Thema: Atom- u. Kernphysik, Radioaktivität 1.0 Grundlagen 1.1 Beschreiben Sie den Aufbau eines Heliumatoms (Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen) und geben Sie das Nuklid in der Form A Z X an. 1.2 Wie versteht man unter der Massenzahl, was unter der Ordnungszahl, was unter der Kernladungszahl? 1.3 Was ist ein Nuklid? 1.4 Was ist ein Isotop? 1.5 Was sind Nukleonen? 1.6 Was bedeutet die Schreibweise Ra 226? 2. Nennen Sie drei Strahlenarten, die beim Kernzerfall auftreten können. Wodurch wird die jeweilige Art der Strahlung hervorgerufen? Mit welchen Mitteln kann man die jeweilige Strahlung abschirmen? Strahlung Teilchen / Art Abschirmung z.b. durch 3. Wie ändert sich die Massenzahl A und die Kernladungszahl Z jeweils bei einem,, Zerfall (Tabelle und allg. Formel) Zerfall Massenzahl A Kernladungszahl Z allg. Formel 4. Das Isotop Rn 219 (Radon) ist ein Strahler und hat eine Halbwertszeit von etwa 4 s. Erklären Sie diese Angaben. RP_A0040 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0040) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de
5.0 Der Thorium-Zerfall beginnt beim 232 90 Th ( Strahler ), setzt sich über die Elemente Radium und Actinium (jeweils Strahler ) fort und endet nach weiteren Zerfällen beim Blei. 5.1 Geben Sie die Kernreaktionsgleichungen der ersten drei Zerfallsstufen an. 5.2 Stellen Sie diese ersten drei Zerfälle in einem A-Z-Diagramm dar. Wählen Sie einen geeigneten Ausschnitt der Diagrammachsen. Beschriften Sie diese eindeutig. 5.3 Beim Zerfall entsteht unter Aussendung eines Elektrons ein neues Element. Wo kommt dieses Elektron her? Erläutern Sie mithilfe einer Kerngleichung. 5.4 Als Begleiterscheinung zu diesen Zerfallsprozessen entsteht oft auch Strahlung. Wodurch entsteht sie? 5.5 Geben Sie drei Eigenschaften der Strahlung an. Thema: Energienutzung, Energieversorgung 6.0 Ökostrom aus der Wüste - das Konzept der DESERTEC-Foundation, ist ein Vorhaben, in sonnenreichen Regionen Nordafrikas Solarthermiekraftwerke zu errichten um aus Sonnenenergie elektrische Energie zu gewinnen. Ein Teil des in den Wüstenländern erzeugten Stroms soll (über Hochspannungs-Gleichstrom- Leitungen) auch nach Europa transportiert werden. 6.1 Nennen Sie zwei Vorteile und zwei Nachteile von Solarthermiekraftwerken in Wüstenstaaten Nordafrikas. 6.2 In einer Studie wird angenommen, dass im Jahr 2050 etwa 15% des europäischen Strombedarfs aus der nordafrikanischen Region gedeckt wird. Berechnen Sie die aus der Wüste importierte elektrische Energie, wenn im Jahr 2050 der europäische Gesamtbedarf an elektrischer Energie bei ca. 3500 TWh liegt? 6.3 Es wird angenommen, die täglich nutzbare Strahlungsleistung der Sonne beträgt im Durchschnitt 300 Watt pro Quadratmeter Spiegelfläche und der Wirkungsgrad der Solaranlage liegt bei ca. 25%. Berechnen Sie die durchschnittlich benötigte Kraftwerksleistung und die Größe der gesamten Spiegelfläche, um die jährliche elektrische Energiemenge zu liefern. 6.4 Nachhaltige Energie aus erneuerbaren Energieträgern kann auch durch andere Kraftwerkstypen zur Verfügung gestellt werden. Nennen Sie vier Arten von Kraftwerken und die jeweils verwendete Primärenergie. RP_A0040 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0040) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de
Thema: Atom- u. Kernphysik, Radioaktivität 1.0 Grundlagen 1.1 Worum handelt es sich bei folgenden Angaben: 16 17 18 8O, 8O, 8O 1.2 Durch welche Maßnahmen kann der radioaktive Zerfall (die Radioaktivität) eines Radionuklids gestoppt werden? 1.3 Beantworten Sie mithilfe des Periodensystems der Elemente: Wie viel Protonen und Elektronen hat ein elektrisch neutrales Eisenatom? Welche Massenzahl hat der Kern des Eisenatoms bei 30 Neutronen? 1.4 Worin liegt der Unterschied zwischen den Atomkernen von Th 228 und Th 232? 1.5 Welche Informationen können Sie folgender Angabe entnehmen: 65 29 Cu? 1.6 Beim Zerfall von 238 92 U entsteht als Zerfallsprodukt ein Heliumkern. Geben Sie die Zerfallsgleichung an. Welche Kernladungszahl und welche Massenzahl hat das neu entstandene Element? 1.7 Was versteht man unter einem Isotop? 2.0 Am 26. April 1986 kam es im Block 4 des Kernkraftwerks Tschernobyl zum bisher schwersten Reaktorunfall in einem Atomkraftwerk. Durch die Kernschmelze und den Brand des Moderators Graphit wurde radioaktives Material in die Atmosphäre freigesetzt. Unter anderem gelangte das radioaktive Nuklid CS- 137 (Halbwertszeit 30,2 a) auch bis nach Bayern. 2.1 Geben sie die Kernreaktionsgleichung für CS- 137 ( Strahler ) an. Wie entsteht das Strahlungsteilchen? 2.2 Was geschieht im Atomkern während eines Zerfalls? 2.3 Welche Aufgabe hat der Moderator in einem Kernreaktor? 2.4 Im Juni 1986 wurde in einer Bodenprobe aus der Nähe von Ingolstadt radioaktives CS - 137 in relativ hoher Konzentration nachgewiesen. Um wie viel Prozent hat diese radioaktive Kontamination (Aktivität) im Juni 2014 gegenüber 1986 abgenommen? 2.5 Nach wie viel Jahren ist das radioaktive Cäsium auf 1% seiner ursprünglichen Menge zerfallen? RP_A0041 **** Lösungen 5 Seiten (RP_L0041) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de
Thema: Energienutzung, Energieversorgung 3.0 Das unten dargestellte Schema zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flachkollektors (Sonnenkollektor). 3.1 Erklären Sie seine Funktionsweise mit Hilfe der vorgegebenen Begriffe. Gehen Sie dabei ausführlicher auf die physikalischen Zusammenhänge bei der Erwärmung des Absorbers ein (Teilchenmodell). 3.2 An einem sonnigen Tag wirkt pro Quadratmeter Kollektorfläche eine Wärmestrahlung der Leistung 1,3 kw. Der Flachkollektor hat eine Absorberfläche von 2 1,85m. Der Wirkungsgrad des Sonnenkollektors beträgt 65%. Wie lange dauert das Erwärmen von 150 kg Wasser um 45 C (Temperaturdifferenz)? c 4,2 kj W kg C 3.3 Auch wenn an einem sonnigen Tag ständig die Sonne scheint, ändert sich die Leistungsaufnahme des Sonnenkollektors im Laufe des Tages. Geben Sie dafür eine Begründung an. 3.4 Im Jahresdurchschnitt hat die Warmwasserbereitung mit einer Solaranlage (mehrere Sonnenkollektoren) einen Wirkungsgrad von 35% bei einer durchschnittlichen Sonnenscheindauer von täglich 4 Stunden und einer stündlichen Leistungsaufnahme von 1,0 kw / m 2 Kollektorfläche. In einem Jahr konnten mit dieser Solaranlage 450 Liter Heizöl eingespart werden. Berechnen Sie die Kollektorfläche, wenn bei der Verbrennung von 1 Liter Heizöl im Heizkessel die Nutzenergie 32 MJ zur Warmwasserbereitung zur Verfügung steht. 3.5 Durch die Verbrennung des Heizöls werden je Kilowattstunde Nutzenergie im Durchschnitt 0,32 kg Kohlendioxid ( CO 2 ) erzeugt. Wie groß ist die Verringerung der Kohlendioxidemission durch den Einsatz der Solaranlage aus 3.4? 3.6 Nennen Sie drei Möglichkeiten, um Kohlendioxidemissionen zu verringern. RP_A0041 **** Lösungen 5 Seiten (RP_L0041) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de
Thema: Atom- u. Kernphysik, Radioaktivität 1.0 Grundlagen 1.1 Alpha-, Beta- und Gammastrahlen treten in ein elektrisches Feld senkrecht zu den Feldlinien ein. Zeichnen Sie die Strahlenverläufe und begründen Sie. 1.2 Alpha-, Beta- und Gammastrahlen treten in ein homogenes Magnetfeld senkrecht zu den Feldlinien ein. Zeichnen Sie die Strahlenverläufe und begründen Sie. 1.3 Was versteht man unter dem Nulleffekt? 1.4 Was versteht man unter der Halbwertszeit beim Zerfall radioaktiver Stoffe? Geben Sie entsprechende Zerfallsgesetze an. 1.5 Das Zerfallsgesetz ist ein statistisches Gesetz. Was ist darunter zu verstehen? 1.6 Das Radonisotop Rn-220 ist ein Strahler mit einer Halbwertszeit von 56 s. Geben Sie die Kernreaktionsgleichung an. Welches Nuklid entsteht dabei? 1.7 Berechnen Sie die Zeit, nach der die Anzahl der Atome eines Radonpräparats Rn-220 auf 1,0 % der ursprünglich vorhandenen Menge zerfallen sind. 2. Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktion eines Geiger-Müller-Zählrohrs. Benennen Sie die Bauteile 1 bis 5. 3. Beim Zerfall von Bismut Bi 215 entsteht Polonium Po 215. Um welche Zerfallsart handelt es sich? Formulieren Sie die Zerfallsgleichung. Woher stammt das Strahlungsteilchen? Wie entsteht es? RP_A0042 **** Lösungen 5 Seiten (RP_L0042) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de
Thema: Energienutzung, Energieversorgung 4.0 Energienutzung Grundlagen 4.1 Erklären Sie folgende Begriffe: Primärenergie, Sekundärenergie, Endenergie, Nutzenergie Geben Sie jeweils Beispiele an. 4.2 Nennen Sie Gründe, warum oft nur etwa ein Drittel der eingesetzten Primärenergie genutzt werden kann. 8 9 5. Ein Kraftwerk erzeugt jährlich aus 5 10 kg Steinkohle 1,8 10 kwh elektrische Energie. Berechnen Sie den Wirkungsgrad der Stromerzeugung. (Heizwert von Steinkohle: 29,7 MJ / kg; Es gilt: 1,0kWh 3,6MJ) 6.0 Der Sylvenstein-Stausee im Isarwinkel südlich von Lenggries (Bauzeit 1954 bis 1959) hat ein Fassungsvermögen von ca. 125 Mio Kubikmeter. Er dient der Wasserregulierung der oberen Isar, dem Hochwasserschutz, der Naherholung und er liefert elektrische Energie. 6.1 Die maximale Leistung der beiden Kraftwerksturbinen beträgt 6 MW. Sie stellen eine jährliche elektrische Energie von 20 Mio kwh zur Verfügung. Berechnen Sie die durchschnittliche Leistung des Kraftwerks während eines Jahres. 6.2 Wie viele Kubikmeter Wasser müssen bei einem Wirkungsgrad von 87% pro Sekunde durch die beiden Turbinen fließen, um die maximale Leistung zu erzielen? Die Fallhöhe wird mit 37 m angenommen. 6.3 Nennen Sie jeweils zwei Vor- und Nachteile eines Stausee-Wasserkraftwerks. RP_A0042 **** Lösungen 5 Seiten (RP_L0042) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de
Thema: Atom- u. Kernphysik, Radioaktivität 1. Aus dem Weltall treffen ständig Neutronen auf die Erde. Durch diese kosmische Neutronenstrahlung entsteht in der Erdatmosphäre aus 14 7 N das Kohlenstoffnuklid C - 14. Dabei wird ein Proton freigesetzt. C- 14 zerfällt wiederum in N- 14. Wie lauten die zugehörigen Reaktionsgleichungen? 2. Beschreiben Sie in kurzen Sätzen die C - 14 Methode zur Altersbestimmung organischen Materials. 3. Bei Ausgrabungen wurden fossile Pflanzenreste gefunden. Man stellte fest, dass die Aktivität des enthaltenen C- 14 im Vergleich mit heute lebenden Organismen um 84% abgenommen hat. Berechnen Sie das Alter des fossilen Pflanzenrests. 2 4. Bei einer Aktivitätsmessung um 16 Uhr wurden bei einem Präparat 8,4 10 Zerfälle 2 pro Sekunde gemessen. 18,5 Stunden später konnten noch 7,3 10 Zerfälle pro Sekunde ermittelt werden. Berechnen Sie die Halbwertszeit des Präparats. Um welche Substanz könnte es sich gehandelt haben? 5. Erklären Sie die Begriffe Energiedosis und Äquivalentdosis und geben Sie deren Einheiten an. 6. Welche 4 Arten der Strahlenbelastung für den Menschen gibt es? Thema: Energienutzung, Energieversorgung 7.0 Im Jahre 2014 wird der größte Teil des Stroms in Deutschland (ca. 45%) in Kohlekraftwerken produziert. Bei dieser Kohleverstromung und dem Energietransport vom Kraftwerk zu den Haushalten treten folgende Energieumwandlungen mit jeweils unterschiedlichen Wirkungsgraden auf: Energieumwandlung Wirkungsgrad Chemische Energie (Kohle) Bewegungsenergie (Generator) 40% Bewegungsenergie (Generator) Elektrische Enerige (Generator) 85% Elektrische Energie (Generator) Elektrische Energie (Haushalt) 90% Elektrische Energie (Steckdose) Licht (Energiesparlampe) 15% 7.1 Berechnen Sie den Gesamtwirkungsgrad dieser Energieumwandlungskette. 3 7.2 Wie viel Steinkohle mit einem Heizwert von 29 10 kj / kg muss ein Kohlekraftwerk verbrennen, damit eine 15 W Energiesparlampe 1 Jahr lang betrieben werden kann? RP_A0043 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0043) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de
8.0 Familie Neubauer möchte sich einen neuen Kühlschrank kaufen. Durch eigene Messungen über einen längeren Zeitraum haben sie ermittelt, dass der Kompressor des alten Kühlgeräts (185 W / 230 V) im Durchschnitt 9,5 h pro Tag in Betrieb ist. 8.1 Wie hoch ist der jährliche elektrische Energiebedarf für den alten Kühlschrank? 8.2 Ein neuer Kühlschrank (Energieeffizienzklasse A+++) hat lt. Herstellerkatalog einen jährlichen Energiebedarf von 157 kwh. Berechnen Sie die jährliche Stromkostenersparnis bei Anschaffung des neuen Modells, wenn die Kilowattstunde 28 Cent beträgt. RP_A0043 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0043) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de
Thema: Atom- u. Kernphysik, Radioaktivität 1.0 Grundlagen 1.1 Wie versteht man unter der Massenzahl, was unter der Ordnungszahl, was unter der Kernladungszahl? 1.2 Was sind Nuklide? Was sind Nukleonen? 1.3 Was sind Isotope? 1.4 Was wird durch die Aktivität angegeben? Zahl der Kernumwandlungen Zahl der Kernumwandlungen pro Zeit Zahl der Kernumwandlungen pro Masse 1.5 Was wird durch die Energiedosis angegeben? absorbierte Strahlungsenergie absorbierte Strahlungsenergie pro Zeit absorbierte Strahlungsenergie pro Masse 1.6 In welcher Einheit misst man die Aktivität? Sievert Gray Joule pro Zeit Becquerel 1.7 In welchen beiden Einheiten misst man die Energiedosis? Sv Gy J / kg Bq Bq / kg 1.8 In welchen beiden Einheiten misst man die Äquivalentdosis? Sv Gy J / kg Bq Bq / kg 2.0 Die Abschirmung von Röntgen- oder Gammastrahlung kann durch Bleiplatten erfolgen. In einem Versuch wurden mit einem Geiger-Müller-Zählrohr die Impulse eines Gammastrahlers nach dem Durchgang durch verschieden dicke Bleiplatten gemessen. Die Tabelle enthält die gemessenen Impulse pro Minute in Abhängigkeit von der Plattendicke d. d in mm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Impulse pro min 420 236 132 74 42 23 13 7 4 2.1 Stellen Sie die Tabellenwerte in einem Diagramm dar. 2.2 Die Halbwertsdicke ist die Plattenddicke, bei der die Hälfte der Gammastrahlung absorbiert wird. Bestimmen Sie mithilfe Ihres Diagramms diesen Wert. 2.3 Entnehmen Sie Ihrem Diagramm die Plattendicke, bei der 75% der Gammastrahlung absorbiert wird. RP_A0044 **** Lösungen 5 Seiten (RP_L0044) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de
2.4 Bei dem oben beschriebenen Messversuch wurde zu Beginn die Nullrate bestimmt. Was versteht man unter dem Nulleffekt und wie kommt er zustande? Nennen Sie zwei Beispiele. 2.5 Berechnen Sie die Plattendicke d, bei der 99% der Gammastrahlung absorbiert wird. Thema: Energienutzung, Energieversorgung 3.0 Für Elektrogeräte im Haushalt gibt das EU-Energielabel Auskunft über die Energieeffizienz bei der Nutzung. Die Energieeffizienzklassen reichen von A+++ (geringster Energieverbrauch) über A++, A+, A bis G (höchster Energieverbrauch). Ein alter Kühlschrank der Klasse F benötigt zum Kühlen jährlich 275 kwh. Sein Anschaffungspreis lag früher bei (umgerechnet) 300. Ein vergleichbar großer Kühlschrank der Klasse A+++ kostet heute 500 und braucht nur noch 125 kwh im Jahr (Kaufpreise sind aufgerundete Werte). 3.1 Wie hoch ist die Kostenersparnis bei einem 10-jährigen Betrieb im Vergleich der beiden Kühlgeräte aus 3.0 wenn der Preis pro Kilowattstunde mit 0,28 angenommen wird? 3.2 Zeigen Sie mithilfe eines Diagramms, wie sich die Gesamtkosten beider Kühlschränke im Verlauf von 10 Jahren entwickeln. Ermitteln Sie aus Ihrem Diagramm den Zeitpunkt, ab dem die Gesamtkosten für ein Kühlgerät der Klasse A+++ niedriger sind als für ein Kühlgerät der Klasse F. 4.0 Energieentwertung tritt bei vielen Vorgängen auf. 4.1 Was versteht man unter Energieentwertung? Was bedeutet der Begriff Wirkungsgrad? 4.2 Erläutern Sie die Energieentwertung bei einer elektrischen Bohrmaschine, deren Wirkungsgrad bei etwa 60% liegt. 4.3 Stellen Sie die Energieumwandlungen in einem Kohlekraftwerk dar (Umwandlungskette). Geben Sie auch die jeweiligen Arten der Energieentwertung an. 5.0 In den Diskussionen um die Abschaltung der deutschen Atomkraftwerke geht es unter anderem auch darum, welche Energieträger zukünftig Uran oder Plutonium und damit auch die Atomkraftwerke ersetzen könnten. 5.1 Geben Sie vier Beispiele für nachhaltige (erneuerbare und zugleich umweltfreundliche) Primär-Energieträger an und nennen Sie dazu ihre Vor- und Nachteile aus heutiger Sicht (2014). RP_A0044 **** Lösungen 5 Seiten (RP_L0044) 2 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de