„Odkryć fizykę” Astronomia i grawitacja 1. Z daleka i z bliska Strona 24 1. proton, atom, cząsteczka, wirus, bakteria, chomik, słoń, lotniskowiec, Księżyc, Ziemia, Słońce, Układ Słoneczny, galaktyka 2. Pokonanie drogi z Ziemi na Marsa zajmuje sygnałowi radiowemu kilka minut. Tyle czasu mijałoby od wydania rozkazu do jego wykonania, gdyby wszystkie decyzje podejmowane były na Ziemi. To zbyt długo, jeśli w krótkim czasie trzeba przeprowadzić serię manewrów. 3. Odległość miedzy chmurą elektronową a jądrem jest około 100 000 razy większa od rozmiarów jądra atomowego. Powiększone tyle razy ziarnko maku miałoby średnicę około 100 000 milimetrów, czyli 100 metrów. 4. 1 000 000 000 = 109, miliard a) 1 metr odpowiada 1 000 000 000 metrów, czyli 1 000 000 kilometrów 1 centymetr odpowiada 1 000 000 000 centymetrów, czyli 10 000 kilometrów b) Słońce:
Ziemia
c) Ziemia – Słońce
Ziemia – Księżyc
1
5. Obliczamy skalę modelu: a) b) Odległość Słońce – środek Galaktyki to połowa promienia Galaktyki (jedna czwarta jej średnicy). W omawianym modelu wynosi więc 25 metrów. c) Neptun
Ziemia
D. Amatorskie obserwacje astronomiczne Strona 28 1. a) Mała Niedźwiedzica, Wielka Niedźwiedzica, Cefeusz, Smok b) dość wysoko nad zachodnim horyzontem 2. przez cały rok: Smok; wyłącznie latem: Łabędź; wyłącznie zimą: Byk, Bliźnięta 3. około 19.30 – 20.00 czasu zimowego
2. Układ Słoneczny Strona 36 1. Załóżmy, że orbity Wenus, Ziemi i Marsa są współśrodkowymi okręgami (o środkach w Słońcu i promieniach o długościach odpowiednio: 108,2 106 km, 149,6 106 km oraz 227,9 106 km, a planety mogą na nich zajmować dowolne miejsce. Minimalne odległości to różnice długości promieni orbit: Ziemia – Mars:
2
Ziemia – Wenus: Maksymalne odległości to sumy długości promieni orbit: Ziemia – Mars: Ziemia – Wenus: 2. Merkury, Mars, Wenus, Ziemia, Neptun, Uran, Saturn, Jowisz 3. a) Tak. Okres obrotu Merkurego wokół osi nie jest równy okresowi jego obiegu wokół Słońca. To znaczy, że obserwowane z powierzchni planety Słońce porusza się względem horyzontu, wschodzi i zachodzi. b) Nie. Występowanie pór roku wynika z nachylenia osi obrotu planety względem płaszczyzny orbit. W przypadku Merkurego oś jest prostopadła. Wszystkie dni i wszystkie noce są tej samej długości. 4. a) promień:
masa:
b)
c) 17,2 h (z tabeli) 5.
3
6. Na Uranie występują pory roku. Gdy planeta kieruje w stronę Słońca jeden z biegunów, na całej półkuli panuje dzień polarny (na drugiej półkuli – noc polarna), Słońce nie zachodzi i nie wschodzi. Po upływie połowy okresu obiegu sytuacja zmienia się na przeciwną – dzień polarny panuje na drugiej półkuli. Te skrajne sytuacje rozdzielone są okresami wiosny i jesieni, kiedy następują wschody i zachody Słońca, a dzień wydłuża się lub skraca.
3. Księżyc – towarzysz Ziemi Strona 41 1. Można. Dla obserwatora na półkuli północnej: Księżyc przypominający literę „D” (oświetlona prawa połowa) jest w pierwszej kwadrze, a przypominający literę „C” (oświetlona lewa połowa) – w ostatniej kwadrze. Poza tym Księżyc w pierwszej kwadrze widoczny jest wieczorem nad zachodnim horyzontem, a w ostatniej kwadrze – rano nad wschodnim horyzontem. 2. Nie może. Zaćmienie Księżyca występuje tylko w czasie pełni Księżyca, a zaćmienie Słońca – w czasie nowiu Księżyca. Minimalny czas między tymi zjawiskami równy jest połowie okresu zmian faz Księżyca, czyli 14–15 dni. 3. Po około 3/4 okresu zmian kwadr, czyli po 22 dniach. 4. a) Nie wschodzi i nie zachodzi. Z niektórych rejonów Księżyca Ziemia nie jest widoczna, z innych jest widoczna stale w tym samym miejscu nad horyzontem. b) Po wschodzie Słońca jest ono widoczne na niebie przez około 2 ziemskie tygodnie, powoli przesuwając się ze wschodu na zachód. Do zaćmienia Słońca dochodzi wtedy, gdy Ziemia znajdzie się na tle Słońca (na Ziemi obserwujemy wówczas zaćmienie Księżyca). Do zaćmienia Ziemi dochodzi wtedy, gdy cień Księżyca padnie na powierzchnię Ziemi (na Ziemi widoczne jest wtedy zaćmienie Księżyca). c) Tak. Fazy Ziemi „dopełniają” fazy Księżyca obserwowane z Ziemi: Gdy Księżyc oglądany z Ziemi jest w nowiu, z Księżyca widać Ziemię w pełni i odwrotnie.
4
4. Gwiazdy i galaktyki Strona 47 1. Szary kwadrat składa się z maleńkich, położonych blisko siebie punktów. Oglądane bez szkła powiększającego zlewają się one w szarą powierzchnię. Droga Mleczna to miliardy gwiazd widocznych blisko siebie. Oglądane bez lornetki lub lunety zlewają się w białą smugę widoczną w ciemną noc. 2.
3. Pod powierzchnią znalazłyby się: Merkury, Wenus, Ziemia i Mars. 4. Nie. Obserwator widzi gwiazdy rozłożone równomiernie na całym niebie. Pas Drogi Mlecznej jest widoczny, ponieważ gwiazdy naszej Galaktyki skupione są w płaskim dysku.
5. Ruch krzywoliniowy Strona 55 1.
2. a)
5
b)
3.
4.
5. Aby przy tej samej częstotliwości pracy maszyny parowej (a co za tym idzie – tej samej prędkości kątowej kół) osiągać większe prędkości.
6. Siła dośrodkowa Strona 61 1. C Prędkość kamienia jest zawsze styczna do jego toru i w tym punkcie skierowana w stronę puszki. 2. a)
b) 4 razy większa (około 12 400 N), gdyż siła dośrodkowa jest proporcjonalna do kwadratu prędkości c) wzrosłaby 2 razy (do około 6 200 N), gdyż siła jest odwrotnie proporcjonalna do promienia okręgu 3. a) Większa siła potrzebna jest do pokonania ostrego zakrętu. Mniejszy jest jego promień, a siła dośrodkowa jest odwrotnie proporcjonalna do promienia. 6
b) Siła jest większa, gdy prędkość jest duża. Siła dośrodkowa jest proporcjonalna do kwadratu prędkości. c) Przed ostrym zakrętem należy zmniejszyć prędkość lub poruszać się po pasie ruchu położonym jak najdalej od środka zakrętu. 4. a)
b)
Siłą skierowaną w kierunku środka toru działają na lokomotywkę szyny. 5. Przekształcając wzór na siłę dośrodkową:
6. a)
b)
7. Przekształcając wzór na siłę dośrodkową:
7
7. Grawitacja Strona 68 1. a) Ziemia porusza się po okręgu, w środku którego znajduje się Słońce. Wektor prędkości Ziemi jest w każdym punkcie orbity styczny do toru (okręgu), czyli prostopadły do odcinka łączącego Ziemię i Słońce. b) Zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona siły mają równe wartości, te same kierunki i przeciwne zwroty. Siła działająca na Ziemię skierowana jest w stronę Słońca, a siła działająca na Słońce – w stronę Ziemi. 2. a) 4 mN (siła zmaleje 9 razy, gdyż jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości) b) 144 mN (siła wzrośnie 4 razy, gdyż jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości) c) 360 mN (siła wzrośnie 10 razy, gdyż jest proporcjonalna do iloczynu mas) d) 9 mN (siła zmaleje 4 razy, gdyż jest proporcjonalna do iloczynu mas) 3. a)
b)
4. Lecąc samolotem, oddaliliśmy się od powierzchni Ziemi o około 10 kilometrów. Jednak odległością, która występuje w prawie powszechnego ciążenia, jest odległość od środka Ziemi. Ona również wzrosła o 10 kilometrów, ale w porównaniu z jej początkową wartością (około 6400 kilometrów) jest to zmiana nieznaczna i niewyczuwalna. Stosunek sił przyciągania między Ziemią (o masie M) i pasażerem (o masie m) w samolocie (na wysokości h) i na powierzchni Ziemi (o promieniu R) wynosi:
5. a)
b) Siła działająca na ciało na Plutonie jest około 15 razy mniejszy niż na Ziemi, gdzie 1 kg przyciągany jest siłą około 10 N. 8
c)
6. a)
b)
c)
d) Nie. Ruch kul byłby uniemożliwiony przez siłę tarcia statycznego, bardzo dużą w porównaniu z siłą przyciągania grawitacyjnego.
8. Siła grawitacji jako siła dośrodkowa Strona 72 1. a) czarna b) pomarańczowa 2. Poruszałby się po linii stycznej do orbity, czyli po przedłużeniu czarnej strzałki. 3. a)
b)
Powierzchnia Polski to 313 000 km2.
9
9. Loty kosmiczne Strona 76 1. a) 55 lat temu (4 października 1957 r.) b) 51 lat temu (12 kwietnia 1961 r.) c) 43 lata temu (21 lipca 1969 r.) 2. przekazywanie obrazu, dźwięku i danych, zwiad wojskowy, nawigacja, obserwacje astronomiczne, eksperymenty biologiczne i medyczne w stanie nieważkości 3. Badanie prowadzone jest za pomocą teleskopów na Ziemi i w kosmosie oraz bezzałogowych, zdalnie sterowanych sond, które krążą wokół innych planet bądź na nich lądują. Ludzie nigdy nie dotarli dalej niż do Księżyca. 4. Odbiornik GPS odbiera sygnały od minimum 4 satelitów systemu, a na ich podstawie określa odległości dzielące go od tych satelitów. Położenia krążących wokół Ziemi nadajników znane są z dużą dokładnością. Na tej podstawie możliwe jest określenie położenia na powierzchni Ziemi. 5. a) ze wzoru na I prędkość kosmiczną:
b) jest mniejsza o około:
c)
10
10. Trzecie prawo Keplera Strona 81 1. a)
b)
2.
3. III prawo Keplera dla komety i dla Ziemi:
4. III prawo Keplera:
11. Ciężar i nieważkość Strona 87 1. Nie. Ciężar ciała zmienia się tylko wtedy, gdy winda porusza się ruchem przyspieszonym względem inercjalnego układu odniesienia (budynku). Gdy ruch jest jednostajny prostoliniowy, ciężar jest identyczny jak w windzie nieruchomej. 2. a) Winda pojechała w górę. Ciężar był przez chwilę zwiększany przez siłę powodującą przyspieszenie ciała. 11
b) Ciężar ciała w windzie: nieruchomej:
poruszającej się:
c) Siła powodująca ruch ciała zapisana na dwa sposoby:
przyrównanie prawych stron tych równań daje:
3. a) b)
c)
4. Stwierdzenie, w którą stronę winda się porusza, nie jest możliwe bez „wyglądania na zewnątrz”, a więc odpowiedź brzmi „nie”. Możliwy jest jedynie pomiar przyspieszenia. 5. a) Astronauta znajduje się w odległości od środka Ziemi równej podwojonemu promieniowi planety. Siła grawitacji jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości. Astronauta jest zatem przyciągany siłą 4 razy mniejszą niż na powierzchni Ziemi:
b) Nie może, gdyż siłę grawitacji równoważy siła bezwładności. Waga i siłomierz zawsze wskazywać będą zero. 6. a)
12
b)
7. a) Tyle, ile ciężar w nieruchomej windzie. Stałbym jednak na suficie. b) Ciężar zmalałby najpierw płynnie do zera, a następnie wzrósł płynnie do początkowej wartości. Miałby przeciwny zwrot. Skierowany byłby nie w stronę podłogi, lecz w stronę sufitu.
Zadania powtórzeniowe Strona 90 To trzeba umieć 1. D 2. B 3. C 4. B 5. A 6. D 7. A 8. D
9. D 10. C, siła jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości. 11. B
13
To powinieneś umieć Strona 91 1. B 2. C 3. a) najbliżej: 1 i 2, najdalej: 2 i 3 b) bliskie: 1 i 3, dalekie 1 i 2 oraz 2 i 3
4. Na Ziemi: po około 8,5 minuty, na bliskiej gwieździe: po około 4,2 roku W obu przypadkach czas równy jest czasowi niezbędnemu na dotarcie światła ze Słońca. 5. 6.
7.
8. B 9. C 10.. C 11. III prawo Keplera:
12.
14
To warto umieć Strona 92 1. C 2. nie, nie 3. zaćmienia Słońca i Księżyca niewystępujące w czasie każdego nowiu i każdej pełni 4. a) Jabłko porusza się po okręgu w płaszczyźnie pionowej. W najniższym położeniu siła napięcia nici przyjmuje wartość maksymalną, równą sumie siły grawitacji i siły dośrodkowej:
Odpowiada to prędkości maksymalnej:
b)
5. ze wzoru na siłę dośrodkową:
6. C
7. I prędkość kosmiczna:
8. C
15
9. III prawo Keplera:
10.
Dasz sobie z tym radę? – Świetnie Strona 93 1. W nowiu, fazy Księżyca i Ziemi „dopełniają się”. 2. Tak. W kierunku prostopadłym do płaszczyzny dysku Drogi Mlecznej widzielibyśmy znacznie mniej gwiazd niż w kierunku wzdłuż dysku. 3.
4. Można obliczyć tylko masę gwiazdy:
Nie można obliczyć masy planety. Prędkość orbitalna i okres obiegu nie zależą od jej masy. 5. okres obiegu:
16
stąd:
Fizyka atomowa 12. Efekt fotoelektryczny Strona 109 1.
Jest to promieniowanie ultrafioletowe, światło widzialne (o dłuższej fali) zjawiska nie wywoła. 2. a) światło czerwone:
b) światło fioletowe:
c) światło zielone:
17
3. Tylko dla tych metali, których praca wyjścia jest mniejsza niż energia fotonu światła fioletowego (o największej energii w zakresie światła widzialnego), czyli:
(z tabeli w podręczniku: bar, cez, potas, rubid, stront, sód) 4. Obliczamy energię kinetyczną wybijanych elektronów:
Ze wzoru na energię kinetyczną:
5. Elektrony wybijane przez fotony z dodatniej elektrody będą hamowane przez pole elektryczne w fotokomórce (będzie na nie działać siła w kierunku elektrody, z której zostały wybite). Im większe napięcie będzie przyłożone do elektrod, tym mniejszej liczbie elektronów uda się dotrzeć do elektrody ujemnej, czyli mniejsze będzie natężenie prądu elektrycznego. Przy odpowiednio dużej wartości napięcia hamującego prąd w fotokomórce przestanie płynąć.
13. Promieniowanie ciał Strona 116 1. Rozszczepiając światło za pomocą pryzmatu i obserwując powstające widmo. Dla światła żarówki będzie to widmo ciągłe (wystąpią w nim wszystkie kolory), a dla świetlówki – widmo liniowe (jasne, kolorowe linie na czarnym tle). 2. Widoczne są czarne linie na kolorowym tle, a więc: a) jest to widmo liniowe b) jest to widmo absorpcyjne
18
3.
4.
jest to foton promieniowania podczerwonego 5. pary stanowią: A – D, C – E; bez pary: B (widmo emisyjne)
14. Atom wodoru Strona 121 1. Promień orbity elektronu może być jedynie równy promieniowi pierwszej orbity pomnożonemu przez kwadrat liczby naturalnej. Liczba 5 nie jest kwadratem liczby naturalnej, a liczba 25 jest kwadratem liczby naturalnej 5. Odpowiedź na pierwsze pytanie brzmi więc „nie”, a na drugie – „tak”. 2.
3. Z I postulatu Bohra:
dla pierwszej orbity (n = 1, r1 = 5,3 10–11 m):
4.
19
5.
15. Jak powstaje widmo wodoru Strona 125 1.
Promieniowanie jest światłem widzialnym (fioletowym). 2. Atom został zjonizowany, a energia kinetyczna elektronu wynosi:
Ze wzoru na energię kinetyczną:
3.
1 1 1 1 E E0 2 2 13,6 eV 2,25 10 5 eV 3,6 10 24 J 2 2 n m 106 107
promieniowanie mikrofalowe
20
4. Można sobie wyobrazić pojedyncze dzwoneczki jako pojedyncze atomy. W gazach odległości między atomami są znaczne. Potrącone dzwoneczki dźwięczą zawsze tym samym czystym dźwiękiem. Gaz wysyła światło zawsze z tego samego zestawu niewielkiej liczby częstotliwości. W ciele stałym atomy są blisko siebie. Dzwoneczki w pudełku potrącają się nawzajem, wprawiają się nawzajem w drgania lub te drgania tłumią. Emitowany dźwięk nie jest czysty; jest mieszaniną różnych dźwięków. Ciało stałe świeci widmem ciągłym – mieszaniną światła o wszystkich kolorach. 5. To kwestia przyjętej umowy. Kolejne linie w tej samej serii, oznaczonej liczbą m, numerujemy zawsze liczbą n, począwszy od n = m + 1. Dzięki temu przejście elektronu na przykład z orbity 5 na orbitę 3 to linia n = 5 w serii m = 3. Numerowanie kolejnych linii w każdej serii od n = 1 byłoby niepraktyczne i mylące (na przykład przejście z orbity 12 na orbitę 4 byłoby linią 8 w serii 4). 6. Przejście może nastąpić na cztery sposoby: Sposób 1. Przejście z emisją 1 fotonu (orbity
):
(ultrafiolet) Sposób 2. Przejście z emisją 2 fotonów (orbity
)
(promieniowanie widzialne, niebieskie)
(ultrafiolet) Sposób 3. Przejście z emisją 2 fotonów (orbity
)
(podczerwień)
(ultrafiolet)
21
Sposób 4. Przejście z emisją 3 fotonów (orbity
)
(podczerwień)
(światło widzialne, czerwone)
(ultrafiolet)
D. Fale czy cząstki? Cząstki czy fale? Strona 129 1.
2.
promieniowanie ultrafioletowe, krótsze od promieniowania fioletowego (ok. 380 nm) 3.
4. Z I postulatu Bohra:
wyprowadzamy wzór na prędkość elektronu na orbicie o numerze n:
22
i podstawiamy do wzoru na długość fali materii:
Fale materii mają długość równą obwodowi orbity elektronu dzielonemu przez kolejne liczby naturalne.
D. Jak działa laser Strona 134 1. a) światło żarówki b) światło lasera 2. napęd CD/DVD w komputerze, wskaźnik laserowy 3. Energia fotonu równa jest różnicy energii na orbitach:
światło widzialne, czerwone 4. Jest to związane z długością fali wykorzystywanego światła. Im jest ona mniejsza, tym mniejsze obiekty na płycie można rozpoznać i odczytać (rozmiar obszaru zajmowanego przez pojedynczą porcję danych jest porównywalny z długością fali). Światło niebieskie ma mniejszą długość fali niż wykorzystywane wcześniej światło czerwone i umożliwia odczytywanie gęściej zapisanych danych.
23
Zadania powtórzeniowe Strona 137 To trzeba umieć 1. A 2. A Efekt fotoelektryczny wywołuje światło o długości mniejszej od długości maksymalnej dla danego metalu (inaczej: o częstotliwości większej od częstotliwości minimalnej). 3. B 4. A 5. B Promień orbity elektronu musi być równy iloczynowi promienia najmniejszej orbity i kwadratu liczby naturalnej. 6. A 7. C
To powinieneś umieć Strona 137 1.
2.
3.
światło ma barwę zieloną 4.
24
5.
6. B 7. A 8. 9.
To warto umieć Strona 138 1. C Światło białe to mieszanina promieniowania widzialnego wszystkich długości. 2.
3. Energia kinetyczna elektronów:
4. A Obliczamy maksymalną długość fali, dla której zachodzi zjawisko fotoelektryczne (energia padających fotonów jest wówczas równa pracy wyjścia; oznacza to , że elektrony nie unoszą nadmiaru energii w postaci energii kinetycznej):
25
Rozwiązanie musi zawierać jedynie te rodzaje promieniowania, których fale mają mniejszą długość. 5. Fala musi mieć długość mniejszą niż:
6.
mniejsza około 5 000 razy
Dasz sobie z tym radę? – Świetnie! Strona 138 1. Atom zostanie zjonizowany, a energia wybitego elektronu wyniesie:
Ze wzoru na energię kinetyczną:
2. Energia kinetyczna zapisana na dwa sposoby:
Skąd
podstawiamy pracę wyjścia dla wolframu i wykonujemy obliczenia, zamieniając uprzednio elektronowolty na dżule:
26
3. Na dwa sposoby: Sposób 1 (bezpośrednio z orbity 3 na 1):
(ultrafiolet) Sposób 2 (z orbity 3 na 2, a następnie z orbity 2 na 1) Pierwsze przejście:
(światło widzialne, czerwone) Drugie przejście:
(ultrafiolet)
27
Fizyka jądrowa 16. Jądro atomowe Strona 149 1. Liczba masowa to suma liczby protonów (liczby atomowej) i liczby neutronów w jądrze. a)
, bor
b) c)
, magnez , jądro o tak dużej liczbie atomowej nie zostało dotychczas odkryte
2. lit – 6:
, w jądrze: 3 protony i 3 neutrony
lit - 7:
, w jądrze: 3 protony i 4 neutrony
3. Liczba neutronów to różnica liczby masowej i liczby atomowej. a) 14 – 7 = 7 b) 56 – 26 = 30 c) 4–2=2 4. Nie mogą. Jądra izotopów tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów, a liczba elektronów krążących wokół jądra niezjonizowanego atomu równa jest liczbie protonów w jądrze. 5. Mogą. Liczba masowa to suma liczby protonów (liczby atomowej) i liczby neutronów w jądrze. Większa liczba protonów może być rekompensowana mniejszą liczbą neutronów. Pierwiastki takie nazywamy izobarami. Przykład 1: argon
, 18 protonów i 22 neutrony
potas
, 19 protonów i 21 neutronów
wapń
, 20 protonów i 20 neutronów
28
Przykład 2: wodór (tryt) hel
, 1 proton i 2 neutrony
, 2 protony i 1 neutron
17. Promieniowanie jądrowe Strona 155 1. a) alfa b) beta 2. Do światła najbardziej podobne jest promieniowanie gamma. Podobnie jak ono, promieniowanie gamma jest promieniowaniem elektromagnetycznym, ale jego częstotliwość jest znacznie większa (a długość fali – znacznie mniejsza) niż w przypadku światła widzialnego. 3. czerwone – promieniowanie alfa (o ładunku dodatnim i dużej masie) nieznacznie odchyla się w kierunku płyty o ładunku ujemnym niebieskie – promieniowanie beta (o ładunku ujemnym i małej masie) silnie odchyla się w kierunku płyty o ładunku dodatnim zielone – promieniowanie gamma (elektrycznie obojętne) nie ulega odchyleniu w polu elektrycznym 4. czarne – promieniowanie alfa, zatrzymuje je papier czerwone – promieniowanie beta, nieznacznie wnika w ludzkie ciało zielone – promieniowanie gamma, najbardziej przenikliwe, bez trudu przenika przez ludzkie ciało 5. C
18. Reakcje jądrowe Strona 160 1. a) cząstkę
29
b) cząstkę 2. W czasie rozpadu alfa liczba atomowa zmniejsza się o 2, a liczba masowa zmniejsza się o 4:
3. a) 86 protonów, 222 – 86 = 136 neutronów b) 86 – 2 = 84 protony i 136 – 2 = 134 neutrony c) polon 4. W czasie rozpadu beta liczba atomowa zwiększa się o 1, a liczba masowa nie ulega zmianie (liczba neutronów zmniejsza się o 1):
5. a) 7 protonów, 16 – 7 = 9 neutronów b) 8 protonów (ich liczba wzrosła o 1), 8 neutronów (ich liczba zmniejszyła się o 1) c) tlen 6. rozpad , powstaje rad przebieg reakcji:
7. a)
30
b)
19. Czas połowicznego rozpadu Strona 165 1. 2 tony (od powstania Ziemi minął czas połowicznego rozpadu uranu, w tym czasie połowa jąder rozpadła się) 2. 24 godziny to 4 czasy połowicznego rozpadu technetu (wynosi on 6 godzin). Liczba jąder tego pierwiastka czterokrotnie zmniejszyła się w tym czasie o połowę. To oznacza, że pozostała tylko 1/16 ich początkowej liczby i będzie można zbadać tylko jednego pacjenta. 3. Hel powstał w wyniku rozpadów alfa jąder innych pierwiastków. 4. Z wykresu rozpadu promieniotwórczego można odczytać, że 57% początkowej liczby jąder pozostaje po czasie równym około 0,8 czasu połowicznego rozpadu, czyli od śmierci faraona minęło:
Faraon zmarł około 2600 roku przed naszą erą. 5. Z wykresu rozpadu promieniotwórczego można odczytać, że 74% początkowej liczby jąder pozostaje po czasie równym około 0,45 czasu połowicznego rozpadu, czyli od śmierci kobiety minęło:
Kobieta zmarła około 600 roku przed naszą erą.
20. Energia jądrowa Strona 173 1. Nie. Energia wydziela się w czasie tworzenia jądra helu z jąder wodoru; aby zachodziła reakcja odwrotna, należałoby do układu dostarczać energię.
31
2. a) W niektórych reakcjach łączenia się jąder atomowych wydziela się energia. b) W niektórych reakcjach dzielenia się jąder atomowych na mniejsze części wydziela się energia. 3. Zdanie jest nieprecyzyjne. W elektrowni atomowej (a raczej „jądrowej”) energia produkowana jest w reakcjach rozpadu ciężkich jąder atomowych na mniejsze części. Słońce zaś produkuje energię w procesie syntezy, w którym 4 jądra wodoru łączą się, tworząc jądro helu. Prawdą jest, że na Słońcu i w reaktorach uwalnia się energia zgromadzona w jądrach atomowych (z czym nie mamy do czynienia w reakcjach chemicznych). Zachodzące procesy są jednak przeciwne. 4. 5. Produktem reakcji w elektrowni termojądrowej byłyby jądra helu. Są one stabilne (nie ulegają rozpadowi) i nie stanowiłyby zagrożenia promieniotwórczego. Pierwiastek jest gazem szlachetnym (nie wchodzi w reakcje chemiczne). Nie byłby niebezpiecznym odpadem. Hel ma gęstość mniejszą od powietrza, można by go więc wykorzystywać do napełniania balonów. 6. powstaje neutron
7. a)
b)
21. Deficyt masy Strona 179 1.
Energie mają zbliżone wartości. 32
2.
3.
4. deficyt masy:
energia:
5. a) deficyt masy:
energia:
b)
D. Życie Słońca Strona 182 1. Jeśli kolejne pokolenie pojawia się co 25 lat, a Słońce stanie się czerwonym olbrzymem za 5,5 miliarda lat:
33
2. I. II.
gwiazda produkująca hel z wodoru, czerwony olbrzym,
III.
biały karzeł,
IV.
zimna i ciemna kula
3. Należy połączyć 3 jądra helu. Reakcja taka będzie zachodzić w Słońcu za około 5,5 – 7 miliardów lat. 4. a)
1,4 razy większa od gęstości wody b)
10 000 razy mniejsza niż gęstość powietrza c)
100 000 razy większa niż gęstość ołowiu 5. Zachodziłaby reakcja chemiczna:
Porównując masy molowe: 12 gramów węgla (1 mol) łączyłoby się z 32 gramami tlenu (cząsteczka, mol ma masę 2 razy 16 gramów). Jeśli proporcje pierwiastków byłyby właściwe, masa węgla słonecznego wynosiłaby:
Czas palenia to iloraz dostępnej energii i mocy Słońca:
34
D. Życie gwiazd – kosmiczna menażeria Strona 186 1. Rysunek przedstawia życie gwiazdy ciężkiej. Świadczą o tym: czwarty obrazek (wybuch gwiazdy supernowej) i ostatni obrazek (czarna dziura). Podpisy: kurczący się obłok gazowy, gwiazda podobna do Słońca (synteza helu z wodoru), czerwony olbrzym (synteza węgla i cięższych pierwiastków), wybuch gwiazdy supernowej, czarna dziura 2.
3. a)
b)
4. Gwiazdy o większej masie przechodzą pełny cykl ewolucji szybciej niż gwiazdy o mniejszej masie. W tym znaczeniu cytowane hasło ich dotyczy.
22. Wszechświat Strona 191 1. 10 milimetrów odpowiada 25 tysiącom lat, czyli: A – I (2 mm, 5000 lat), B – III (11 mm, 30 000 lat), C – IV (20 mm, 50 000 lat) 2. a) około 14 mld lat – 6 mld lat = 8 mld lat po Wielkim Wybuchu b) Nie mógłby. Obserwowałby w tej chwili naszą Galaktykę taką, jaka była 6 miliardów lat temu. Wiek Słońca to około 4,5 miliarda lat. 3. Dalej (3 razy dalej) znajduje się galaktyka, która oddala się z większą prędkością (300 km/s). Prędkość ucieczki jest proporcjonalna do odległości, w jakiej galaktyki się znajdują.
35
4. Oddalanie się galaktyk mogło być hamowane przez siłę przyciągania grawitacyjnego działającą między nimi. 5. Wszystkie cząstki elementarne, z których zbudowany był Wszechświat, tworzyły jedno skupisko materii. Odległości między sąsiednimi cząstkami były porównywalne do odległości, jakie obecnie dzielą atomy w gwiazdach. W pewnym sensie była to „jedna, potężna gwiazda”. 6. Nie. Pierwotna materia Wszechświata zbudowana była z wodoru i helu. W pierwszych gwiazdach nie mogło być innych pierwiastków. Cięższe jądra (w tym żelazo) powstały w wyniku reakcji termojądrowych w czasie ewolucji gwiazd.
Zadania powtórzeniowe To trzeba umieć Strona 195 1. B 2. B 3. C 4. A 5. A 6. Tak. Jest to możliwe w procesie syntezy jądrowej lub rozszczepienia jądra atomowego. 7. B 8. B 9. A
To powinieneś umieć Strona 196 1. A 2. C 3. B
36
4. C 5.
6. pozytywne: możliwość wykorzystania w diagnostyce i leczeniu negatywne: działanie rakotwórcze, uszkadzanie komórek ciała 7. B 8.
9. Jądra atomowe o takiej samej liczbie masowej to izobary. Przykłady: wodór – 3 (1 proton, 2 neutrony) i hel – 3 (2 protony, 1 neutron), węgiel – 14 (6 protonów i 8 neutronów) i azot – 14 (7 protonów, 7 neutronów) azot – 17 (7 protonów, 10 neutronów) i tlen – 17 (8 protonów, 9 neutronów) 10. B
To warto umieć Strona 197 1. C 2. D 3. Masa sześciokrotnie zmniejszała się o połowę. To oznacza, że w ciągu minuty upłynęło 6 czasów połowicznego rozpadu. Czas ten wynosił więc 10 s. 4. jest to rozpad alfa deficyt masy: energia:
37
5. Z wykresu rozpadu promieniotwórczego można odczytać, że 40% jąder pozostaje po upływie około 1,3 czasu połowicznego rozpadu, czyli:
6. B 7. obecnie:
gdy zacznie spalać hel:
8.
pierwsza grupa: pluton, rad druga grupa: hel, azot trzecia grupa: żelazo
Dasz sobie z tym radę? – Świetnie! Strona 197 1.
deficyt masy:
energia:
2. promienie Słońca, Ziemi i „zmniejszonej Ziemi” (r) spełniają warunek:
38
3. Z wykresu rozpadu promieniotwórczego wynika, że 85% początkowej liczby jąder pozostaje po czasie równym około 0,23 czasu połowicznego rozpadu. Wiek przedmiotów wynosi:
Przedmioty pochodzą z VIII wieku.
39
