Fizikai Szemle 2001/7. 223.o.

IV. SZILÁRD LEÓ NUKLEÁRIS TANULMÁNYI VERSENY

A középiskolások nukleáris tanulmányi versenyére ezidén is félszáz iskolából közel 400 versenyző jelentkezett. (A legfiatalabb 6. osztályos volt.) A válogató versenyre az iskolákban került sor március 5-én. A feladatok megoldására 180 perc állt rendelkezésre, minden segédeszköz használható volt. A legjobb munkákat az iskolák beküldték, azt Budapesten az Eötvös Társulat önkéntesei javították. A döntőbe a 20 legjobb 11-12. osztályos tanulót hívták be (66% fölötti teljesítménnyel), valamint a fiatalabbak közül a legjobb 10 diákot (45% fölötti teljesítménnyel.) A döntő Pakson, az Energetikai Szakközépiskolában volt a Szilárd Leó Verseny Alapítvány kuratóriumának szervezésében.

A válogató verseny kérdései

1. Milyen szabadalmai voltak Szilárd Leónak az energiatermeléssel kapcsolatban?
2. Mit gondol, lehet-e a 232-es tömegszámú és 90-es rendszámú tórium bomlási sorának végterméke a 207-es tömegszámú és 82-es rendszámú ólomizotóp?
3. Az -bomlást gyakran kíséri -bomlás, de -bomlás vagy elektronbefogás nem. Mit gondol, mi lehet ennek az oka?
4. Mit gondol, melyik korban élhettek az emberek magasabb radon-koncentrációban: a jégkorszakban, az ókorban, száz éve vagy napjainkban?
5. A természetben a klórnak két izotópja létezik: és Cl. Mit gondol, miért nincs a klórnak 36-os tömegszámú izotópja?
6. A szabad neutron nem stabil részecske. 12,8 perces felezési idővel elbomlik. Mit gondol, miért nem bomlanak el az atommagban lévő neutronok?
7. Az 1942-ben megépült első reaktor aktív zónáját Enrico Fermi homogén urán-grafit-rendszernek gondolta, miszerint az urán és grafit por alakjában egyenletesen el lenne keverve. Szilárd Leó viszont inhomogén elrendezést javasolt: vékony uránrudakat grafittömbök vesznek körül. Minden megépült atomreaktor inhomogén elrendezésű. Miért?
8. Egy diák nyomdetektorral megméri hálószobájában a radon aktivitáskoncentrációját és éves átlagra 100 Bq/m³ értéket kap. Mit tegyen? Egy másik diák szóbájában 1000 Bq/m³ értéket kap. Mit tegyen?
9. Rövid felezési idejű -aktív izotóp pozitront bocsát ki. Mi történik a pozitronnal az anyagban történt lelassulása után? Mit tud mondani az így keletkezett termékek energiájáról és lendületéről? Ha egy biológiailag megfelelő elem rövid felezési idejű pozitron-bomló izotópját beviszik a szervezetbe, az a készítmény kiválóan alkalmas arra, hogy meghatározzák lerakódási pontjának pontos helyét. Hogyan? Mi az előnye a rövid élettartamnak?
10. Egy, a Balkánon használt “szegényített" uránlövedékben 99,8% a ²³⁸U izotóp és 0,2% ²³⁵U. Vajon miért dúsították föl költségesen a ²³⁸U izotópot? Becsapódáskor a lövedék szétporlik. Becsülje meg, mekkora lehet 1 mg-os uránszemcse aktivitása! Az urán bomlássorai:

A döntő verseny feladatai

1. Niels Bohr után másodikként miért kapta meg Hevesy György az Egyesült Nemzetek “Atom a békéért" díját? Hol van eltemetve Hevesy György? Miért kapta meg Szilárd Leó harmadikként az Egyesült Nemzetek “Atom a békéért" díját? Hol van eltemetve Szilárd Leó? (Melyik magyar fizikus kapta meg a negyedik “Atom a békéért" díjat?)
2. ²³⁸U bomlássorának stabil végterméke ²⁰⁶Pb. Hány - és hány -bomlás történik a bomlássorozatban?
3. Egyes csillagokban észlelték a californium (Z = 98) transzurán elemet is, de a Földön ez az elem nem található. Hogyan lehet ez?
4. Milyen lenne a Föld, ha nem volna benne urán, tórium, ⁴⁰K?
5. A Föld mélyén 1-2 km mélyen ma is élnek mikroorganizmusok teljes sötétségben, 120 °C hőmérsékletű talajvízben. Hogyan lehetséges ez? Miből táplálkozhatnak?
6. A légkör szén-dioxid tartalma jelenleg évi 1%-kal emelkedik. Ez üvegház-hatás révén emeli a légkör átlaghőmérsékletét, 1999. és 2000. hőmérsékleti rekordokat döntött meg. Hogyan fér ez össze azzal, hogy a tavalyi és idei tavaszunk hűvös, felhős, esős, sok helyen árvizek vannak?
7. A KÁLIUM-R tabletta dobozában a következő figyelmeztetés olvasható: “Hasi röntgenvizsgálat esetén a kálium-tabletta szedéséről az orvost tájékoztatni kell, ugyanis a bevett tablettamaradvány 8 órán belül röntgenárnyékot ad." Miért?
8. Hevesy György először az uránércek U/Pb arányából becsülte meg a földkéreg életkorát. Hogyan? Később azonban, a ritkaföldfém szamárium 15%-át kitevő ¹⁴⁷Sm ¹⁴³Nd 100 milliárd éves felezési idejű -bomlásának fölfedezése után a két ritkaföldfém-izotóp arányát használta. Mindmáig ezt használják a kéreg kormeghatározására. Vajon miért?
9. A földkéreg átlagos urántartalma 4 g/tonna. A kőszén átlagos urántartalma 120 g/tonna. (Néha a 800 g/tonna értéket is eléri.) Évente tonna kőszenet égetnek el. Ebből mennyi a bioszférába kerülő termékek (salak, hamu, füst) aktivitása? Becsüld meg, vajon a földkéreg uránjának Rn-emissziója (a felső 2-3 m-ből) vagy a szénégetésből bioszférába jutó termékek aktivitása lehet nagyobb? A kohósalakból épült házak fala bocsát-e ki radont? (A természetes uránban mért ²³⁵U, ²³⁸U izotóparány 0,7%, 99,3%. A ²³⁵U felezési ideje 0,7 milliárd év, a ²³⁸U felezési ideje 4,5 milliárd év.)
10. A ²¹⁰Po polónium tiszta -sugárzó, -sugárzása nincs, felezési ideje 138 nap. A bomláskor keletkező -részecskék a fémpolóniumban rövid úton lefékeződnek, leadott mozgási energiájuk megnöveli a fém belső energiáját, ezért a polóniumgolyó fölmelegszik, de a beburkolt golyóból gyakorlatilag nem hatol ki ionizáló sugárzás. Ezért polóniumgolyót gyakran használnak mesterséges holdak energiaforrásaként. Számítsd ki, mennyi watt/cm³ a polóniumfém fajlagos hőteljesítménye! Becsüljük meg, mekkora sugarú polóniumgolyó marad szilárd halmazállapotban? Tételezzük fel, hogy a polóniumgolyó az energiát hősugárzás révén adja le, és a színe fekete. (A polónium sűrűsége 9,2 g/cm³, felezési ideje 138 nap, a kibocsátott a-részecske energiája pedig 0,8 pJ. Egységnyi fekete felület sugárzási teljesítményét T abszolút hőmérsékleten a P = Stefan-Boltzmann-törvény írja le, ahol watt/m²K⁴ állandó.)

Kísérleti feladat

Határozd meg az A, B, C jelű, különböző összetételű, de azonos vastagságú lemezek -abszorbciós (gyengítési) együtthatóit a rendelkezésre álló -forrás és detektor segítségével. A három minta egyike a másik két minta anyagából van összeragasztva. Állapítsd meg, hogy melyik összetett minta, és az a másik két minta hány cm vastag lapjaiból van összeillesztve!

Számítógépes feladat

A számítógép egy ciklotron vezérlőpultját szimulálja és a gyorsított részecskék pályáit mutatja. Érd el az elektromos és mágneses térerősség megfelelő beállításával, hogy minél több részecske minél nagyobb energiával csapódjék be a céltárgyba!

A példák megoldására a döntőben is 180 perc, a kísérleti és számítógépes feladatokra 60-60 perc állott rendelkezésre.

Azoknak, akiknek a feladatok “túl nehezeknek" tűnnek, megemlítjük, hogy mindegyik példára érkezett több teljes megoldás. Az idősebb korosztály díjazott legjobbjai a példákat 80% fölötti pontszámmal, a fiatalabbak legjobbjai 60% feletti pontszámmal oldották meg. A díjakat Mészáros Györgynek, a Paksi Atomerőmű igazgatótanácsa elnökének üdvözlő szavai után adták át a versenybizottság tagjai (Csajági Sándor, Marx György, Radnóti Katalin, Rósa Géza, Sükösd Csaba, Szegedi Sándor Szűcs József, Ujvári Sándor, mint az egyetemek, főiskolák, Eötvös Társulat, Magyar Nukleáris Társaság, Paksi Atomerőmű képviselői). A díjazottak:

I. díj: FARKAS ÁGNES, Ságvári Endre Gyakorló Gimnázium, Szeged, tanára: Kovács László
I. díj: RAFFAI PÉTER, Leöwey Klára Gimnázium, Pécs, tanára: Simon Péter
II. díj: BÖRZSÖNYI ÁDÁM, Bethlen Gimnázium, Hódmezővásárhely, tanára: Berecz János és Hilbert Margit
III. díj: TOKA LÁSZLÓ, Apáczai Csere János Gimnázium, Budapest, tanára: Holics László
III. díj: SZILVA ATTILA, Földes Ferenc Gimnázium, Miskolc, tanára: Zsúdel László

A junior kategóriában (10. osztályosok és fiatalabbak):

I. díj: DÁNYI-NAGY MÁRIÓ, Leöwey Klára Gimnázium, Pécs, tanára: Simon Péter
I. díj: KOVÁCS ISTVÁN, Berze Nagy János Gimnázium, Gyöngyös, tanára: Kissné Császár Erzsébet
II. díj: SÁGI DÁVID, Lauder Iskola, Budapest, tanára: Tóth Eszter
II. díj: DOMOKOS GÁBOR, Bolyai János Gimnázium, Kecskemét, tanára: Svihrán Éva
III. díj: SIMON ZSOLT, Zrínyi Miklós Gimnázium, Zalaegerszeg, tanára: Pálovics Róbert
III. díj: VIG GÁBOR, Bolyai János Gimnázium, Kecskemét, tanára: Svihrán Éva

Figyelmet keltett a nem-fővárosi iskolák túlsúlya. A díjazottakat a tudományegyetemek felvételi vizsga nélkül veszik fel fizikus és fizikatanár szakokra.

A Szilárd Leó Nukleáris Tanulmányi Verseny Alapítvány a nukleáris ismeretek tanításában legjobb tanárok munkájának elismerésére Delfin-díjat alapított, Szilárd Leó “A delfinek hangja" című könyvét idézve (Fizikai Szemle 2001/1 címlapkép). A Delfin Díjat ezidén elsőként PÁLOVICS RÓBERT, a zalaegerszegi Zrínyi Miklós Gimnázium tanára kapta, aki évek óta eredményesen készíti fel tanítványait a Szilárd Versenyekre.

Zárószavaiban Marx György, mint a versenybizottság elnöke megköszönte Csajági Sándor szervezőmunkáját, a Paksi Atomerőmű, az Oktatási Minisztérium és az Eötvös Társulat támogatását.

A 2002-ben sorrakerülő Szilárd Leó Nukleáris Tanulmányi Versenyre az iskolák január 15-ig küldhetik be jelentkezésüket az Eötvös Társulatba, jelezvén az induló diákok számát.