physics candidate session number higher level paper 3 past papers - subject... · 2019-11-07 ·...

40 pages

N11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ0/XX

Thursday 10 November 2011 (morning)

PHYSICSHIGHER LEVELPAPER 3

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Answer all of the questions from two of the Options.• Write your answers in the boxes provided.

1 hour 15 minutes

© International Baccalaureate Organization 2011

Examination code

8 8 1 1 – 6 5 0 3

Candidate session number

0 0

0 1 4 0

88116503

–2– N11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ0/XX

Option E — Astrophysics

E1. Thisquestionisaboutstellardistancesandstellarproperties.

luminosity(Sun=1)

106

104

102

1

10–2

10–4

40 20 10 5 2.5 surfacetemperature/×103K

(a) OnthegridoftheHertzsprung–Russell(HR)diagramshown,drawalinetorepresenttheapproximatepositionof themainsequence. [2]

(b) Barnard’sstarisamainsequencestarthatis1.8pcfromEarth.

(i) Definetheparsec. [1]

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(This question continues on the following page)

0 2 4 0

–3–

Turn over


(Question E1 continued)

(ii) CalculatetheparallaxangleofBarnard’sstarasmeasuredfromEarth. [1]

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(c) Outline, using your answer to (b)(ii) and a labelled diagram, how the distance ofBarnard’sstar fromEarth ismeasured. [3]

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0 3 4 0



(d) TheapparentbrightnessofBarnard’sstaris3.6×10–12Wm–2anditssurfacetemperatureis3800K.

Giventhat1pc=3.1×1016m,showforBarnard’sstar

(i) thatitsluminosityisoftheorderof1023W. [3]

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(ii) thatitssurfaceareaisoftheorderof1016m2. [3]

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(e) OntheHRdiagramonpage2,drawtheevolutionarypathofBarnard’sstarafteritleavesthemainsequence. [3]

0 4 4 0

–5–

Turn over


E2. Thisquestionisaboutthedevelopmentoftheuniverse.

(a) Light from distant galaxies, as seen by an observer on Earth, shows a red-shift.Outlinewhy thisobservationsuggests that theuniverse isexpanding. [2]

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(b) Thefuturedevelopmentof theuniverse isdeterminedby the relationshipbetween theapparentdensityoftheuniverseandthecriticaldensity.

(i) Definethetermcritical density. [1]

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(ii) Discuss how the density of the universe determines its future development.Your discussion should include one problem associated with determining thedensityof theuniverse. [4]

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0 5 4 0


E3. ThisquestionisaboutHubble’slaw.

(a) StateHubble’slaw. [1]

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(b) The wavelength of a line in the spectrum of atomic hydrogen, as measured in thelaboratory, is656nm. Thesamelineinthespectrumoflightfromadistantgalaxyismeasured tobe790nm. Thegalaxy is940MpcfromEarth.

(i) Showthat therecessionalspeedof thegalaxy is6.13×104kms–1. [2]

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(ii) Determine,usingyouranswerto(b)(i),avaluefortheHubbleconstant. [2]

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0 6 4 0

–7–

Turn over



(iii) Show, using your answer to (b)(ii), that the age of the universe is of the orderof1017s.(1pc=3.1×1013km) [2]

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0 7 4 0


Option F — Communications

F1. Thisquestionisaboutmodulationandbandwidth.

(a) Distinguishbetweenasignalwaveandacarrierwave. [2]

Signalwave: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Carrierwave: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


0 8 4 0

–9–

Turn over


(Question F1 continued)

(b) Audio signals can be converted to electrical signals and then transmitted using aprocesscalledmodulation.

Describe,withreferencetoyouranswerto(a),theprocessof

(i) amplitudemodulation. [2]

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(ii) frequencymodulation. [3]

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0 9 4 0



(c) A carrier wave of frequency fc is amplitude modulated by a signal wave of asingle frequency fs. The bandwidth of the modulated wave is 10kHz. There are1.8×104 complete oscillations of the carrier wave between two adjacent amplitudemaximaof thecarrierwave.

(i) Explain, with reference to the sideband frequencies of the modulated wave,why the frequency fs=5.0kHz. [3]

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(ii) Showthatthefrequencyfc=90MHz. [2]

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1 0 4 0

–11–

Turn over


F2. Thisquestionisaboutthedigitaltransmissionofinformation.

(a) State two advantagesofusingdigital rather thananalogue signals in the transmissionof information. [2]

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Thediagramshowstheessentialcomponentsofadigitaldatatransmitter.

analoguedata

clock

sample and hold

parallel-to- ADC serial modulator converter

transmission

Statethefunctionofthe

(i) clock. [1]

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(ii) ADC. [1]

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1 1 4 0



(c) The transmitter in (b) is designed to transmit data at a rate of 2.0Mbs–1 using an8-bitbinarycode.Calculatethefrequencyatwhichthesampleandholdmustoperate. [1]

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1 2 4 0

–13–

Turn over



(d) Digital information that is transmittedalongopticfibres isoften subject todispersiondue to light takingdifferentpathsalong thefibre.

pathB

pathA

claddingn=1.41 coren=1.44

Inaparticularopticfibreoflength2.00×104m,therefractiveindexofthecladdingis1.41andthatofthecoreis1.44.

Twopossible lightpathsare:

PathA: along thecentralaxisof thefibre.

PathB: the path followed by light that is initially incident on the cladding atan angle just greater than the critical angle.

Thespeedof light in thecoreof thefibreis2.10×108ms–1.

Show that the difference in transmission time between path B and path A isapproximately 2.0μs. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 3 4 0


F3. Thisquestionisaboutoperationalamplifiers.

(a) Thecircuitdiagramshowsanoperationalamplifierconnectedasaninvertingamplifier.

R2

VIN

0V

P

R1

VOUT

(i) Explain,withreferencetothepropertiesofanoperationalamplifier,whypointPiseffectivelyatzeropotential. [4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) DeriveanexpressionforthegainGoftheamplifier. [2]

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1 4 4 0

–15–

Turn over



(b) In thecircuitbelow,anoperationalamplifier isusedasacomparator.

+15V

–15V

P LED

The amplifier operates from a !15V supply. If the thermistor reaches a certaintemperature then, toactasawarning, the light-emittingdiode(LED)switcheson.

Describe,withreference to thepotentialatpointP, theoperationof thecircuit. [4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 5 4 0


Option G — Electromagnetic waves

G1. Thisquestionisabouttheelectromagneticspectrum.

(a) Outlinethenatureofelectromagneticwaves. [2]

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(b) Explainwhytheozonelayerabsorbsultraviolet(UV)radiation. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

G2. Thisquestionisaboutthecompoundmicroscope.

(a) A convex lens used as a magnifying glass has a focal length of fe. Derive anexpression for the angularmagnificationwhen the image is at thenearpointD. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


1 6 4 0

–17–

Turn over


(Question G2 continued)

(b) Theconvexlensin(a)isusedastheeyepieceofacompoundmicroscope.

objectivelens eyepiecelens

object

fo fo fe fe

An object is placed 1.5cm from the objective lens. The focal length fo of theobjective lens is 1.0cm.

(i) Drawrayson thediagramtoshowtheformationof the intermediate image. [2]

(ii) Calculate thedistanceof the intermediate imagefromtheobjective lens. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


1 7 4 0


(Question G2 continued)

(c) Lenses used in the compound microscope are subject to spherical aberration andchromaticaberration.

Explainwhatismeantby

(i) sphericalaberration. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) chromaticaberration. [2]

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1 8 4 0

–19–

Turn over


G3. Thisquestionisabouttwo-sourceinterference.

Coherentlightisincidentatrightanglestoadoubleslit.Aninterferencepatternisobservedonadistantscreen.

(not to scale)

coherentlight

doubleslit screen

(a) The width of both slits is nowincreased without altering their separation. Stateandexplaintheeffect, ifany,ofthis increaseontheintensityof thebrightfringesandtheappearanceofthedarkfringes. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Thenumberofslitsisnowincreased.Stateandexplaintheeffect,ifany,thishasontheappearanceofthebrightfringes. [2]

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1 9 4 0


G4. Thisquestionisaboutwedgefilms.

Thediagramshowstwothinglassplatesusedtoformathinairwedge.

monochromaticlight

thinglassplates

Abeamofmonochromaticlightisincidentontheairwedge.Thereflectedlightisobservedthroughamicroscopeandapatternofequallyspacedparallelfringesisobserved.

(a) Outlinehowthefringesareformed. [3]

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(b) State and explain how the fringe separation changes if the angle of the wedge isincreasedslightly. [2]

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2 0 4 0

–21–

Turn over


G5. ThisquestionisaboutX-rays.

The diagram shows the X-ray spectrum produced by the collision of electrons with amolybdenumtarget.

intensity

wavelength

(a) Explaintheformationofthecharacteristicspectra. [3]

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(b) Theacceleratingpotentialis50kV.

CalculatetheminimumwavelengthofX-raysproduced. [2]

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2 1 4 0


Option H — Relativity

H1. Thisquestionisaboutspecialrelativity,simultaneityandlengthcontraction.

(a) Oneofthetwopostulatesofspecialrelativitymaybestatedas:

“Thelawsofphysicsarethesameforallobserversininertialreferenceframes.”

State

(i) whatismeantbyaninertialframeofreference. [1]

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(ii) theotherpostulateofspecialrelativity. [1]

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2 2 4 0

–23–

Turn over


(Question H1 continued)

(b) Ina thoughtexperiment to illustrate theconceptof simultaneity,Vladimir is standingonthegroundclosetoastraight,levelrailwaytrack. Natashaisinarailwaycarriagethat is travellingalongtherailwaytrackwithconstantspeedv inthedirectionshown.

C 1 C 2

Natasha

v

Vladimir

Natashaissittingonachairthatisequidistantfromeachendofthecarriage.Ateitherend of the carriage are two clocksC 1 and C 2. Next to Natasha is a switch that,when operated, sends a signal to each clock. Theclocksregisterthetimeofarrivalof the signals. At the instant that Natasha and Vladimir are opposite each other,Natasha operates the switch. AccordingtoNatasha,C 1andC2registerthesametimeofarrivalofeachsignal.

Explain, according to Vladimir, whether or not C 1 and C 2 register the same time ofarrivalforeachsignal. [4]

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2 3 4 0



(c) Thespeedvofthecarriageis0.70c.VladimirmeasuresthelengthofthetableatwhichNatashaissittingtobe1.0m.

(i) CalculatethelengthofthetableasmeasuredbyNatasha. [3]

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(ii) Explainwhichobservermeasurestheproperlengthofthetable. [1]

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2 4 4 0

–25–

Turn over



(d) AccordingtoVladimir,aclockatrestintherailwaycarriagewillappeartorunslowerthanaclockatrestbesidehim.However,accordingtoNatasha,Vladimir’sclockwillrunslowerthanaclockatrestbesideher.

(i) Outlinehowthistimedilationphenomenonleadstothe“twinparadox”inwhichone of the twins embarks on a return journey to a distant star at a speed closeto that of lightwhilsttheothertwinremainsonEarth. [3]

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(ii) Statethereasonbehindtheresolutionoftheparadox. [1]

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2 5 4 0



(e) Evidence for time dilation comes from the decay of muons. A pulse of muonsproducedbycosmicradiationintheupperatmosphereofEarthtravelstoEarthwithaspeedof0.96casmeasuredbyanobserveratrestonthesurfaceofEarth.Thehalf-lifeof themuons, asmeasured in the frame of reference inwhich themuons are at rest,is3.1×10–6s.

(i) Determine for the muons, the distance that Earth will have travelled towardsthemafterhalfof themuons in thepulsehavedecayed. [1]

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(ii) Calculate for the Earth observer, the distance that the muon pulse will havetravelled towardsEarthafterhalfof themuons in thepulsehavedecayed. [2]

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(f) Suggest how your answers to (e)(i) and (e)(ii) provide evidence that supports thetheoryofspecial relativity. [3]

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2 6 4 0

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Turn over


H2. Thisquestionisaboutrelativisticenergyandmomentum.

(a) AprotonisacceleratedfromrestthroughapotentialdifferenceV.Theprotonreachesaspeedof0.970c.DeterminethevalueofV. [3]

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(b) Calculate,afteraccelerationfortheprotonin(a),its

(i) mass. [1]

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(ii) momentum. [1]

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2 7 4 0


H3. Thisquestionisabouttheprincipleofequivalenceandred-shift.

JoeandKimaretravellinginaspaceship.

directionofacceleration

Kim

L2

Joe

L1

JoeisnexttoalightsourceL1andKimisnexttoanidenticallightsourceL2.

Theaccelerationofthespaceshipiszero.KimmeasuresthefrequencyofthelightfromL1tobethesameasthefrequencyofthelightfromL2.

(a) Outlinewhy, if the spaceshipnowaccelerates,Kimwillmeasure the light fromL1 tobered-shiftedwithrespect to the light fromL2. [3]

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2 8 4 0

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Turn over



(b) Suggest,withreferencetoEinstein’sprincipleofequivalence,howyouranswer to(a)leads to the idea that a clock near amassive body runsmore slowly than a clock infreespace. [2]

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2 9 4 0


Option I — Medical physics

I1. Thisquestionisaboutsoundintensitylevels.

(a) Define,withreferencetosoundincidentontheeardrum,

(i) intensity. [1]

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(ii) intensity level(IL). [1]

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(b) Explainwhydoublingtheintensityofasoundincidentontheeardrumofapersondoesnotdoubletheloudnessofthesoundasheardbytheperson. [3]

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Turn over


(Question I1 continued)

(c) Two people standing 1.0m apart are holding a conversation. The sound intensity oftheconversationisapproximately10–6Wm–2. Theintensityofadoorslammingabout1.0m away from one of the people is approximately 10–4Wm–2.

EstimatethedifferenceindBoftheintensitylevelsofthesetwosounds. [3]

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3 1 4 0


I2. Thisquestionisabouttheuseofultrasoundfordiagnosticimaging.

(a) Outlinehowultrasoundisproducedforuseindiagnosticimaging. [3]

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(b) Inordertolookfordamagetothechambersoftheheart,ultrasoundisusedtoformanimageoftheheart.

SuggestwhyitisbettertouseultrasoundratherthanX-rays. [2]

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(c) The speedof sound in skin is aboutfive times the speedof sound in air. Given thatthedensityof skin is about700 times thatof thedensityofair, compare theacousticimpedanceofskintothatofair. [2]

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3 2 4 0

–33–

Turn over



(d) Explain,usingyouranswerto(c),why,inusingultrasoundforimaging,alayerofgelisplacedbetweenthetransducerandtheskin. [2]

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(e) Awiderangeoffrequenciesofultrasoundmaybeusedtoimageinternalbodyorgans.Thechoiceoffrequencyforimagingaparticularorganisdeterminedbythedepthoftheorganbeneaththeskin.

Outline, with reference to attenuation and resolution, why the depth of the organdetermines thechoiceofultrasoundfrequency. [4]

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I3. Thisquestionisaboutdoseequivalenceofradioactivesources.

(a) Defineabsorbed doseasusedindosimetry. [1]

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(b) Bothγ-radiationandα-radiationcanbeusedinradiationtherapy.However,γ-radiationhasaqualityfactorof1whereasα-radiationhasaqualityfactorof20.

Outline the significance of this difference in quality factors in respect of radiationdosimetry. [3]

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3 4 4 0

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(c) Forsafetypurposesitisrecommendedthatthedoseequivalenceofradioactivesourcesusedinschoollaboratoryexperimentsshouldnotexceed5.0mSv.Tomeasurethedoseequivalentofaparticularαsource,thesourcewasplacedinanionizationchamberandthenumberofionpairsproducedbythesourcewasmeasured.

Show, using the following data, if this source is safe to be used in school laboratoryexperiments.

Numberofionpairsproducedbysource =1.7×1010

Energyrequiredtoproduceanionpair =34eVQualityfactorofα-radiation =20Volumeofionizationchamber =7.8×10–4m3

Densityofair =1.2kgm–3

[5]

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Option J — Particle physics

J1. Thisquestionisaboutelectronsandtheweakinteraction.

(a) State

(i) whatismeantbyanelementaryparticle. [1]

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(ii) towhichclassofelementaryparticlestheelectronbelongs. [1]

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(b) Anelectroninanexcitedstateofthehydrogenatomhasanenergyof1.5eV.

Showthatthemaximumtimethattheelectroncanspendinthisstateis2.2×10–16s. [2]

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3 6 4 0

–37–

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(Question J1 continued)

(c) Anelectronisoneoftheparticlesproducedinthedecayofafreeneutronintoaproton.Anexchangeparticleisalsoinvolvedinthedecay.

(i) Statethenameoftheexchangeparticle. [1]

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(ii) Theweakinteractionhasarangeoftheorderof10–18m.Determine,inGeVc–2,theorderofmagnitudeof themassof theexchangeparticle. [3]

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(iii) It issuggested that theexchangeparticle in theweak interactionarisesfromthedecayofonetypeofquarkintoanother.Withreferencetothequarkstructureofnucleons,statethereasonforthissuggestion. [2]

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J2. Thisquestionisaboutparticleaccelerators.

(a) Charged particles in a cyclotron travel within two D-shaped, metal containers (Ds).ThereisasmallgapbetweentheDs.Analternatingpotentialisappliedacrossthisgap.

OutlinewhythefrequencyoftheacceleratingpotentialappliedacrossthegapintheDsischangedinordertoincreasetheenergyofthechargedparticles. [4]

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(b) Aparticular cyclotron isused to accelerateprotons. The frequencyof the alternatingpotentialis100MHz.TheradiusoftheDsis0.34m.Showthatthetotalenergyoftheacceleratedprotonsisapproximately1200MeV. [4]

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(c) State the difference in structure of a synchrotron that enables the orbital radius ofchargedparticles tobemademuch larger than inacyclotron. [1]

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J3. Thisquestionisaboutthestandardmodel.

(a) Statewhatismeantbythestandardmodel. [1]

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(b) Muons can decay via the weak interaction into electrons and neutrinos. One suchdecay is

ee v vµ + +µ→ + +

(i) Usingthetableprovided,showthatinthisdecay,leptonnumberL,electronleptonnumber eL =andmuonleptonnumberLµ =areallconserved. [3]

µ + e+ev vµ

L

Le

Lμ


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(ii) LabeltheFeynmandiagrambelowforthedecayofapositivemuon(µ +). [3]

(c) Deep inelasticscatteringprovidesevidencefor thestandardmodel.

(i) Statewhat ismeantbydeep inelasticscattering. [1]

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(ii) Discuss, with respect to the concept of momentum, how the results of deepinelasticscatteringprovideevidencefor theexistenceofgluons. [3]

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