Leerdoelen 5

Bureauredactie

Lineke Pijnappels, Tilburg

Beeldresearch

Verbaal Visuele Communicatie BV, Velp

Technische illustraties

Jeannette Steenmeijer / Verbaal Visuele Communicatie BV, Velp

Vormgeving basisontwerp

Studio Bassa, Culemborg

Vormgeving en opmaak

Crius Group

Over ThiemeMeulenhoff

ThiemeMeulenhoff ontwikkelt zich van educatieve uitgeverij tot een learning design company. We brengen content, leerontwerp en technologie samen. Met onze groeiende expertise, ervaring en leeroplossingen zijn we een partner voor scholen bij het vernieuwen en verbeteren van onderwijs. Zo kunnen we samen beter recht doen aan de verschillen tussen lerenden en scholen en ervoor zorgen dat leren steeds persoonlijker, effectiever en efficiënter wordt.

Samen leren vernieuwen.

www.thiememeulenhoff.nl

ISBN 978 90 06 84098 8 Negende druk, eerste oplage, 2021

© ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2021

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16 Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieën in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl.

De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

Kern- en deeltjesprocessen

1 Subatomaire deeltjes 2 Kernreacties 3 Neutrino’s 4 Elementaire deeltjes en het standaardmodel 5 Versnellen en detecteren 6 Afsluiting

Leerdoelen Lijst van uitkomsten Register 7

8 16 22 29 37 45

52 55 56

Werken met Systematische Natuurkunde In een casino weet je nooit of je de jackpot wint. Dit is afhankelijk van

Alle leerstof die je nodig hebt voor het examen vind je in de leerboeken. Daarnaast gebruik je nog het tabellenboek BINAS. toeval. De eigenaar weet wel hoe vaak de jackpot gemiddeld valt. Ook

Wat kom je verder tegen in een leerboek? bij het vervallen van kernen heb je te maken met toeval. Hoe zit dat precies?

Theorie

In de theorie hebben belangrijke begrippen een blauwe kleur. Achter in dit boek staan deze begrippen bij elkaar in het register. Daarmee vind je snel terug waar een begrip besproken is.

Figuur 12.23

Het stralingsvermogen dat per oppervlakte-eenheid wordt ontvangen, noem je de intensiteit van de straling. Er geldt:12.4 Halveringstijd en activiteit

I =

Pbron _ 4π r 2 Radioactiviteit is een toevalsproces

▪ I is de intensiteit van de straling in W m−2 . ▪ ▪ Pbron is het stralingsvermogen in W. r is de afstand tussen de ontvanger en de bron in m. Radon-220 is een radioactief edelgas. Het komt vrij uit bouwmaterialen, en is in alle gebouwen aanwezig. Radon-220 vervalt onder uitzending van een alfadeeltje. De vergelijking van de vervalreactie is 86 220Rn → 84 216Po + 2 4α. De gemiddelde intensiteit van de elektromagnetische straling die vanaf de zon de aarde bereikt, heet de zonneconstante. De zonneconstante op aarde is gelijk aan Je kunt niet voorspellen wanneer een bepaalde kern vervalt: de ene radonkern 1,368·103 W m−2. Zie BINAS tabel 32C. vervalt binnen een microseconde, een andere radonkern blijft misschien meer dan duizend jaar bestaan. Over één enkele kern kun je dus niets zeggen. Bestudeer je echter een grote groep van radon-220-kernen, dan blijkt dat de helft daarvan binnen 55,6 s is vervallen. Welke kernen vervallen weet je niet van tevoren, alleen dat na 55,6 s nog maar de helft van het radon-220 over is.

Eenheden in de astrofysica

Een Om grote getallen te vermijden, worden in de astrofysica afwijkende eenheden applet is een nabootsing van een experiment op de computer. Via de methodegebruikt, bijvoorbeeld voor afstand en vermogen. Soms wordt een eenheid site kun je de applet uitvoeren. De opdrachten bij een applet krijg je via je docent. gebaseerd op waarden van de zon. De gemiddelde afstand van het midden van de aarde tot het midden van de zon heet Halveringstijd de astronomische eenheid AE. Door de ellipsvormige baan van de aarde om de zon ▶ fluctueert de afstand tot de zon van 1,47∙1011 m tot 1,52∙1011 m. In BINAS tabel 5 vind De tijdsduur waarin de helft van de radioactieve isotopen vervalt, noem je de applet je: 1 AEhalveringstijd 2= 1,49598·1011 m. Afstanden tot sterren kun je in veel gevallen handig halveringstijd met symbool t1 _ . Na 55,6 s is de helft van radon-220 vervallen. uitdrukken in AE.Daarna kunnen de overgebleven radonkernen nog steeds vervallen. Na nog eens en activiteit Een andere eenheid om afstanden in het heelal uit te drukken is lichtjaar. Dit is de 55,6 s is ook van deze kernen de helft vervallen, en dit gaat zo door. In figuur 12.24 afstand die het licht in één jaar aflegt. Zoals aangegeven in BINAS tabel 5 is een zie je de grafiek die het verband geeft tussen het aantal kernen radon-220 en de tijd. lichtjaar gelijk aan 9,461∙1015 m. Zo’n grafiek noem je een vervalkromme. De massa’s van sterren kun je uitdrukken in aantal zonmassa. Grootheden van de zon geef je vaak weer met index ʘ in plaats van index zon. Uit BINAS tabel 32C volgt dus Mʘ =1,9884·1030 kg. Voorbeeld Het stralingsvermogen van de zon staat in BINAS tabel 32C vermeld achter ‘uitgestraald vermogen’ met de waarde 3,85∙1026 W. Toon aan dat deze waarde volgt uit andere gegevens in BINAS tabel 32C.

Medische beeldvorming 73

Uitwerking

I = Pbron 4π r 2 _ SysNat_6_vwo_H12.indd 73 I = 1,368·103 W m−2

1,0 = 1,0 ⋅ cos (50° ) + h Dus h =0,357 m. E zw = 0,050 × 9,81 × 0,357 = 0,175 J. Staat het icoon practicum in de kantlijn, dan is op de docentensite een practicum Afgerond: 0,18 J. beschikbaar. Je docent bepaalt op welke manier je een practicum aangeboden krijgt.

Veerenergie

▶ practicum Muizenvalwagen Tegen een ingedrukte spiraalveer is een kogel gelegd. Zie figuur 8.24a. Zodra de veer zich kan ontspannen, werkt er op de kogel een resulterende kracht. Door deze kracht gaat de kogel bewegen. Dus verricht de kracht arbeid. Zie figuur 8.24b. De energie van een ingedrukte veer noem je veerenergie.

a

Opgaven en uitkomsten

Bij sommige opgaven staat het icoon tekenblad. Dan moet er getekend worden in een fi guur. Tekenbladen vind je in je eigen digitale omgeving. Opgaven b

Figuur 8.24

▶ tekenblad

33 In de Radon Health Mine in de Ook een uitgerekte veer bezit veerenergie. Rek je een veer uit, dan verricht jouw Amerikaanse staat Montana kunnen spierkracht positieve arbeid. De toename van de veerenergie is dan gelijk aan de arbeid mensen radontherapie ondergaan. die de spierkracht heeft verricht. De formule voor de veerenergie leid je als volgt af. Tien dagen lang verblijven ze enkele uren per dag in een ondergrondse mijntunnel waar de lucht een hoge Arbeid en energie 29 concentratie aan radioactief radon bevat. De straling waaraan de Op het mensen worden blootgesteld heeft hulpblad wordt in stappen duidelijk gemaakt hoe je een vraag kunt beanteen heilzame werking, zo wordt woorden. Een hulpblad kun je navragen bij je docent. beweerd. Het radon in de mijn is de Opgaven isotoop radon-222. In figuur 12.35 is ▶ hulpblad 37 het verval van Rn-222 in een (A,Z) Het is mogelijk om atomen af te remmen met behulp van lasers. Deze techniek wordt diagram weergegeven met een pijl. gebruikt om extreem lage temperaturen te bereiken. a Leg uit hoe uit figuur 12.35 blijkt Een foton met een energie van 1,59 eV passeert een atoom van 85 Rb. Als het atoom niet dat bij het verval van Rn-222 een beweegt, is de energie van het foton net te klein om het atoom in aangeslagen toestand α-deeltje vrijkomt. te brengen. Als het atoom met een snelheid van 0,500 m s−1 het foton tegemoet komt, De kern die bij dit verval ontstaat, is Figuur 12.35 wordt het atoom wel aangeslagen. Dit komt door de dopplerverschuiving van licht. ook instabiel en vervalt korte tijd a Leg uit hoe de dopplerverschuiving verklaart dat het atoom aangeslagen raakt, ondanks het feit dat de energie van het foton eigenlijk te klein is. later. Dit proces herhaalt zich een Korte tijd later valt het atoom terug uit zijn aangeslagen toestand door een foton uit aantal malen. Bij een mogelijke vervalreeks van deze kern komen zo te zenden. Na het uitzenden van het foton heeft het atoom nog een snelheid van achtereenvolgens een α-deeltje, een β-deeltje, een β-deeltje en een α-deeltje vrij. b Bepaal welke isotoop ontstaat door deze vervalreeks. Geef daartoe de 0,495 m s−1 . b Toon aan dat het frequentieverschil tussen het geabsorbeerde foton en het Achter in dit boek vind je een lijst van leerdoelen bij dit katern. Je kunt Lijst van uitkomsten vervalreeks weer met pijlen. uitgezonden foton gelijk is aan 5·10daarmee controleren of je de stof 5 Hz. De activiteit van het Rn-222 in de Amerikaanse mijn bedraagt 65 Bq per liter lucht. Deze techniek wordt gebruikt om een wolk van atomen af te koelen. Daarvoor wordt begrepen hebt. Daarna volgt een lijst Hoofdstuk 11 De α-straling wordt vooral door het longweefsel geabsorbeerd. In de longen van een een wolkje gas vanuit meerdere richtingen met lasers bestraald.met uitkomsten. Je kunt daarmee bepaald persoon bevindt zich (gemiddeld) 6,0 L lucht. De Rb-atomen kunnen niet eindeloos worden afgekoeld. Zelfs als het atoom na controleren of je een vraag goed hebt 1 c 210 K 25 b 1,5·10−17 s−1 beantwoord. Als gevolg van het verval van één Rn-222-kern absorbeert het longweefsel 3,1·10−12 J stralingsenergie. absorptie van het foton stilstaat, krijgt het bij het uitzenden van een foton toch weer snelheid. 2 b 8,7 jaar c links d 25 d 14 miljard jaar 26 a 3·106 m s−1 d 6,0·109 jaar Wil je de c Toon met een berekening aan dat het longweefsel per uur 4,4·10−6 J c Leg dit uit. volledige uitwerking van e 0,153 Rʘ e 2,9∙108 m s−1 stralingsenergie absorbeert. Iemand verblijft tijdens zijn therapie 32 uur in de mijn. De massa van zijn longen is 9,5·102 g. De stralingsweegfactor van de α-deeltjes is gelijk aan 20. Na het uitzenden van het foton heeft het atoom in ieder geval een impuls die net zo groot is als de impuls van het uitgezonden foton. d Laat zien dat een Rb-atoom door laserkoeling niet verder kan worden afgeremd een vraag inzien, dan krijg je die via je docent. 3 b 46% c 53 4 d ja 27 b nee c 2,5 m f 3·104 m s−1 d Bereken de equivalente dosis die zijn longen hierdoor ontvangen. Speciaal voor mijnwerkers is al vijftig jaar geleden voor het stralingsniveau ten gevolge van radon en zijn vervalproducten de eenheid WL (working level) ingevoerd. Een stralingsniveau van 1,0 WL wordt acceptabel geacht voor mijnwerkers. dan tot een snelheid van 6,02 mm s−1 . Laserkoeling wordt toegepast om te proberen Rb-atomen in een gezamenlijke quantumtoestand (Bose-Einsteincondensatie) te krijgen. Hierbij wordt de golflengte die bij afzonderlijke atomen hoort zo groot dat de golven van verschillende deeltjes 5 b 1,1·107 J c Lisa 6 a 4,53·103 K b roder c nee 28 b Venus, Aarde, Mars e waterdamp f 2049 1,0 WL komt overeen met een radonactiviteit van 2,0·10−9 curie per m3 lucht. De curie is een verouderde eenheid van activiteit. Zie tabel 5 van BINAS. elkaar overlappen. e Leg uit hoe groot de golflengte van een Rb-atoom kan worden. 7 b 7,1·1019 m 8 a 5,5·1017 kg m−3 Hoofdstuk 12

Afsluiting

De Afsluiting is de laatste paragraaf van elk hoofdstuk. De Afsluiting begint met een samenvatting van de theorie.

11.5 Afsluiting Het absorptiespectrum van een element is ‘het omgekeerde’ van het emissiespectrum van dat element. De golflengten die horen bij deze lijnen zijn uniek voor het element waaruit een gas bestaat.

Elektromagnetische straling bestaat uit fotonen: pakketjes energie. De energie van een foton is afhankelijk van de golflengte van de straling. Het spectrum van een element ontstaat wanneer elektronen in een atoom van het ene energieniveau overgaan naar het andere. Het laagste energieniveau heet de grondtoestand. Andere mogelijke energieniveaus noem je aangeslagen toestanden.

De lijnen in de spectra verschuiven doordat sterren bewegen. Dit verschijnsel heet het dopplereffect. De grootte van de rood- of blauwverschuiving is een maat voor de radiale snelheid van een ster.

Samenvatting

De straling afkomstig van de zon en andere sterren behoort tot het elektromagnetisch spectrum. Naast zichtbaar licht worden onder andere uv-straling, infraroodstraling en röntgenstraling uitgezonden. Alle vormen van elektromagnetische straling planten zich voort met de lichtsnelheid. De hoeveelheid straling die het oppervlak van een ster per seconde uitzendt, heet het uitgezonden vermogen of de lichtsterkte. De wet van Stefan-Boltzmann geeft aan hoe het uitgezonden vermogen van een ster afhangt van de temperatuur en de oppervlakte. De straling wordt uitgezonden in alle richtingen. Hierbij neemt het stralingsvermogen per vierkante meter af volgens de kwadratenwet. Het stralingsvermogen per vierkante meter heet de intensiteit. De intensiteit van de straling die een ster uitzendt, volgt uit de oppervlakte onder de planckkromme. De golflengte met de grootste stralingspiek is volgens de wet van Wien een maat voor de oppervlaktetemperatuur. Binnen de astrofysica worden veel eenheden gebaseerd op maten van de zon. De astronomische eenheid (AE) is gelijk aan de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon. De zonneconstante is de intensiteit van de straling van de zon die de aarde bereikt. _ Grote afstanden in het heelal kun je behalve in de astronomische eenheid ook uitdrukken in de eenheid lichtjaar. Dit is de afstand die het licht in een jaar aflegt. Sterren hebben een levenscyclus waarin ze verschillende stadia doorlopen. Uit samenklontering van gassen ontstaat eerst een protoster. Tijdens de gravitatiecontractie nemen de temperatuur en de dichtheid zodanig toe dat kernfusies optreden. Het verdere verloop hangt af van de massa van de ster. Een lichte ster zoals de zon verandert na miljarden jaren in een rode reus en eindigt uiteindelijk als witte dwerg. Een zware ster eindigt via superreus en supernova uiteindelijk als neutronenster of zwart gat. In een Hertzsprung-Russel-diagram zijn sterren geordend op basis van grootte, temperatuur en lichtsterkte. Astronomen gebruiken optische telescopen, radiotelescopen en ruimtelescopen bij de studie van sterren. Spectraalanalyse van het licht geeft informatie over de eigenschappen van een ster. Een gloeiend voorwerp zoals een ster geeft een continu spectrum dat alle kleuren bevat. Gaat het licht eerst door een gas, dan neem je een absorptiespectrum met zwarte lijnen waar.

Verder vind je in de Afsluiting alle formules die in het hoofdstuk zijn besproken. Je ziet een overzicht van de BINAS-tabellen die van belang zijn bij de theorie van het hoofdstuk.

Gegevens die betrekking hebben op dit hoofdstuk

De formules die in dit hoofdstuk zijn besproken, staan hieronder bij elkaar. lichtsnelheid c = f ⋅ λ wet van Wien λ max = k w _ T

wet van Stefan-Boltzmann Pbron = σ ⋅ A ⋅ T4 intensiteit I = Pbron 4π r 2 De opgaven in de Afsluiting gaan over meerdere hoofdstukken en zijn op examen niveau. fotonenergieOpgaven Ef Ef = = h ⋅ f h ⋅ c _ λ energie tussen twee niveaus 27 Edwin Hubble maakte voor zijn ▶ tekenblad Ef = |E m − E n| ontdekkingen gebruik van de Hooker energieniveaus waterstof E nTelescope van het Mount Wilson = − 13, 6 _ n 2 (in eV) Observatory in Los Angeles. dopplerverschuivingToentertijd was dit de grootste v = Δλ _ λ ⋅ c reflectietelescoop ter wereld. Zie figuur 11.36. Deze formules staan in BINAS in de tabellen 35 B2, E1 en E2. a Leg uit waarom de primaire spiegel In BINAS staan gegevens die horen bij dit hoofdstuk in verschillende tabellen. zo groot mogelijk moet zijn. Het gaat hierbij om de tabellen 5, 7, 19, 21, 22, 31, 32 en 33. b Leg uit of de secundaire spiegel ook zo groot mogelijk moet zijn. Figuur 11.36 De resolutie is de kleinste hoek α tussen twee sterren die door de telescoop nog als afzonderlijke sterren waargenomen kunnen worden. Voor de resolutie een van reflectietelescoop geldt: α = 70 ⋅ λ _ d ▪ α is de hoek in graden. ▪ λ is de golflengte van het licht in m. ▪ d is de diameter van de primaire spiegel van de telescoop in m. 38 hoofdstuk 11