Soveltavat tehtävät (451–464)

451. U-235:n hajoaminen

UraanimalmiaUraani-235-isotooppi hajoaa kahdeksi keskiraskaaksi isotoopiksi: Cs-143 ja Rb-90. Kirjoita reaktioyhtälö ja laske reaktiossa vapautuva energia.

Voit käyttää tuntemattomien isotooppien massojen etsinnässä apuna taulukkoa (IAEA - Nuclear Data Section).
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

452. Ydinfuusio

Tulevaisuudessa ydinfuusio saattaa tarjota ratkaisun energiantuotannon haasteisiin.

  1. Mitä ydinfuusiossa tapahtuu? Miten ydinfuusio liittyy elämän edellytyksiin maapallolla?
  2. Miksi kevyiden ytimien fuusio on käyttökelpoinen energiantuotannossa, eli siinä vapautuu energiaa, mutta raskaiden ytimien fuusio ei ole käyttökelpoinen?
  3. Yksi lupaavimmista reaktioista energiantuotannossa on deuterium–tritium-fuusio. Kirjoita sen reaktioyhtälö ja laske reaktiossa vapautuva energia.

(YO-koe S2014)

  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

453. Plutoniumin hajoaminen

Plutonium-239 on alfa-aktiivinen, mutta voi hajota myös spontaanin fission kautta esimerkiksi reaktiolla

[[$ \quad ^{239}_{\,\,94}\text{Pu}\rightarrow {^{134}_{\,\,54}\text{Xe}}+ {^{103}_{\,\,40}\text{Zr}}+2\,{^1_0\text{n}}$]]

Jos plutonium-239-isotooppia on aineessa suuri osuus, hajoamisessa vapautuneet neutronit voivat osua toisiin plutonium-239-ytimiin ja saada ne hajoamaan samalla reaktiolla. Näin muutoin harvinainen spontaani fissio voi tapahtua kaikissa lähekkäin olevissa plutonium-239-ytimissä lähes yhtä aikaa.

  1. Laske yhdessä reaktiossa vapautuva energia. Reaktiossa esiintyvän Zr-103:n atomimassa on 102,92660 u.
  2. Laske energia, joka vapautuisi, jos 1 kilogramma plutonium-239:ää hajoaisi yhtä aikaa. Vertaa ensimmäiseen sodassa käytetyssä ydinaseessa vapautuneeseen energiaan, 63 TJ.
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

454. Ydinreaktorin sähköteho ja fissioiden lukumäärä

Yksi ydinreaktorissa tapahtuvista uraanin fissioreaktioista on

[[$ \quad \textrm{n}+{^{235}_{92}}\textrm{U } \rightarrow \textrm{ } {^{143}_{60}}\textrm{Nd}+{^{90}_{40}}\textrm{Zr}+3\textrm{n}$]]​,

jossa vapautuu lisäksi elektroneja, neutriinoja ja gammasäteilyä. Oletetaan, että ydinreaktori toimii vain tämän reaktion avulla. Reaktorin sähköteho on 1600 MW ja hyötysuhde 0,32.

  1. Kuinka monta [[$^{235}\mathrm{U}$]]-ydintä reaktorissa fissioituu sekunnissa?
  2. Kuinka suuri on reaktorissa vuodessa kuluvan [[$^{235}\mathrm{U}$]]-polttoaineen massa?

(YO-koe K2014)

  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

455. Fuusio Auringossa

Tehtävässä 403 Gammasäteilyn vaimeneminen laskettiin, että Auringossa muuttuu tällä hetkellä 4,2 megatonnia massaa energiaksi joka sekunti. Oletetaan, että tämä kaikki on peräisin reaktioketjusta, jossa vetyä fuusioituu heliumiksi.

  1. Muodosta ketjun kokonaisreaktioyhtälö ja laske reaktiossa vapautuva energia. Ota huomioon, että reaktiossa syntyvät positronit annihiloituvat elektronien kanssa ja muuttuvat energiaksi.
  2. Laske, kuinka iso massa vetyä täytyy fuusioida sekunnissa, jotta reaktiossa vapautuisi 4,2 megatonnin massaa vastaava määrä energiaa.
  3. Laske tämän perusteella arvio, kuinka kauan Aurinko voi jatkaa toimintaansa. Auringon massasta on tällä hetkellä 73,46 % vetyä.
  4. Vertaa tämän hetken parhaaseen ennusteeseen ja selvitä, mistä ero johtuu.
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

456. Säteilyannos lentokoneessa

Lennettäessä 10 km:n korkeudessa ihmiseen kohdistuu säteilyä annosnopeudella 5 [[$ \mu $]]​Sv/h. Selitä, mistä säteily on peräisin. Kuinka pitkä kokonaisaika tulisi lentää, jotta siitä aiheutuva säteilyannos olisi yhtä suuri kuin suomalaisen keskimääräinen vuotuinen annos?
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

457. Säteilysuureiden yksikköjä

Säteilysuureiden yksiköt ovat gray (Gy) ja sievert (Sv).

  1. Mitä gray ja sievert ovat SI-yksiköissä ilmaistuna?
  2. Miten suureet poikkeavat toisistaan?

Voit käyttää apuna STUK:n sivustoa, jossa on säteilyyn liittyvää sanastoa.

  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

458. Lyijyn puoliintumispaksuus

Gammalähteen säteilyn vaimenemista tutkittiin säteilymittarilla. Lähteen ja mittarin väliin asetettiin eripaksuisia lyijykerroksia. Säteilyn pulssimäärä mitattiin minuutin jaksoissa jokaiselle lyijypaksuudelle, jolloin saatiin aineiston mukaiset tulokset.

  1. Esitä säteilykertymä graafisesti lyijyn paksuuden funktiona ja määritä lyijyn matkavaimennuskerroin.
  2. Laske lyijyn puoliintumispaksuus.

Aineisto:
Taulukko: lyijyn_puoliintumispaksuus.ods (LibreCalc)
Taulukko: lyijyn_puoliintumispaksuus.cmbl (Logger Pro)
Taulukko: lyijyn_puoliintumispaksuus.cap (Capstone)
Taulukko: lyijyn_puoliintumispaksuus.gambl (Graphical Analysis)
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

459. Rodiumin röntgenspektri

Rodiumin röntgenspektrissä havaitaan kaksi ominaissäteilypiikkiä (1 ja 2) kohdilla 54,5 pm ja 61,3 pm. Piikit ovat syntyneet, kun elektroni on siirtynyt joko L- tai M-kuorelta K-kuorelle. Spektri tuotettiin röntgenputkella, jonka jännite oli 60,0 kV.
Rodium-anodista emittoituva röntgenspektri

Spektrin ja tulosten lähde: Rodium spektri (Wikipedia)

  1. Vastaa perustellen, kumpi piikeistä liittyy mihinkin elektronin siirtymään.
  2. Laske L- ja M-kuoren välinen energiaero.
  3. Kuinka suuri on lyhin aallonpituus, joka spektrissä esiintyy?
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

460. Säteilyn synty, suojautuminen ja hyötykäyttö

Vastaa kysymyksiin röntgen- ja hiukkassäteilystä.
  1. Miten syntyy
    • röntgensäteilyä
    • hiukkassäteilyä?

  2. Miten suojaudutaan
    • röntgensäteilyltä
    • hiukkassäteilyltä?

  3. Mihin perustuu
    • röntgensäteilyn käyttö terveydenhuollossa
    • hiukkassäteilyn käyttö palovaroittimessa?
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

461. Vainajan radiohiiliajoitus

Janakkalassa sijaitsevasta muinaisesta ruumishaudasta löytyi vuonna 2013 vainajan lisäksi kaksi miekkaa. Toinen miekka ajoitettiin viikinkiajalle vuosille 950–1050, ja toinen miekka oli ristiretkiaikainen vuosilta 1050–1200. Haudan ikä määritettiin radiohiiliajoituksella. Vainajan olkavarresta otetun luunäytteen [[$\mathrm{^{14}C}$]]- ja [[$\mathrm{^{12}C}$]]-ytimien lukumääräsuhde (isotooppisuhde) oli 1,12  ∙  10-12. Miltä vuosisadalta hauta oli peräisin, kun tiedetään, että vastaava isotooppisuhde elävässä kudoksessa on 1,22  ∙  10-12? Olisiko tapahtunut virhe, jos hauta ja vainaja olisi ajoitettu pelkästään esinelöytöjen perusteella?

(YO-koe S2015)

  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

462. Moseleyn laki

Henry Moseley oli englantilainen fyysikko. Hän osoitti, että alkuaineiden ominaisuudet riippuvat niiden järjestysluvusta, ei atomipainosta. Moseley johti myös röntgensäteilyyn liittyvän kokeellisen lain 1913. Lain avulla voidaan laskea emittoivan röntgenkvantin taajuus, kun elektroni siirtyy L-kuorelta K-kuorelle. Tällainen ominaissäteily tunnetaan [[$ \text {K}_\alpha$]]-säteilynä. Moseleyn laki on

[[$ f=(2{,}48\cdot 10^{15} \textrm{ Hz})(Z-1)^2 $]]​,

missä [[$Z$]] on alkuaineen järjestysluku.

  1. Laske [[$ \text {K}_\alpha$]]-ominaissäteilyn aallonpituus ja energia i) alumiinille, ii) kuparille, iii) molybdeenille.
  2. Röntgenputken kiihdytysjännite on 15,0 kV. Nähdäänkö [[$ \text {K}_\alpha$]]-ominaissäteilypiikki i) alumiinissa, ii) molybdeenissä? Perustele.
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

463. Wolframin energiatasokaavio

Kuvassa näkyy osa wolframin energiakuorten energiatasokaaviosta.

Osa wolframin energiatasokaaviota

  1. Millä aallonpituudella wolframin spektrissä havaitaan ominaissäteilypiikkejä?
  2. Kuinka suuri röntgenputken käyttöjännitteen on vähintään oltava, jotta kaikki energiatasokaaviossa esiintyvät ominaissäteilypiikit erottuvat spektrissä?
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

464. Fotonin vuorovaikutus aineen kanssa

Fotoni voi vuorovaikuttaa aineen kanssa valosähköisen ilmiön, Comptonin ilmiön tai parinmuodostuksen kautta.
Fotonin vallitseva vuorovaikutustapa eri olosuhteissaHahmotelma fotonin vuorovaikutusalueista erimassaisissa atomeissa (Lähde: Klemola, Janne 2017. Pro gradu -tutkielma. Oulun yliopisto.)

  1. Mitä fotonille tapahtuu parinmuodostuksessa?
  2. Elohopeakaasuun kohdistetaan gammasäteilyä, jonka aallonpituus on 0,6 pm. Miten gammasäteily todennäköisimmin vuorovaikuttaa aineen kanssa?
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.