Exempel på en fysikfråga om kärnan i fusionsreaktioner, atomär bindningsenergi

9 exempel på kärnfysikfrågor om fusionsreaktioner och atomär bindningsenergi

1. Observera följande kärnfusionsreaktion:
₁H² + ₁H³ → ₂He⁴ + ₀n¹ + E
Om massan ₁H² = 2,014 amu, massa ₁H³ = 3,016 amu, massan av α-partikeln = 4,0026 amu och massan av neutronen = 1,0084 amu, då är den producerade energin…. (1 amu motsvarar 931 MeV)
A. 18,62 MeV
B. 17,69 MeV
C. 16,76 MeV
D. 15,73 MeV
E. 14,89 MeV
Diskussion
Massa av reaktanter och produkter:
Reaktantmassa (m_reaktanter) = 2,014 sma + 3,016 sma = 5,03 sma
Produktens massa (m_produkt) = 4,0026 sma + 1,0084 sma = 5,011 sma
Massa som förloras under reaktionen:
Δm = m_reaktanter - m_produkt
Δm = 5,03 sma – 5,011 sma
Δm = 0,019 sma
Massaförlusten i en fusionsreaktion är 0,019 amu.
1 amu motsvarar 931 MeV energi. 0,019 amu motsvarar 0,019 x 931 MeV = 17,689 MeV = 17,69 MeV.
Det rätta svaret är B.

2. Var uppmärksam på följande kärnreaktioner!
₆C¹³ + ₁H² → ₆C¹⁴ + ₁H¹ + energi
Om kärnans massa är känd:
₆C¹³ = 13,0033 sma
₁H² = 2,0141 sma
₆C¹⁴ = 14,0030 sma
₁H¹ = 1,0078 sma
Om en massa på 1 amu motsvarar en energi på 931 MeV, då är energin som uppstår i kärnreaktionen...
A. 5.5860 MeV
B. 6.1446 MeV
C. 6.1412 MeV
D. 6.2320 MeV
E. 6.2377 MeV
Diskussion
Massa av reaktanter och produkter:
Reaktantmassa (m_reaktanter) = 13,0033 sma + 2,0141 sma = 15,0174 sma
Produktens massa (m_produkt) = 14,0030 sma + 1,0078 sma = 15,0108 sma
Massa som förloras under reaktionen:
Δm = reaktant – mprodukt
Δm = 15,0174 sma – 15,0108 sma
Δm = 0,0066 sma
Massaförlusten i kärnreaktionen är 0,0066 amu.
1 amu motsvarar 931 MeV energi. 0,0066 amu motsvarar 0,0066 x 931 MeV = 6,1446 MeV energi.
Det rätta svaret är B.

3. Var uppmärksam på följande fusionsreaktion!
Det är känt att:
Mass ₁H¹ = 1,0078 sma
Mass ₁d² = 2,01410 sma
Massa = 0,00055 amu
1 amu = 931 MeV
Värdet på E (producerad energi) i fusionsreaktionen är…

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

Diskussion

Massa av reaktanter och produkter :
Reaktantmassa (m_reaktanter) = 1,0078 sma + 1,0078 sma = 2,0156 sma
Produktens massa (m_produkt) = 2,01410 sma + 0,00055 sma = 2,01465 sma
Massa som förloras under reaktionen :
Δm = m_reaktanter - m_produkt
Δm = 2,01560 sma – 2,01465 sma
Δm = 0,00095 sma
Massaförlusten i en fusionsreaktion är 0,00095 amu.

1 sma motsvarar energi så mycket som 931 MeV. 0,00095 amu motsvarar en energi på 0,00095 x 931 MeV = 0,88445 MeV.
Det rätta svaret är B.

Sammanfattning:
Amu = atommassenhet
MeV = megaelektronvolt (energienhet).

4. Kärnmassa ₄Be⁹ = 9,0121 amu, protonmassa = 1,0078 amu och neutronmassa 1,0086 amu. Om 1 amu motsvarar en energi på 931 MeV, då är den atomära bindningsenergin ₄Be⁹ är…

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

Diskussion
En atoms massa är inte lika med den kombinerade massan av protonerna, neutronerna och elektronerna som atomen består av. När protoner, neutroner och elektroner reagerar för att bilda en atom, har den resulterande atomen en massa som är mindre än summan av alla massor av protoner, elektroner och neutroner som atomen består av. Detta beror på att en del massa går förlorad. Den förlorade massan motsvarar den energi som frigörs under atomens bildningsprocess. Omvänt krävs det energi som är lika med den energi som frigörs under atomens bildningsprocess för att bryta isär atomen tills protonerna, neutronerna och elektronerna som atomen består av är separerade från varandra. Denna mängd energi är lika med atomär bindningsenergi.

Det är känt :
Antal protoner = 4
Antal neutroner = 9 – 4 = 5
Kärnmassa ₄Be⁹ = 9,0121 sma
Protonmassa = 1,0078 amu
Neutronmassa = 1,0086 amu
1 amu motsvarar en energi på 931 MeV
Frågade Atombindningsenergi ₄Be⁹
Jawab :

Massa av protoner och neutroner :
Massa av alla protoner = 4 x 1,0078 amu = 4,0312 amu
Massa av alla neutroner = 5 x 1,0086 amu = 5,043 amu  
Massa av proton och neutron = 4,0312 amu + 5,043 amu = 9,0742 amu
Massa saknas :
Massa av protoner och neutroner – kärnans massa = 9,0742 amu – 9,0121 amu = 0,0621 amu
Frigjord energi = atomär bindningsenergi :
0,0621 amu x 931 MeV = 57,82 MeV
Det rätta svaret är B.

Beskrivning: sma = atommasseenhet, sMeV = megaelektronVolt (energienhet)

5. En uranatomkärna ₉₂U²³⁸ = 238,0508 amu. Protonmassa (m_p) = 1,0078 amu. Neutronmassa (m_n) = 1.0086 sma. (1 sma = 931 MeV) så är bindningsenergin för en uranatom ₉₂U²³⁸ är…

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

Diskussion
Det är känt :
Antal protoner = 92
Antal neutroner = 238 – 92 = 146
Kärnmassa = 238,0508 amu
Protonmassa = 1,0078 amu
Neutronmassa = 1.0086 amu
Frågade Atombindningsenergi ₄Be⁹
Jawab :
Massa av protoner och neutroner :
Massa av alla protoner = 92 x 1,0078 amu = 92,7176 amu
Massa av alla neutroner = 146 x 1,0086 amu = 147,2556 amu 
Massa av proton och neutron = 92,7176 amu + 147,2556 amu = 239,9732 sma
Massa saknas :
massan av protoner och neutroner – kärnans massa = 239,9732 amu – 238,0508 amu = 1,9224 amu
Frigjord energi = atomär bindningsenergi :
1,9224 amu x 931 MeV = 1789,75 MeV
Det rätta svaret är E.

6. Fördelarna med radioisotoper i livet inkluderar:
(1) som spårare av rörläckor
(2) som ersättning för kirurgiska instrument
(3) livsmedelskonserveringsmedel
(4) Värmer mat snabbt
Det korrekta påståendet är…
A. (1), (2) och (3)
B. (1), (2) och (4)
C. (2), (3) och (4)
D. (1) och (3)
E. (2) och (4)
Diskussion
Det rätta svaret är D.

7. Följande påståenden:
(1) strålbehandling
(2) mäta markens vattenhalt
(3) som spårämne
(4) bestämma fossilernas ålder
Användningen av radioisotoper inom hälso- och sjukvården är...
A. (1), (2), (3) och (4)
B. (1), (2) och (3)
C. (1) och (3)
D. (2) och (4)
E. (4)
Diskussion
Det rätta svaret är C.

8. Radioisotopen C-14 kan användas för….
A. att detektera sköldkörtelns funktion
B. att känna till effektiviteten av hjärtats arbete
C. dödar cancerceller
D. upptäcka förfalskning av keramik
E. att bestämma fossilernas ålder
Diskussion
Det rätta svaret är E.

9. Radioisotopen jod-131 används av människor för….
A. upptäcka sköldkörteln
B. upptäcka skelettsjukdom
C. dödar cancerceller
D. bestämma fossilernas ålder
E. inspektera material utan att skada dem
Diskussion
Det rätta svaret är A.

Frågekälla:

Nationella fysikfrågor för gymnasiet/yrkesgymnasiet