Esimerkki fysiikan kysymyksestä fuusioreaktioiden ytimestä, atomien sitoutumisenergiasta

9 esimerkkiä ydinfysiikan kysymyksistä fuusioreaktioista ja atomien sitoutumisenergiasta

1. Tarkkaile seuraavaa ydinfuusioreaktiota:
₁H² + ₁H³ → ₂He⁴ + ₀n¹ + E
Jos massa ₁H² = 2,014 amu-yksikköä, massa ₁H³ = 3,016 amu, α-hiukkasen massa = 4,0026 amu ja neutronin massa = 1,0084 amu, niin tuotettu energia on… (1 amu vastaa 931 MeV)
A. 18,62 MeV
B. 17,69 MeV
C. 16,76 MeV
D. 15,73 MeV
E. 14,89 MeV
Keskustelu
Reagoivien aineiden ja tuotteiden massa:
Reagenssin massa (m_reagenssit) = 2,014 sma + 3,016 sma = 5,03 sma
Tuotteen massa (m_produk) = 4,0026 sma + 1,0084 sma = 5,011 sma
Reaktiossa menetetty massa:
Δm = m_reagenssit - m_produk
Δm = 5,03 sma – 5,011 sma
Δm = 0,019 sma
Fuusioreaktiossa menetetty massa on 0,019 amu.
1 amu vastaa 931 MeV:n energiaa. 0,019 amu vastaa 0,019 x 931 MeV = 17,689 MeV = 17,69 MeV.
Oikea vastaus on B.

2. Kiinnitä huomiota seuraaviin ydinreaktioihin!
₆C¹³ + ₁H² → ₆C¹⁴ + ₁H¹ + energia
Jos ytimen massa tunnetaan:
₆C¹³ = 13,0033 sma
₁H² = 2,0141 sma
₆C¹⁴ = 14,0030 sma
₁H¹ = 1,0078 sma
Jos yhden amu:n massa vastaa 931 MeV:n energiaa, niin ydinreaktiossa syntyvä energia on...
A. 5.5860 MeV
B. 6.1446 MeV
C. 6.1412 MeV
D. 6.2320 MeV
E. 6.2377 MeV
Keskustelu
Reagoivien aineiden ja tuotteiden massa:
Reagenssin massa (m_reagenssit) = 13,0033 sma + 2,0141 sma = 15,0174 sma
Tuotteen massa (m_produk) = 14,0030 sma + 1,0078 sma = 15,0108 sma
Reaktiossa menetetty massa:
Δm = lähtöaine – m-tuote
Δm = 15,0174 sma – 15,0108 sma
Δm = 0,0066 sma
Ydinreaktiossa menetetty massa on 0,0066 amu.
1 amu vastaa 931 MeV energiaa. 0,0066 amu vastaa 0,0066 x 931 MeV = 6,1446 MeV energiaa.
Oikea vastaus on B.

3. Kiinnitä huomiota seuraavaan fuusioreaktioon!
Tiedetään, että:
Massa ₁H¹ = 1,0078 sma
Massa ₁d² = 2,01410 sma
Massa = 0,00055 amu
1 amu = 931 MeV
Fuusioreaktiossa tuotetun energian (E) arvo on…

A. 0,44 MeV
B. 0,88 MeV
C. 0,98 MeV
D. 1,02 MeV
E. 1,47 MeV

Keskustelu

Reagoivien aineiden ja tuotteiden massa :
Reagenssin massa (m_reagenssit) = 1,0078 sma + 1,0078 sma = 2,0156 sma
Tuotteen massa (m_produk) = 2,01410 sma + 0,00055 sma = 2,01465 sma
Reaktion aikana menetetty massa :
Δm = m_reagenssit - m_produk
Δm = 2,01560 sma – 2,01465 sma
Δm = 0,00095 sma
Fuusioreaktiossa menetetty massa on 0,00095 amu.

1 sma vastaa Energi jopa 931 MeV. 0,00095 amu-yksikköä vastaa energiaa 0,00095 x 931 MeV = 0,88445 MeV.
Oikea vastaus on B.

Tietoja:
Amu = atomimassayksikkö
MeV = megaelektronivoltti (energian yksikkö).

_{4. 4Be9-atomin} ytimen ^massa = 9,0121 amu-yksikköä, protonin massa = 1,0078 amu-yksikköä ja neutronin massa = 1,0086 amu- ^{yksikköä. Jos 1 amu vastaa 931 MeV:n energiaa, niin 4Be9} _- atomin sitoutumisenergia on…

A. 51,39 MeV
B. 57,82 MeV
C. 62,10 MeV
D. 90,12 MeV
E. 90,74 MeV

Keskustelu
Atomin massa ei ole yhtä suuri kuin atomin muodostavien protonien, neutronien ja elektronien yhteenlaskettu massa. Kun protonit, neutronit ja elektronit reagoivat muodostaen atomin, syntyvän atomin massa on pienempi kuin kaikkien atomin muodostavien protonien, elektronien ja neutronien massojen summa. Tämä johtuu siitä, että osa massasta menetetään. Menetetty massa vastaa atomin muodostumisprosessissa vapautuvaa energiaa. Kääntäen, atomin hajoaminen, kunnes atomin muodostavat protonit, neutronit ja elektronit ovat erillään toisistaan, vaatii energiaa, joka on yhtä suuri kuin atomin muodostumisprosessissa vapautunut energia. Tämä energiamäärä on yhtä suuri kuin atomin sitoutumisenergia.

Se tiedetään :
Protonien lukumäärä = 4
Neutronien lukumäärä = 9 – 4 = 5
Ydinmassa ₄Be⁹ = 9,0121 sma
Protonin massa = 1,0078 amu
Neutronin massa = 1,0086 amu
1 amu vastaa 931 MeV:n energiaa
Kysytty Atomin sitoutumisenergia ₄Be⁹
Jawab :

Protonien ja neutronien massa :
Kaikkien protonien massa = 4 x 1,0078 amu = 4,0312 amu
Kaikkien neutronien massa = 5 x 1,0086 amu = 5,043 amu  
Protonin ja neutronin massa = 4,0312 amu + 5,043 amu = 9,0742 amu
Massa puuttuu :
Protonien ja neutronien massa – ytimen massa = 9,0742 amu – 9,0121 amu = 0,0621 amu
Vapautunut energia = atomin sitoutumisenergia :
0,0621 amu x 931 MeV = 57,82 MeV
Oikea vastaus on B.

Kuvaus: sma = atomimassayksikkö, sMeV = megaelektronivoltti (energiayksikkö)

_{5. Uraani- 92U} - ²³⁸ -atomin ydin = 238,0508 amu-yksikköä. Protonin massa (mp ₎ = 1,0078 amu-yksikköä. Neutronin massa (mn _{) = 1.0086 amu-yksikköä. (1 amu = 931 MeV), niin uraani -92U} - ²³⁸ -atomin sitoutumisenergia on…

A. 9271,76 MeV
B. 2830,50 MeV
C. 2399,73 MeV
D. 1922,24 MeV
E. 1789,75 MeV

Keskustelu
Se tiedetään :
Protonien lukumäärä = 92
Neutronien lukumäärä = 238 – 92 = 146
Ytimen massa = 238,0508 amu
Protonin massa = 1,0078 amu
Neutronin massa = 1.0086 amu
Kysytty Atomin sitoutumisenergia ₄Be⁹
Jawab :
Protonien ja neutronien massa :
Kaikkien protonien massa = 92 x 1,0078 amu = 92,7176 amu
Kaikkien neutronien massa = 146 x 1,0086 amu = 147,2556 amu 
Protonin ja neutronin massa = 92,7176 amu + 147,2556 amu = 239,9732 sma
Massa puuttuu :
protonien ja neutronien massa – ytimen massa = 239,9732 amu – 238,0508 amu = 1,9224 amu
Vapautunut energia = atomin sitoutumisenergia :
1,9224 amu x 931 MeV = 1789,75 MeV
Oikea vastaus on E.

6. Radioisotooppien hyötyihin elämässä kuuluvat:
(1) putkivuotojen merkkiaineena
(2) kirurgisten instrumenttien korvikkeena
(3) elintarvikkeiden säilöntäaineet
(4) Lämmittää ruoan nopeasti
Oikea lausunto on…
A. (1), (2) ja (3)
B. (1), (2) ja (4)
C. (2), (3) ja (4)
D. (1) ja (3)
E. (2) ja (4)
Keskustelu
Oikea vastaus on D.

7. Seuraavat lausunnot:
(1) sädehoito
(2) maaperän vesipitoisuuden mittaaminen
(3) merkkiaineena
(4) määrittää fossiilien iän
Radioisotooppien käyttö terveydenhuollossa on...
A. (1), (2), (3) ja (4)
B. (1), (2) ja (3)
C. (1) ja (3)
D. (2) ja (4)
E. (4)
Keskustelu
Oikea vastaus on C.

8. Radioisotooppia C-14 voidaan käyttää….
A. kilpirauhasen toiminnan havaitseminen
B. sydämen työn tehokkuuden tunteminen
C. tappaa syöpäsoluja
D. keraamisten väärennösten havaitseminen
E. fossiilien iän määrittäminen
Keskustelu
Oikea vastaus on E.

9. Radioisotooppi jodi-131:tä ihmiset käyttävät…
A. kilpirauhasen havaitseminen
B. havaita luusairaus
C. tappaa syöpäsoluja
D. määrittää fossiilien iän
E. materiaalien tarkastaminen vahingoittamatta niitä
Keskustelu
Oikea vastaus on A.

Kysymyksen lähde:

Fysiikan kansalliset tenttikysymykset lukiolle/ammatilliseen lukioon