen Strahlungsarten nach aufsteigender Energie (es reicht, die Kurzbezeichnung zu verwenden). Radarstrahlung (R), Röntgenstrahlung(XR), IR-Strahlung (IR), UV-Strahlung (UV), sichtbares Licht (SL), -Strahlung aus radioaktivem Zerfall (Gamma), Radiostrahlung (UKW). UKW < R < IR < SL < UV < XR < Gamma 7. Skizzieren Sie das Energieniveauschema des Elektrons in einem neutralen Wasserstoffatom? Seite Klausur SS13 RSV

3 8. Röntgenstrahlung besitzt Energien von ca. 5 kev bis 400 kev. Welchem Wellenlängenbereich entspricht dieser Energiebereich? Für E 5keV gilt: Ergebnis für E 5keV gilt: Ergebnis für E 400keV gilt: 9. Erklären Sie die Begriffe: Isotope, Isobare, Isotone. hc E h hc 6, Js m s 3 E 50 ev 34 hc 6, Js m s 3 9 E 50, sv hc 9 Js m 9 J m,4810, E Vs W s hc 9 0,4810 m 0,5 nm E hc 3,099 0 m 3,1 pm E Welche Umwandlungsreaktionen beschreiben den -, - -, + - und den EC-Zerfall (ECelectron capture). Welche Bedingung muss für die Zerfallsenergie gelten, damit ein EC- Zerfall bzw. ein ß + -Zerfall möglich ist? -Zerfall: E1 E He Q 4 4 Z N Z N -Zerfall: Z E1N Z E3N e Q -Zerfall: Z E1N Z E4N e Q EC Zerfall: E1 e E4 Q Z N Z N EC Es muss gelten: Q Q 10keV 11. Erklären Sie die Begriffe: "Spontanspaltung", "neutroneninduzierte Spaltung" und "Spaltbarriere"? 1. Wie ist die Bindungsenergie B(Z,) eines toms definiert? EC H n B( Z, ) Z m Z m m Z, c 13. Wie ist der Masssenexzess (Mass Excess) m (Z,)c definiert? In welcher Einheit wird m (Z,)c üblicherweise in Massentabellen angegeben? m (, ) (, ) Z c m Z u c Einheit: 1 kev 14. Beschreiben Sie die Zerfallseigenschaften des 65 Zn anhand seines Zerfallsschemas (siehe dazu nhang 1). Welche Energie hat die -Strahlung mit der höchsten Intensität? 15. Welche (exakte) Masse hat ein neutrales 65 Zn tom, wenn der Massenexzesswert Seite 3 Klausur SS13 RSV

4 65 m ( ) 65911,599 Zn c kev beträgt? Geben Sie die Masse sowohl in der Einheit 1 kg als auch in der Einheit 1 ev/c an. 65 m 30,65 m Zn 65911,599 kev / c Masseness des 65 Zn Ergebnis: Mit und folgt: u 931, MeV / c m m m u 65 ( Zn) (30,65) (30,65) 65 m( Zn) m(30,65) 60481, 01 MeV / c 65 1 ev, c ms m( Zn) m(30,65), kg 16a. Stellen Sie die Kernreaktionsgleichung auf, die die Erzeugung des 65 Zn durch Bestrahlung des Elements Cu mit energiereichen 1 H + -Ionen beschreibt. C Cu H Zn n b. Wie groß ist die Reaktionsenergie? ( 63 ) 65579, m Cu c kev, m ( ) 6763,661 Cu c kev (9,65) (1,1) (30,65) (0,1) Q m m m m c Q 6763, , , ,3171 kev Q 134keV c. Ist die Reaktion endotherm oder exotherm? Die Reaktion ist endotherm Wie dick muss eine Betonabschirmung (Dichte,3g cm ) sein, um die -Strahlung (höchster Intensität) des 65 Zn auf 1/1000 der usgangsintensität schwächen zu können. Bestimmung von Massenschwächungskoeffizient: Dichte: E / Mev mü/rho ln E ln(mü/rho) cm g-1 1,000 6,495E-0 0, , ,50 5,807E-0 0,314 -, ,115 6,150E-0 0, , , 0615cm g,3g cm 3 Schwächungskoeffizient: 0,0615 cm g,3 g cm 0,14145 cm Schwächungsgesetz: I x 1 e I Es folgt: ln(1000) 6,9077 x 0,14145 cm 48,8 cm 3 Seite 4 Klausur SS13 RSV

5 18. Im Strukturmaterial eines Teilchenbeschleunigers wird eine radioaktive 65 Zn Kontamination gemessen, die eine mittlere spezifische ktivität von 5700 Bq/kg aufweist. Nach Strahlenschutzverordnung darf man das Material nur dann ohne weitere Einschränkungen entsorgen, wenn die mittlere spezifische ktivität einen Wert von 0,5 Bq/g unterschreitet. Wie lange dauert es, bis nach bschalten der nlage dieser Wert erreicht wird? Halbwertszeit laut Zerfallsschema: 7 T d s s 1/ 44, 6 44, , auf t ( 1) abgenommen hat. Gesucht ist die Zeit t 1, in der die ktivität von 0 usgangsaktivität: Bq / kg 5,7 Bq / g Endaktivität: ( t1) 0,5 Bq / g Es gilt: ( t ) e 1 0 ln t1 T1/ T 1/ 0 Für t 1 folgt: t1 ln 857,59 d,35 a ln t ( 1) 19. In einem Versuch wurde die Schwächung von -Strahlung des 137 Cs der Energie E 66keV (137 3 Cs) in luminium (Dichte,699 g cm ) untersucht. Ohne bsorber wurden 1378 Ereignisse in 10 s gemessen. Bestimmen Sie a. den Schwächungskoeffizienten µ, bsorberdicke E = 661,6 kev x / cm N / 10 s Schwächungskoeffizient : ln(36) ln(563) 0,171cm (10 5) cm b. den Massenschwächungskoeffizienten Massenschwächungskoeffizient: c. den Wirkungsquerschnitt. Wirkungsquerschnitt: 0,171cm 0, cm g 3,699 g cm rel 6,98 g mol 0, 06343cm g 3 N 6,0 0 mol 4,84 0 cm,84 b 0. Welche ktivität besitzt ein Sack mit 50 kg Kalidünger der Sorte Kali 60% (die K O zu 60% enthält). Der 50 kg Sack Kalidünger soll zu 60% aus K O bestehen, also beträgt die K O Masse 30 kg. Die Massenanteil des Kaliums beträgt: r K 39,0983 0,830 K r O 39, ,994 r Gesamtmasse Kalium: m( K) 0, kg 4,91kg Seite 5 Klausur SS13 RSV

6 Gesamtmasse 40 K: Zahl der 40 K tome: ktivität: 40 m( K) 0, ,91kg,914 g,914 g N( K) N 4, g ln N N T 40 1/ ln 4,4 0 7, , , s 755kBq s 5 Dichte luminium: l,669 g cm Dichte Blei: vogadro Zahl: Pb 11,3 g cm N 3 3, rel. tommasse luminium:, rel. tommasse Blei: 3 6, g mol, 34 Plancksches Wirkungsquantum: h 6, Js 9 Elektrische Elementarladung: e, C rel,l 6,981 Seite 6 Klausur SS13 RSV 1 rel, Pb 07, g mol, g mol 1

7 nlage 1: Zerfallsschemata des 65 Zn nlage 3 Mass attenuation coefficient / Massenschwächungskoeffizient E MeV 1,000E-0 1,500E-0,000E-0 3,000E-0 4,000E-0 5,000E-0 6,000E-0 8,000E-0 1,000E-01 1,500E-01,000E-01 3,000E-01 4,000E-01 5,000E-01 6,000E-01 8,000E-01 1,000E+00 1,50E+00 1,500E+00,000E+00 3,000E+00 4,000E+00 5,000E+00 6,000E+00 8,000E+00 1,000E+01 1,500E+01,000E+01 / cm/g,045e+01 6,351E+00,806E+00 9,601E-01 5,058E-01 3,41E-01,660E-01,014E-01 1,738E-01 1,436E-01 1,8E-01 1,097E-01 9,783E-0 8,915E-0 8,36E-0 7,7E-0 6,495E-0 5,807E-0 5,88E-0 4,557E-0 3,701E-0 3,17E-0,908E-0,697E-0,43E-0,78E-0,096E-0,030E-0 Dichte: Concrete g cm 3,3 ; Quelle: Seite 7 Klausur SS13 RSV

8 N = N = n ,3171 n 0 H 1 788, , , , , , # H 1 He 14931, , , , , , , ,03 He Li # 533, , , , , , , , # Li 3 Be # 18374, , , , , , , , , # 57678# Be 4 B # 7868,346 91, , , , , , , , , ,816 B 5 C , , , , , , , , ,83 496,178 C 6 N , , , , , , , , , ,19 N 7 O , , , , , , ,5 3334, ,46 O 8 F # 16775, , , , ,386-17,404-47,551 F 9 Mass ess values in kev Mass ess = m c = (m (Z, ) - *u)*c in kev Ne , , , , , , ,715 Ne 10 N = , , , , , ,85358 Na , , , , , ,567 Mg 1 N = # 18183# 6769,57-56, ,17 l 13 u = 1, kg # 377# 10754, , ,63 Si 14 B 5 53# 59364# u c = 931, MeV # 1887# 10973# -717,03 P 15 C 6 340, , # 5381# # 17543# 4073,03 S 16 N ,11 551, , # 47543# 56504# # 13143# Cl 17 O 8 806, , , ,4 744# 35713# 44954# 53850# # r 18 F 9 793, , ,57 117, ,77 496,86 336# 4096# 48903# 5689# N = Ne , ,51-108,075 49, , , , , # 3778# 45997# 5311# 5 N = Na , , , , ,47 665, , , , , # 3958# 47953# Na 11 Mg , , , , , ,67-317,38-954, , , # 144# 949# Mg 1 l , , , ,3-1587, , , ,377-93, , , , ,594 l 13 Si , , , ,98-949, , , , , , , ,74 198,05 Si 14 P , ,66-000, , , , , ,74-050, , ,8-1873, ,838 P 15 S , , , , , , , , , , ,45-866, ,105 S 16 Cl # -7067, , , , ,54-951, , , , , , ,99 Cl 17 r # -00, , , , , , , , , , , ,808 r 18 K # 6763# -1481# ,9-1746, , , , , , , , ,606 K 19 Ca # 460# -6439, ,76-059, -774, , , , , , ,95 Ca 0 Sc # 841# -4937# ,01-053,8-864,39-311, , , , ,115 Sc 1 Ti 9101# 1500# -8850, # -511,55-931, , , ,4-4493,394 Ti V # -05# -8169# -1804# -4116, , , , ,385 V 3 N = N = nlage 4: Mass Excess Table: G. udi,.h. Wapstra and C. Thibault, Seite 8 Klausur SS13 RSV

9 Seite 9 Klausur SS10 RSV

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