Фізика - збірник задач із розв’язками для підготовки до ЗНО - С.І. Семенюк - Богдан 2017

5. КВАНТОВА ФІЗИКА. ЕЛЕМЕНТИ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ

5.3. Атом та атомне ядро

5.3.1 (24.дс.14р.). Установіть відповідність між фізичним процесом або явищем, пов’язаним із перетворенням ядер хімічних елементів (1-4), і його основним фізичним змістом (А-Г).

Фізичний процес або явище

1. Альфа-випромінювання.

2. Бета-випромінювання.

3. Гамма-випромінювання.

4. Реакція поділу ядер (ланцюгова).

Фізичний зміст процесу або явища

A. Складова радіоактивного випромінювання, що має позитивний заряд, — потік ядер атомів Гелію .

Б. Складова радіоактивного випромінювання, яка складається з електронів або позитронів.

B. Електрично нейтральна складова радіоактивного випромінювання — електромагнітне випромінювання з < 10^-10 м.

Г. Вид ядерної реакції, коли ядро важкого елемента розщеплюється на два ядра-осколки більш легких елементів.

Відповідь. 1А, 2Б, 3В, 4Г.

5.3.2 (З0.дс.12р.). Установіть відповідність між назвою випромінювання та його природою.

1. Бета-промені. 2. Гамма-промені.

3. Світлове випромінювання. 4. Альфа-промені.

A. Швидкі електрони.

Б. Нейтрони.

B. Ядра атомів Гелію.

Г. Фотони, що виникають унаслідок ядерних реакцій.

Д. Фотони що виникають унаслідок хімічних реакцій.

Відповідь. 1А, 2Г, ЗД, 4В.

5.3.3 (24.пт.14р.). Установіть відповідність між відкриттям явища, закону або гіпотези та дослідом або спостереженням, що це відкриття зумовило.

Відкриття явища, закону або гіпотези

1. Явище радіоактивності.

2. Планетарна модель атома.

3. Закони фотоефекту.

4. Три типи радіоактивних променів.

Дослід або спостереження

A. Бомбардування альфа-частинками золотої фольги.

Б. Дія магнітного поля на випромінювання урану.

B. Опромінювання металів світлом.

Г. Засвічення фотопластинки солями урану.

Д. Випромінювання нагрітого тіла.

Відповідь. 1Г, 2А, 3В, 4Б.

5.3.4 (30.oc.12p.). Установіть відповідність між відкриттям (винаходом) та ім’ям його автора.

1. Створення теорії фотоелектричного ефекту.

2. Відкриття трьох типів радіоактивного випромінювання.

3. Створення приладу, за допомогою якого можна спостерігати траєкторію руху зарядженої частинки.

4. Відкриття явища радіоактивності.

A. Беккерель А. Б. Айнштайн А.

B. Резерфорд Е. Г. Вільсон Ч.

Д. Рентген В.

Відповідь. 1Б, 2В, ЗГ, 4А.

5.3.5 (27.oc.07p.). Установіть відповідність між прізвищами видатних учених та їхнім науковим доробком.

1. Гейгер Г., Мюллер В. 2. Столетов О.

3. Айнштайн А. 4. Резерфорд Е.

A. Планетарна (ядерна) модель атома.

Б. Теорія відносності.

B. Квантова теорія будови атома.

Г. Експериментальна реєстрація заряджених частинок.

Д. Закони фотоефекту.

Відповідь. 1Г, 2Д, З Б, 4 А.

5.3.6 (22.oc.10р.). Укажіть вираз, за яким згідно з постулатами Бора обчислюється частота електромагнітного випромінювання, що виникає при переході атома із збудженого стану з енергією Е₁ в основний стан з енергією Е₀ (с — швидкість світла у вакуумі, h — стала Планка).

Варіанти відповідей:

5.3.7 (23.дт.10р.). Розгляньте діаграму енергетичних рівнів атома. Виберіть стрілку, що позначає перехід із поглинанням фотона з найменшою частотою. Варіанти відповідей:

А. 2.

Б. 3.

В. 4.

Г. 5.

тоді, коли ІЕ_п — Е_кІ = mіn. З рисунка видно, що мінімальна різниця рівнів енергій відповідає переходу атома зі стану 4 у стан 5.

Відповідь. Г.

5.3.8 (24.oc.07p ), Визначте, як змінюються порядковий номер (Z) елемента в періодичній системі та його масове число (А) при випромінюванні альфа-частинки.

Варіанти відповідей:

A. Z збільшується на одиницю, А залишається незмінним.

Б. Z і А зменшуються на одиницю.

B. Z зменшується на дві одиниці, А зменшується на чотири одиниці.

Г. Z і А залишаються незмінними.

Д. Z збільшується на дві одиниці, А зменшується на чотири одиниці.

Розв’язання.

Склад атома хімічного елемента , де Z— порядковий номер хімічного елемента в ПСХЕМ; у фізиці — кількість електронів (заряд електронів атома), що входять до складу нейтрального атома і кількість протонів в ядрі атома (заряд ядра). А — заокруглена до цілого в ПСХЕМ атомна маса (маса атома виражена в а.о.м., 1 а.о.м. = 1,66 ∙ 10^-27кг); у фізиці — кількість нуклонів (протони + нейтрони) в ядрі.

а-розпад: тут а-частинка — ядро атома гелію.

Відповідь. В.

5.3.9 (25.oc.12р.). Визначте, на скільки змінюється електричний заряд ядра внаслідок a-розпаду (є — елементарний електричний заряд).

Варіанти відповідей:

A. Збільшується на 4е. Б. Збільшується на 2е.

B. Зменшується на 2е. Г. Зменшується на 4е.

Відповідь. В.

5.3.10 (25.oc.08р.). Ізотоп якого елемента утворюється при електронному 3-розпаді .

Варіанти відповідей:

Розв’язання.

Рівняння реакції:

Це рівняння не зовсім правильне, бо одночасно з випромінюванням електрона випромінюється ще одна частинка, яка забирає «залишок» енергії квантового переходу. Якби ця частинка мала заряд або масу (порядку маси електрона), то при експериментальних дослідженнях (3-перетворень вона не залишалася б непоміченою. Тому, безумовно, ця частинка, яка згодом дістала назву електронне антинейтрино, не несе заряду і має дуже малу або навіть нульову масу Коли в явищах штучно викликаної радіоактивності було виявлено позитрони, які мають розподіл енергій, аналогічний електронам, таку частинку, що супроводжує випромінювання позитронів, почали називати електронне нейтрино

Отже, правильним рівнянням буде рівняння: Прикладом радіоактивного розпаду, під час якого утворюється пози

трон, є перетворення протона на нейтрон:

Відповідь. В.

5.3.11 (24.oc.11p.). Ізотоп якого елемента утвориться з радіоактивного ізотопу Торію після його чотирьох a-розпадів і одного 3-розпаду? Варіанти відповідей:

5.3.12 (34.пт.15р.). Унаслідок радіоактивних а- і 3-розпадів заряд ядра атома зменшився на 4, а масове число — на 12. Визначте кількість 3-розпадів.

5.3.13 (24.oc.08p.). Ядро випромінило нейтрон. Укажіть число нуклонів у новому ядрі.

Варіанти відповідей:

А. 26.

Б. 58.

В. 25.

Г. 59.

Розв’язання.

Рівняння реакції:

Відповідь. Б.

5.3.14 (20.дс.14р.). Укажіть рівняння реакції синтезу легких ядер (термоядерної реакції).

Варіанти відповідей:

Розв'язання.

Тут реакція синтезу легких ядер:

Це перша у світі ядерна реакція, яку провів Резерфорд в 1919 році. Ядерні реакції Б, В і Г — це реакції поділу важких ядер.

Відповідь. А.

5.3.15 (150.33.09р.). Унаслідок ядерної реакції між ядрами Дейтерію і Тритію утворилося ядро Гелію . Укажіть, яка ще частинка утворилася в результаті цієї реакції.

Варіанти відповідей:

Розв’язання.

Рівняння ядерної реакції: Отже, X = n — нейтрон.

Відповідь. В.

5.3.16 (25.ос.09р.). Унаслідок ядерної реакції між ядрами Дейтерію і Молібдену утворилось ядро Технецію . Укажіть, яка ще частинка утворилася в результаті цієї реакції.

Варіанти відповідей:

Розв’язання.

Рівняння реакції:

Отже, X = n — нейтрон.

Відповідь. Г.

5.3.17 (25.oc.10p ). Укажіть рівняння, яке описує утворення a-частинок у результаті ядерної реакції, що відбувається при опроміненні алюмінієвої мішені протонами.

Варіанти відповідей:

Розв’язання.

Рівняння ядерної реакції:

Отже, X = Mg — ізотоп магнію (Mg-24).

Відповідь. В.

5.3.18 (24.пт.13р.). Установіть відповідність між рівняннями ядерних реакцій та нуклідами, що беруть у них участь.

5.3.19 (24.oc.12p.). Створена Бором модель атома пояснює:

A. природу рентгенівського випромінювання;

Б. існування ізотопів;

B. явище радіоактивності;

Г. походження лінійчастих спектрів.

Розв’язання.

Другий постулат Бора: при переході атома з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається квант електромагнітної енергії. Отже, цей квант світла, яке випускають збуджені атоми, можна розкласти в спектр і цей спектр буде лінійчастим (атомним). Він складається з окремих кольорових ліній. Кожний хімічний елемент має характерний для нього лінійчастий спектр. Атоми таких речовин не взаємодіють один з одним і випромінюють світло тільки з певними довжинами хвиль. Ізольовані атоми даного хімічного елемента випромінюють хвилі зі строго визначеними довжинами. Це дозволяє за спектральними лініями робити висновок про хімічний склад джерела світла.

Відповідь. Г.

5.3.20 (24.пт.08р.). На рис. 1 наведено спектри поглинання атомів Натрію, Гідрогену та Гелію. Визначте, з яких компонентів складається газова суміш, спектр якої зображено на рис. 2.

Варіанти відповідей:

A. Натрій і Гідроген. Б. Натрій і Гелій.

B. Гелій і Гідроген. Г. Натрій, Гідроген і Гелій.

Рис. 1

Рис. 2

Розв’язання.

Збуджені атоми розріджених газів або пари речовин випускають світло, розкладання якого дає лінійчастий (атомний) спектр, який складається з окремих кольорових ліній. Кожний хімічний елемент має характерний для нього лінійчастий спектр. Атоми таких речовин не взаємодіють один з одним і випромінюють світло тільки з певними довжинами хвиль. Ізольовані атоми даного хімічного елемента випромінюють хвилі зі строго визначеними довжинами. Це дозволяє за спектральними лініями робити висновок про хімічний склад джерела світла.

Розжарені тверді й рідкі тіла та гази (за великого тиску) випускають світло, розкладання якого дає суцільний спектр, у якому спектральні кольори безперервно переходять один в одного.

Якщо біле світло від джерела, котре дає суцільний спектр, пропускається крізь пару досліджуваної речовини й потім розкладається на спектр за допомогою прозорої призми, то на фоні суцільного спектра спостерігаються темні лінії поглинання. Такі спектри дістали назву атомних спектрів поглинання.

Поглинання світла речовиною також залежить від довжини хвилі. Так, червоне скло пропускає хвилі, що відповідають червоному світлу, та поглинає всі інші.

Атоми поглинають випромінювання хвиль лише з такими довжинами, які вони можуть випускати за даної температури. На поданих рисунках зображено атомні спектри поглинання Натрію, Гідрогену і Гелію. Накладаючи рисунки спектрів поглинання відповідних атомів і порівнюючи їх зі спектром поглинання суміші атомів, отримаємо, що суміш — це Натрій і Гелій (містить лінії Натрію та Гелію).

Відповідь. Б.

5.3.21 (24.oc.09p.). Речовину по черзі опромінюють пучками різних частинок, що мають невелику кінетичну енергію. Визначте, які з цих частинок можуть бути захоплені ядрами атомів.

Варіанти відповідей:

А. а-частинки.

Б. Електрони.

В. Протони.

Г. Нейтрони.

Розв’язання.

Відсутність у нейтрона електричного заряду створює більш легке, ніж у заряджених частинок, проникнення його в атомне ядро речовини (немає електростатичного відштовхування), тобто захоплення його ядром речовини. Якщо енергія повільних (теплових, для них К = (0,025 - 0,5) еВ) нейтронів співпадає з енергією материнського ядра, то відбувається резонансне поглинання нейтрона ядром. Захоплення нейтронів речовиною приводить до природної радіоактивності ядер речовини (1) і ділення ядер (2):

1) за рахунок порушення умови стійкості ядра. Ядра стійкі, якщо їхній склад не змінюється з часом;

2) важкі ядра речовини, що перевантажені нейтронами (А), є нестійкими, бо в них мала питома енергія зв’язку

порівняно з питомою енергією зв’язку середніх ядер ≈ 8,7 МеВ/нуклон, а коли ядро захопить нейтрон — тим більше.

Відповідь. Г.

5.3.22 (25.ос.07p.). Визначте енергетичний вихід ядерної реакції якщо енергія зв’язку ядра ізотопу Берилію 56,4 МеВ, ізотопу

Літію 39,2 МеВ, Дейтерію 2,2 МеВ.

Варіанти відповідей:

А. 15 МеВ.

Б. 19,4 МеВ.

В. 97,8 МеВ.

Г. 93,4 МеВ.

Д. 12,6 МеВ.

Розв’язання.

Виразимо енергетичний вихід ядерної реакції різними способами, щоб розуміти цілісну фізичну картину ядерних реакцій.

Енергія зв’язку ядра атома — мінімальна енергія (робота), яку необхідно затратити (виконати), щоб поділити ядро атома на нуклони, або, згідно із ЗЗЕ, —

5.3.23 (З7.пт.10р ). Атомне ядро, поглинувши квант випромінювання з довжиною хвилі 3,3 ∙ 10^-13 м, перейшло у збуджений стан і розпалося на окремі нуклони, які розлетілися в різні боки із сумарною кінетичною енергією 0,4 МеВ. Визначте енергію зв’язку ядра (в МеВ). Вважайте, що h = 6,6 ∙ 10^-31 Дж ∙ с; с = 3 ∙ 10⁸ м/с; 1 еВ = 1,6 ∙ 10^-19 Дж.

5.3.24 (34.дс.16р.). Унаслідок поділу ядра Урану-235 виділяється енергія 200 МеВ. Визначте масу Урану-235, необхідну для отримання енергії 96 МДж. Сталу Авогадро прийняти рівною 6 ∙ 10²² моль^-1, елементарний електричний заряд 1,6 ∙ 10^-19 Кл. Відповідь запишіть у міліграмах (мг).

5.3.25 (21.ос.15р.). Установіть відповідність між фізичним явищем і приладом, у якому використовується це явище.

Фізичне явище

1. Конденсація перенасиченої пари.

2. Теплове розширення рідини.

3. Кипіння перегрітої рідини.

4. Охолодження рідини внаслідок випаровування.

Прилад

A. Бульбашкова камера. Б. Манометр.

B. Психрометр. Г. Камера Вільсона.

Д. Медичний термометр.

Відповідь. 1Г, 2Д, ЗА, 4В.

5.3.26 (27.ос.08р.). Установіть відповідність між назвами приладів для реєстрації радіоактивного випромінювання та фізичними процесами, на яких ґрунтується робота цих приладів:

Прилад

1. Лічильник Гейгера-Мюллера.

2. Бульбашкова камера.

3. Камера Вільсона.

4. Фотоемульсійний лічильник.

Фізичний процес

A. Іонізація молекул рідини.

Б. Випромінювання квантів

B. Іонізація молекул фотоемульсії.

Г. Утворення центрів конденсації пари за рахунок іонізації молекул газу.

Д. Газовий розряд, що виникає внаслідок іонізації молекул газу.

Відповідь. 1Д, 2А, ЗГ, 4В.

5.3.27 (145.33.09р.). Період піврозпаду радіоактивного ізотопу дорівнює 1 годині. Визначте, яке твердження є правильним для цього ізотопу. Варіанти відповідей:

A. Розпад усіх ядер даного ізотопу відбудеться за 2 години.

Б. Одна восьма частина з досить великої кількості ядер розпадеться за 15 хвилин.

B. Половина з досить великої кількості ядер розпадеться за 1 годину.

Г. Одна чверть усіх ядер розпадеться за 0,5 години.

Розв’язання.

Період піврозпаду — це час, протягом якого розпадається половина із наявної кількості ядер радіонукліда.

Відповідь. В.

5.3.28 (19.пт.16р ). Період піврозпаду Урану становить 4,5 млрд років. Через 3 млрд років кількість атомів унаслідок розпаду зменшиться:

5.3.29 (25.пт.10р ). За 20 діб у результаті a-розпаду розпалось 75% атомів Актинію Визначте період піврозпаду.

Варіанти відповідей:

А. 5 діб.

Б. 8 діб.

В. 10 діб.

Г. 12 діб.

5.3.30 (36.пт.12р.). Джерело радіоактивного випромінювання містить 800 мг ізотопу Барію період піврозпаду якого дорівнює 10,5 року. Визначте проміжок часу, через який маса ізотопу Барію, що не розпався, складатиме 200 мг. Відповідь запишіть у роках.

5.3.31 (25.пт.08р.). Період піврозпаду ядер деякого хімічного елемента — одна година. Визначте, яка частина ядер від їхньої початкової кількості (у відсотках) розпадається за дві години.

Варіанти відповідей:

А. 25%.

Б. 50%.

В. 75%.

Г. 100%.

5.3.32 (35.ос.08p ). Укажіть період піврозпаду радіоактивного елемента (в добах), якщо його активність зменшилась у 8 разів за 15 діб.