Реальный задачник

Эмблема (2)

На эмблеме войск радиационной, химической и биологической защиты внизу расположен знак биологической опасности, а сверху расходятся лучи символизирующие альфа-,бета- и гамма-излучение. Можете объяснить, какой луч какому типу излучения соответствует?

Найди ошибку художника (1)

Художник, любящий симметрию, вот так перенес на магнитик для холодильника знак войск РХБЗ. Найди у него существенную физическую ошибку

Модель (2)

Демонстраций по физике атомного ядра немного, и преподаватель Диркова Елена Юрьевна предложила следующую (см. фотографию из ее диссертации [16])

В вертикальную панель из негорючего материала с отверстиями вставляются рядами спички. Спичка в нижнем ряду поджигается. Какое ядерное явление моделируется в этой демонстрации?

Обратите внимание: на панели ДВА одинаковых вертикальных поля из головок спичек - левое и правое. По задумке Елены Юрьевны поджигаются ДВЕ спички одновременно, слева и справа. Зачем ДВЕ одновременные демонстрации одного и того же явления?

"Праздник, который всегда с нами" (4)

Выпишите массовые и зарядовые числа радиоактивных изотопов. Некоторые образуются при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли. Часть досталась нам в наследство после образования Земли. Используйте карту атомных ядер. Следует выбирать самые долгоживущие из нестабильных изотопов каждого указанного элемента. Техногенный радиационный фон формируется за счет выбросов радиоактивных изотопов атомными и тепловыми электростанциями, а также за счет ядерных взрывов. Для ядерных взрывов и атомных электростанций (на рисунке справа эти изотопы отмечены розовым цветом) следует вписывать массовые числа для долгоживущих нейтронно-избыточных изотопов.

Рисунок - слайд Петровой Т.С., старшего научного сотрудника кафедры радиохимии Химического факультета МГУ

"Радиация - это праздник, который всегда с нами" - любимая цитата преподавателя общего ядерного практикума МГУ Кэбина Эдуарда Иоханнесовича. Иногда с добавкой "Он был и с динозаврами тоже"

Ядерное сумо (2)

В повести «Диаспора» австралийского фантаста Грега Игана [13] ученые, анализируя спектрограммы атмосферы далекой планеты, с удивлением видят, что водород, углерод, азот, кислород и сера на этой планете присутствуют только в виде самых тяжелых стабильных изотопов. Какие это изотопы?

Вам поможет фрагмент таблицы [14] известных нам сейчас изотопов. Под названием изотопа для нестабильных ядер указаны периоды полураспада, для стабильных - процентное содержание в природе. Не пугайтесь подписей с плюсами и минусами – эти числа характеризуют момент импульса невозбужденного ядра, и Вам не понадобятся.
Какую ошибку допустил фантаст? Грег Иган пишет в повести: «На Свифте (название планеты) были только дейтерий, углерод-13, азот-15, кислород-18, сера-34: самые тяжелые стабильные изотопы каждого элемента».
*Выскажите свое предположение, как масса ядра может влиять на энергии переходов электрона с одной стационарной орбиты на другую?

Элемент для звездолета (3)

В космическом сериале «Звездный крейсер «Галактика» сюжет завязан «энергетическим узлом» - для пространственных скачков звездолеты используют элемент под названием «тилиум»[1]. Утверждается, что он стабилен, но если вызвать его распад, то можно получить энергию в шесть раз больше, чем при распаде урана-235, причем продукты распада будут стабильны. Как Вы думаете, возможен ли такой элемент в нашей Вселенной?

(рисунок-подсказка слева)

Золотая лужа (3)

В книге Геннадия Прашкевича «Записки промышленного шпиона. Ловля ветра» так описывается принцип действия философского камня:
«Небольшая трансформация – и ртуть превращается в золото, более чистое, чем природное. Совсем небольшая трансформация, нужно лишь выбить из ее ядра один протон. Этого достаточно, чтобы ртуть превратилась в золото, а частично – в платину, таллий, в другие стабильные изотопы ртути.– Такую реакцию вполне можно осуществить, если иметь под рукой некое вещество, способное активно испускать антипротоны… подумай, что бы произошло, опусти мы гран подобного вещества в лужу ртути? Антипротоны незамедлительно вошли бы в реакцию с протонами ядер ртути. Иными словами, прямо на глазах эта лужа превратилась бы в лепешку золота.

Итак, философский камень, описанный доктором Хэссопом из книги, мысленно опустим в лужу ртути. Все ядра ртути, предположим, получили «в подарок» антипротон. Опишите качественно состав бывшей лужи. Для объяснений воспользуйтесь картой атомных ядер.

Кластерная радиоактивность (5)

Не думайте, что все типы радиоактивности открыты давно. В 1984 году экспериментаторы из Оксфорда доказали [2], что при распаде ядер изотопа радия Ra-223 на миллиард альфа-частиц примерно в одном случае вылетает ядро изотопа C-14. Доказать это было нелегко. Эксперимент длился 194 дня, зарегистрировано было 8 событий вылета ядер углерода. Этот тип радиоактивности назвали кластерной радиоактивностью. Оцените, во сколько раз будут отличаться радиусы траекторий ядер гелия и ядер углерода-14 в магнитном поле, перпендикулярном направлению их скорости. Учтите, что энергии у вылетающих из Ra-223 ядер гелия и углерода различны, т.к. в результате распада образуются разные дочерние ядра. У вылетающих альфа-частиц энергия примерно 6 МэВ, у ядер углерода 32 МэВ.
Какой метод надежнее отличит альфа-частицы от ядер углерода-14: метод траектории в магнитном поле или метод определения ионизационных потерь? (Ионизационные потери пропорциональны квадрату заряда вылетающего ядра)

С меньшей вероятностью возможен вылет и других ядер (других изотопов углерода, кислорода-20, неона-24…). Какие дочерние ядра образуются в результате этих распадов? (1)
По графику зависимости удельной энергии связи от массового числа объясните причину такой большой кинетической энергии ядра углерода-14.(1)

"Я люблю радий, но я на него в обиде" (1)

Антуан Анри Беккерель, проносив 6 часов в кармане жилета пробирку с солью радия, ощутил сильное жжение. Кожа покраснела, позже там образовалась язва. Рассказывая об этом супругам Кюри, Беккерель воскликнул: "Я люблю радий, но я на него в обиде".[15, с.61]
На рисунке предыдущей задачи приведена последовательность радиоактивных превращений, которую претерпевают ядра радия-226. На каждом превращении отмечен тип ядерного излучения, испускаемого соответствующими ядрами. Какой тип излучения, по Вашему мнению, стал причиной радиодерматита Беккереля? Можно ли писать его фамилию с маленькой буквы?

Цепочка радия-226

На схеме приведен кусочек цепочки ядер радиоактивного распада. Указаны период полураспада данного ядра, вид распада и для альфа-распадов приведены энергии испускаемых альфа-частиц.
а) Пользуясь таблицей Менделеева, заполните пустые клеточки.(2)
б) Альфа-частицы источника радия-226 регистрировались полупроводниковым детектором. В эксперименте была получена следующая зависимость числа альфа-частиц (ось у) от энергии (ось х, условные единицы):

Объясните, какому изотопу соответствует каждый из этих пиков.(2)
в) Как Вы считаете, есть ли зависимость энергии испускаемых альфа-частиц от периода полураспада родительского ядра?(3)

Из воспоминаний Марии Кюри [15, c.61]:

«Еще удивительнее было открытие выделения радием тепла. Без малейшего внешнего изменения это вещество выделяет каждый час количество тепла достаточное для расплавления льда равной массы. Если защитить радий от внешних потерь тепла, то он нагревает себя. Его температура может подняться на 10 градусов и выше в сравнении с температурой внешней среды. Это был вызов всему существовавшему научному опыту» а) Оцените энерговыделение радия.(2)
б) Можно ли по приведенным данным оценить теплоемкость радия? (3)

Цепочка тория-232 (2)

Однажды к нам в практикум пришел жизнерадостный, но обеспокоенный человек с любимым фотоаппаратом. Он вычитал, что в объективах старых фотоаппаратов иногда использовался торий. Он волновался, что в аэропорту зарубежом его могут задержать, и забрать отличный инструмент.
Самый хороший детектор в нашей лаборатории (и самый дорогой)- германиевый детектор в специальном ядерном практикуме. Именно с его помощью мы изучили гамма-спектр излучения фотоаппарата и обнаружили, что никаких дополнительных к фону линий гамма-излучения у него нет. "Теперь будем смотреть альфа и бета?"- спросил обеспокоенный гражданин. Догадайтесь, что мы ему ответили? Подсказка: цепочка радиоактивных превращений тория-232

Когда дозиметр не выбирают (2)

Изучите дозиметрическую обстановку с помощью незнакомого дозиметра. Переведите его показания в систему СИ, там где это необходимо. Оцените радиационную опасность в каждом из трех случаев.

Где ты, Шерлок Холмс?* (3)

Проверьте свои криминалистические способности:
В 4-ом фильме режиссера Армена Петросяна «Была ли ядерная война до нашей эры? Индийский след» (эфир 14.07.2011) из цикла «По следам тайны» рассказывается о раскопанном в начале 20-го века древнем городе Мохендж-Даро. Как одно из доказательств гибели города от ядерного удара приводится дозиметрическое измерение активности его камней. Перед Вами снимок из фильма.
Характеристики данного дозиметра Вы можете прочитать тут: (Фотография прибора хорошего качества в самом низу странички. 350 евро, однако) Обратите внимание, что переключатель в верхней части прибора имеет три положения:
левое - бета+гамма
среднее - гамма
правое - альфа+бета+гамма
Во сколько раз показание дозиметра, приложенного к камням Мохендж-Даро превышает средний радиационный фон по Москве?

Баран (1)

1951 год, проводилось рядовое испытание железобетонных камер для защиты от радиации во время ядерного взрыва. На разных расстояниях (250, 500 и 750 м) в них помещались животные, после ядерного взрыва военные приезжали, забирали и отвозили бедолаг медикам. В камере на 250 м от взрыва барану повредило заднюю ногу деревянным брусом, но, когда его стали вытягивать из железобетонного кубика, он вырвался из рук солдат, и бросился на трех ногах к … эпицентру. Все бросились его догонять (защитный костюм состоял из комбинезона, резиновых сапог и перчаток, противогаза или респиратора). Вспоминает военный инженер Вьюков [3]: «Ну, этот дурак нахватается!» - подумал я о баране.
Какой тип излучения догонявшие люди получали в такой же мере, что и баран? Ответ

Получи Нобелевскую премию 1969 года (3)

В середине 20 века стало ясно, что протон и нейтрон – представители большого зоопарка барионов. Мюрей Гелл-Манн в 1962 году предсказал существование еще одного бариона, позже предположил, что каждый из них состоит из трех кварков – частиц с дробным зарядом. Посмотрите на рисунок с барионами[4], которые были известны, и предскажите для омега-минус, открытого в 1964 году

• заряд
• кварковый состав
• массу

"Курица и яйцо" (4)

Борис Болотов (скромно названный в [5] Прометеем ХХ века) заметил, что курица клюет песок (кремний), а яйца несет со скорлупой из кальция. Он сделал вывод, что в организме курицы кремний превращается… Он проверил свою гипотезу – поставил следующий эксперимент: не давал курице кальций, а давал песок. Она все равно несла яйца со скорлупой из кальция. Запишите ядерную реакцию в организме курицы по Болотову. Является ли гипотеза Болотова доказанным фактом?

Период полураспада (2)

При облучении алюминия альфа-частицами на циклотроне в 1937 году, наблюдалась следующая реакция [6]: Какой изотоп образуется в этой реакции? Опыт показал, что он радиоактивен и испускает позитроны. На рисунке Вы видите, сколько позитронов регистрировалось электроскопом в секунду. По результатам эксперимента оцените период полураспада исследуемого изотопа.

Сосновые чурбаки (1)

Ленинград, Радиевый институт. Циклотрон был заложен в 1932 году, пучок дал в 1937 (были проблемы с вакуумом). Пучок ионов выбивал нейтроны из циклотронной мишени. Нейтроны использовались для исследований. При одном испытательном запуске руководитель Игорь Курчатов потерял сознание, и было принято решение усилить защиту. Курчатов предложил экран из поленьев. К концу дня лаборатория напоминала дровяной склад из мокрых сосновых чурбаков.
Курчатов:
- Отныне станем управлять циклотроном только из-за поленницы! Дрова будем ежедневно …
1) сжигать 2) поливать 3) рубить 4) перекладывать

Из под носа у фашистов (1)

Тяжелая вода - эффективный замедлитель нейтронов. В 1940 году английские спецагенты эвакуировали 185 кг тяжелой воды в 26 канистрах из Норвегии во Францию из-под носа у фашистов. У агентов на случай провала операции для «отравления» тяжелой воды были …
1) радий 2) бериллий 3) бор 4) кадмий

Оценка гипотезы (3)

Радиоуглеродное датирование образцов Плащаницы (2,3 кв.см каждый) различными лабораториями, 1988 год

Лаборатория	Возраст в годах (до 1950 г.)	Календарный год
Аризона	646 ± 31	1304 ± 31
Оксфорд	750 ± 30	1200 ± 30
Цюрих	676 ± 24	1274 ± 24

В 1989 году физик Томас Филлипс из лаборатории высоких энергий Гарвардского университета предположил, что в момент воскрешения Христа его тело испустило мощный импульс тепловых нейтронов (ибо что мы знаем о физике воскрешения? [7]). При этом некоторые ядра С-13, захватывая нейтроны могли превратится в ядра С-14, «омолодив» таким образом ткань плащаницы с точки зрения радиоуглеродных исследований. Ваше мнение об этой гипотезе?

Поток нейтронов Марса (2)

На борту американской АМС (автоматической межпланетной станции) 2001 Mars Odyssey находился российский прибор HEND, измерявший поток нейтронов от Марса.Вы видите глобальную карту нейтронного излучения Марса в диапазоне быстрых нейтронов (0.85–17 МэВ) Какой вывод сделали исследователи, наблюдая дефицит нейтронов от полюсов Марса?

Дознание пилота Пиркса (3)

В фильме «Дознание пилота Пиркса» (Таллинфильм и ПРФ ЗФ ПНР, 1979 г. по книге Станислава Лема) Пиркс назначен командиром корабля, в составе его команды есть и роботы и люди. При знакомстве он задает короткие вопросы, пытаясь определить, кто есть кто. Пиркс спрашивает:"Отис, Вы — электронщик. Сколько, по Вашему, рентген, Вы можете выдержать в течении часа?"

• Какой ответ правильный для человека?
• Какой может быть эта величина для робота?

Инженер подозревает, что второй пилот Браун - робот. Он рассказывает:
«Я взял из горячей зоны реактора стержень в защитном пенале и поместил его в переборку прохода к командному отсеку. Все прошли мимо, не обратив внимания. Только Браун остановился, посмотрел туда, где находился пенал и пропустил меня вперед. Значит, Браун сконструирован так, что он реагирует даже на минимальное облучение»

• Из какого материала, как Вы думаете, этот стержень?
• Какой радиационный фон нормальный для человека?
• Каким, по Вашему мнению, был фон в проходе после установки стержня?
• Оцените, каким был фон в непосредственной близости от контейнера
• У инженера-нуклеони (как его называли в фильме, по-видимому, сокращая должность специалиста по ядерным реакторам), фамилия была, как у единицы измерения магнитного потока в системе СИ. Какая?

О бериллие-10 (2)

Многие изотопы образуются в верхних слоях атмосферы Земли под действием космических лучей. Один из них – бериллий-10 - на частичках пыли с дождем попадает на землю. [9,c.170] Период его полураспада 1,5 миллиона лет.
Допишите ядерные реакции, в которых он рождается:
Какая из этих реакций может быть индикатором ранее проводившихся в данном месте ядерных взрывов?

Ядерная загадка (1)

Сквозь железо пройдет
Через свинец пробежит
А из воды не выйдет

Танчик (1)

Зачем американскому тяжелому танку Abrams слой обедненного урана?

Найди ошибку журналиста (2)

Научным журналистом быть непросто. Хорошую статью для "Аргументов и фактов" в 2011 году написал Белоусов [10, c.14]. А вот по физике в чем-то он ошибся. Найдите его ошибку.

антиЕГЭ (шуточное) (1)

На сайте protown.ru написано: «Средний уровень радиационного фона по Москве - 11 микрорентген в час, при норме в 30 микрорентген. В Московском метро он может превышать этот уровень в несколько раз, что также является нормальным». Прокомментируйте информацию о радиационном фоне в метро:

1. В 1940 году на станции «Динамо» физики Петржак и Флеров полгода приводили измерения с ураном (доказали существование самопроизвольного деления ядер урана). После праздника у них могли дрожать руки, и они просыпали уран на станции, а электрички развезли его по всему метро
2. В Габоне на месторождении Окло 2 млрд лет назад работал природный ядерный реактор – это доказанный физиками и геологами факт. Реактор возник в результате затопления пористых богатых ураном пород грунтовыми водами, которые выступили в качестве замедлителей нейтронов. Наше метро тоже заливают грунтовые воды, и у нас тоже мог начать работать такой природный реактор, потому и превышение фона
3. В оформлении станций метро используется гранит и мрамор – материалы, содержащие природный уран, который в процессе радиоактивных превращений превращается в тяжелый инертный радиоактивный газ радон. Поэтому фон в метро может быть повышенным
4. Это интернет-«утка». Фон в метро должен быть меньше, чем наверху, так как толща земли экранирует часть космических лучей (иначе зачем бы Петржак и Флеров приезжали из Ленинграда в московское метро?)

Шива и Гейзенберг (2)

После пламенного рассказа молодого учителя о соотношении неопределенностей Гейзенберга, о рождении пар частица-античастица из вакуума, об испарении черных дыр, поднялась одинокая рука. Леша, излучая скромность и наивность, встал и заметил:
- Что в этом нового? В Индии это знали тысячи лет назад,-
И с планшета он зачитал:
"Шива танцует сразу во всех мирах… и среди звезд, и в атомах. В верхней правой руке он держит барабан, которым вызывает бытие из небытия. Там-тарарам – отбивает космическую побудку. В верхней левой руке он держит пламя, которым уничтожает сотворенное им. Он танцует первый танец – о, какое счастье! Он танцует другой – о, какая мука!"
Разве в этом тексте не говорится о том же – рождении из вакуума и уничтожении, но сильнее и ярче? К тому же в индийском видении процесса, есть и этическая сторона:
«Нижняя правая рука Шивы поднята вверх, ладонь повернута – он словно говорит «Не бойтесь! Все в порядке!»
Зачем же нужна Ваша трактовка рождения частиц из вакуума?
Леша сел, наслаждаясь эффектом. На задней парте, подхватив идею, уже начали пробовать положения рук в танце Шивы.
Выручайте учителя, ответьте Леше!

Анкета «Радиация – угроза и надежда» (2)

Нарисуйте стрелки, соединяющие соответствующие объекты:

Есть радиоактивное вещество. В каких единицах измеряется его активность?______
Где знак радиационной опасности?
Может ли здоровый человек быть радиоактивным?_______
Знаете ли Вы такой прибор – дозиметр?_______
Пользовались ли Вы когда-нибудь дозиметром?_______
(Если ДА, то) В каких единицах он показывает измеренные значения?_______
Больному человеку в аденому предстательной железы ввели несколько радиоактивных источников с изотопом йод-125 (период полураспада 56 дней). Как Вы думаете, зачем?_______________________________________________________________________________
На Марс несколько лет назад с Земли отправили около 5 килограмм окиси плутония-238. Для чего, какВы думаете?
Почему отправили окись плутония, ведь каждый грамм груза требует дополнительноого топлива? __________________________________________________________________

Анкета по радиоэкологии (4)

С конкурса проектов "Энергия будущих поколений-2014", Р.А. Хаджимагомадов

Объяснение Менделеевым опыта Кюри (3)

Дмитрий Иванович Менделеев в работе «Попытка химического понимания мирового эфира» привел следующий пример доказательства существования эфира [11] (см. фото слева)
Оцените интерпретацию эксперимента и объяснение свечения Солнца Менделеевым

Открытие (3)

В мае 2002 года экспериментаторы, работающие на французском ионном ускорителе GANIL с английским мультидетектором Charissa и франко-бельгийским нейтронным детектором DEMON (по перечисленным непонятным названиям ясно, что детекторы ОЧЕНЬ серьезные) сообщили об обнаружении новой частицы. Они утверждали, что зарегистрировали 6 событий в предполагаемой реакции столкновения ионов Be-14 с углеродной мишенью:

• что это за частица по их предположению?
• добавлять ли в таблицу Менделеева новый элемент (кстати, куда)?

Урановая "машина времени"

1 ступень (3). Самоподдерживающаяся ядерная реакция деления возможна при содержании урана-235 около 3% (97% U - 238). Оцените, сколько лет назад на Земле в месторождениях урана при благоприятных условиях могла протекать такая реакция.

2 ступень (5). В 2000 году на Московской городской олимпиаде по физике 11-классникам предлагалась следующая задача: [8,c.127]:
Природный уран состоит на n₁=0,7% из изотопа ²³⁵U и на n₂=99,3% из изотопа ²³⁸U. По современным представлениям, все элементы тяжелее железа образовались при взрывах сверхновых звезд, а после этого из получившихся газопылевых облаков возникли звезды следующего “поколения”, в частности, Солнце и планеты Солнечной системы. По-видимому, в этих выбросах всех изотопов урана было примерно поровну. Оцените, сколько лет назад произошел тот выброс вещества, из которого сформировалась наша Земля. Период полураспада, то есть время, в течение которого число атомов данного изотопа уменьшается в 2 раза, для ²³⁵U равно Т₁=7 × 10⁸ лет, а для ²³⁸U - Т₂=4,5×10⁹ лет.

3 ступень (10). Если Вам удастся решить олимпиадную задачу 2000 года сравните полученный результат и для третьего, еще более редкого изотопа урана - ²³⁴U. Какие выводы следуют из этих расчетов?

Литература:

1. http://en.battlestarwiki.org/wiki/Tylium
2. Rose, H. J. and Jones, G. A. (1984-01-19). A new kind of natural radioactivity Nature, 307, (5948), 1984г., p. 245–247
3. Вьюков, А.Н. На грани особого риска / А.Н. Вьюков // Курчатовский институт История атомного проекта вып. 4 Москва 1995, с. 73-130
4. Дайсон, Ф. Математика и физика./ Ф. Дайсон // УФН. - 1965. - т.85 вып.2 - с. 351-364.
5. Борис Болотов Несколько слов о себе http://www.beztabletok.ru/images/stories/beztabletok/bolotov/about.htm
6. Ridenour, L.N., Henderson, W.J., Artificial Radioactivity Produced by Alpha-Particles. // Physical Review. – 1937. - vol.52 No9 – c. 889-900
7. В. Сурдин «Туринская плащаница»// Наука и жизнь, 2007, №11, с. 107
8. Варламов С.Д., Зиньковский В.И., Семенов М.В., Старокуров Ю.В., Шведов О.Ю., Якута А.А. Задачи Московских городских олимпиад по физике. 1986-2005: Под ред. М.В. Семенова, А.А. Якуты – 2-е изд., исправл. – М.: МЦНМЩ, 2007. – 624 с. –ISBN 978-5-94057-219-0
9. Титаева Н.А. Ядерная геохимия: Учебник. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2000. - 336 с. ISBN 5-211-02564-4
10. Белоусов А., Наши люди на «вырост»: для «атомного» образования в Россию едут иностранные студенты // АиФ. №49 – 07.12.2011. –с. 14 http://www.aif.ru/society/education/29710 31.01.2015
11. Менделеев Д.И. - Попытка химического понимания мирового эфира, С-Петербург, типолитография Фроловой,1905. с.38-39
12. Фото медной статуэтки Шивы http://indiatv.ru/forum/viewtopic.php?f=42&t=4624&start=1890 автор Добрый Зритель
13. Greg Egan Diaspora, HarperCollinsPublishers Inc., N.Y., 1998 ISBN: 0-06-105798-3
14. Карта атомных ядер / Варламов В.В., Ишханов Б.С., Комаров С.Ю., НИИЯФ МГУ http://cdfe.sinp.msu.ru/services/ground/NuclChart_release.html
15. М. Кюри Пьер Кюри //Пьер и Мария Кюри ЖЗЛ – М.: Изд-во ЦК ВЛКСМ «МОЛОДАЯ ГВАРДИЯ», 1959. - 426 с.

16.