H7 --- 18/11/08 H7 --- 18/11/08 NN ATUURKUNDEATUURKUNDE - 5 - 5 VWOVWOPROEFWERKPROEFWERK

N

N

ATUURKUNDE

ATUURKUNDE

- 5

- 5

VWO

VWO

PROEFWERK

PROEFWERK

H7 --- 18/11/08

H7 --- 18/11/08

Opgave 1: Sterilisatie (16 p)

Medische artikelen, zoals injectiespuiten en naalden, mogen na gebruik niet zomaar weggegooid worden, omdat ze verontreinigd kunnen zijn met schadelijke micro-organismen. Daarom worden ze eerst gesteriliseerd door ze te bestralen met γ-straling. Daarna worden ze afgevoerd.

Een medewerker van een afvalverwerkingsbedrijf vraagt zich bezorgd af of hij de bestraalde artikelen wel mee zal nemen omdat hij bang is dat deze na de

behandeling ioniserende straling uitzenden.

a) Leg uit of deze bezorgdheid terecht is of niet. (2p)

Als stalingsbron voor het steriliseren wordt kobalt-60 gebruikt.

b) Geef de vervalreactie van kobalt-60.

(3p)

De kobaltbron bevat op een bepaalde dag 5,0·1020 _{atomen kobalt-60. Als het aantal}

kobalt-60-atomen in de bron is afgenomen tot 2,0·1020 _{moet de bron vervangen}

worden.

c) Bereken na hoeveel tijd de bron vervangen moet worden.

(3p)

Je mag hierbij GEEN gebruik maken van de CALC-intersect-functie van je GRM!

De γ-fotonen uit het kobalt-60 maken de micro-organismen onschadelijk. De stralingsdosis ten gevolge van de β-straling wordt in deze opgave buiten beschouwing gelaten.

Om ook de taaiste micro-organismen onschadelijk te maken is een stralingsdosis van minstens 1·104 _{Gy nodig. Men wil de bestraling niet langer laten duren dan 15}

minuten. Het te bestralen micro-organisme heeft een massa van 0,020 µg.

d) Bereken hoeveel stalingsenergie er per seconde (minstens) geleverd moet

worden om de gewenste dosis te bereiken. (3p)

(Heb je bij d) geen antwoord gevonden, reken dan verder met een energie van 5,0·10-9 _J/s.)

De γ-fotonen uit het kobalt-60 hebben elk een energie van 2,0 MeV.

e) Bereken hoeveel γ-fotonen het micro-organisme per seconde minstens

moeten treffen. (2p)

Om te voorkomen dat te veel γ-straling de buitenwereld bereikt, wordt het bestralen uitgevoerd in een ijzeren vat.

f) Bereken hoe dik dit vat moet zijn als slechts 5% van de uitgezonden γ-straling

door het vat heen mag komen. (3p)

Opgave 2: gasontladingsbuis (4 p)

In een gasontladingsbuis zijn het gassen die licht geven. Bij een gasontladingslamp krijg je altijd een lijnenspectrum. De werking ervan begint doordat een elektron uit de kathode wordt vrijgemaakt. Leg kort, maar natuurkundig duidelijk uit:

- waarom het gas in een gasontladingslamp een lage druk moet hebben; - wat er met een gasatoom gebeurt als een vrijgemaakt elektron op het atoom

botst;

- waarom het gas dan licht gaat geven;

- waarom dat licht een lijnenspectrum vormt en geen continu spectrum. (4p)

Opgave 3: Foto-elektrisch effect (13 p)

In figuur 1 zie je een schematische weergave van een opstelling waarin het foto-elektrisch effect (FEE) wordt toegepast: op een kathode (K) laat men licht vallen met een bepaalde frequentie; als het licht voldoende energie heeft, worden uit de kathode elektronen vrijgemaakt die naar de anode (A) gaan bewegen; dan meet de µA-meter een fotostroompje. Door de instelbare spanning tussen anode en kathode (UAK)

worden de vrijgemaakte elektronen meer of minder naar de anode toegetrokken.

De kathode die we gebruiken is gemaakt van rubidium (Rb). We hebben drie monochromatische lasers die we gebruiken om licht op het rubidium te laten vallen:

- een rode laser met f = 0,450·1015 _Hz

- een groene laser met f = 0,560·1015 _Hz

- een blauwe laser met f = 0,640·1015 _Hz

Alle lasers zenden per seconde evenveel fotonen uit (de intensiteit is even groot).

a) Bereken voor alle drie lasers de energie van een foton in eV. (3p) b) Laat m.b.v. een gegeven uit BINAS zien dat het

foto-elektrisch effect optreedt bij de groene en de blauwe laser, maar niet bij de rode.

(2p)

c) Bereken de snelheid waarmee een elektron vrijkomt als het blauwe licht op de Rb-kathode valt.

(4p)

We meten voor de groene en de blauwe laser hoe groot de stroom is als we de spanning UAK variëren. Zie hiervoor de rechterzijde van figuur 2 (UAK ≥ 0).

d) Verklaar: (2p)

1. waarom de blauwe laser een grotere stroom I oplevert dan de groene als er geen spanning tussen anode en kathode staat (UAK= 0 V).

2. waarom bij grote spanning UAK de stroom I bij de groene en de blauwe

laser gelijk is.

LAATSTE VRAAG OP VOLGENDE BLADZIJDE!

Nu willen we er juist voor zorgen dat geen enkele van de vrijgemaakte elektronen de anode bereikt. Daarom gaan we de spanning tussen anode en kathode omkeren: de kathode wordt positief gemaakt, de anode negatief, zodat de

vrijgemaakte elektronen worden afgestoten.

Zie figuur 3 voor de opstelling (+ en – omgedraaid!) en de linkerzijde van figuur 2 (UAK < 0) voor de metingen.

In figuur 2 wordt de remspanning Urem genoemd. Dit is de

(negatieve) spanning tussen anode en kathode die nodig is om geen enkel elektron nog de anode te laten bereiken (I = 0 µA).

e) Verklaar waarom de remspanning Urem voor het blauwe licht groter is dan voor

het groene licht. (2p)

EINDE VAN HET PROEFWERK

Figuur

UITWERKING proefwerk H7 Opgave 1 (16 p)

a) Bestraald worden wil zeggen dat ioniserende straling op voorwerp valt (1p) Bevat daarna zelf geen radioactieve stoffen, dus zenden geen straling uit. Dus bezorgdheid niet terecht (1p) b) 60

27Co  6028Ni + 0-1e + γ

elektron rechts van de pijl, in juiste notatie (1p)

kloppend maken atoomnummer en massagetal (1p)

gamma-straling erbij (1p)

c) N(t) = N(0) · (½)t/t1/2 _{, halveringstijd = 5,27 jaar (1p)}

2,0·1020 _{= 5,0·10}20 _{· (½)}t/5,27

log 0,4 = t/5,27·log(½) (1p)

uitwerken: t = 5,27·log(0,4)/log(½) = 7,0 jaar (1p) d) 0,020 µg = 0,020·10-9 _{kg (1p)}

Eabs = D·m = 1·104 · 0,020·10-9 = 2,0·10-7 J (1p)

dus per seconde: 2,0·10-7_{/(15·60) = 2,22·10}-10 _{J = 2·10}-10 _{J (1p)}

e) 2,0 MeV = 2,0·106_·1,6·10-19 _{= 3,2·10}-13 _{J (1p)}

aantal fotonen = 2,22·10-10_/3,2·10-13 _{= 694 = 7·10}2 _(1p) (met 5,0·10-9_{J  15625 fotonen = 1,6·10}4₎

f) halveringsdikte ijzer bij 2,0 MeV  2,1 cm (1p) I(x) = I(0)· (½)x/d1/2

0,05 = (½)x/2,1 _(1p)

x = 2,1 log (0,05)/log(0,5) = 9,1 cm (1p)

Opgave 2 (4p)

- Lage druk, zodat vrijgemaakt elektron voldoende snelheid kan maken (1p) - Atoom neemt energie van elektron op, komt in aangeslagen toestand (1p) - Terugval naar grondtoestand gaat samen met uitzending fotonen (1p)

- Bij elke overgang hoort specifieke energie, dus specifieke frequente/kleur/lijn; beperkt aantal overgangen, dus beperkt aantal lijen (1p)

Opgave 3 (13p)

a) Ef = h·f = 6,626·10-34·0,45·1015 = 2,98·10-19 J = 1,86 eV (rood)

idem: 3,71·10-19 _{J = 2,32 eV (groen)}

idem: 4,24·10-19 _{J = 2,65 eV (blauw)}

gebruik E = h·f voor energie in J, met h juist (1p)

omrekenen naar eV (1p)

drie juiste antwoorden (1p)

b) BINAS 24: Wu, Rb = 2,13 eV (1p)

dus Ef is bij groen en blauw groter dan Wu, bij rood kleiner (1p)

c) Ek = Ef – Wu = 2,65 – 2,13 = 0,52 eV (1p)

omrekenen naar J  8,33·10-20 _{J (1p)}

Ek = ½ ·m·v2 met me = 9,1·10-31 kg (1p)

8,33·10-20 _{= ½ · 9,1·10}-31_·v2 _{ v}2 _{= 1,83·10}11 _{ v = 4,3·10}5 _{m/s (1p)}

d) 1. blauw licht: elektronen met meer energie vrij  meer bereiken overkant

 meer stroom (1p)

2. bij UAK groot bereiken alle elektronen overkant; intensiteit gelijk, dus gelijke

verzadigingsstroom (1p)