某种放射性同位素的衰变可以用指数方程 N=N0e−atN = N_0 e^{-at} 来模拟,其中 tt 为周数,NN 表示放射性同位素的剩余量,N0N_0 和 aa 是常数。
该放射性同位素样品的初始质量为 100.9 g。
2 周后,发现该样品的剩余量为 84.6 g。

  1. (a)

    计算 aa 的值。

  2. (b)

    5 周后,该样品衰变了百分之几?

  3. (c)

    求放射性同位素衰变量首次超过 60 g 所需的周数。答案保留至最接近的整周。

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完整解法

3(a)

1. Substitute the given initial and final values into the model

Initially, t=0t = 0, so N0=100.9N_0 = 100.9.
When t=2t = 2, N=84.6N = 84.6.
Substitute these into N=N0e−atN = N_0 e^{-at}:
84.6=100.9e−2a84.6 = 100.9 e^{-2a}

2. Isolate the exponential term and take the natural logarithm

e−2a=84.6100.9e^{-2a} = \frac{84.6}{100.9}
−2a=ln⁡(84.6100.9)-2a = \ln\left(\frac{84.6}{100.9}\right)

3. Solve for $a$ and evaluate

a=−12ln⁡(84.6100.9)a = -\frac{1}{2} \ln\left(\frac{84.6}{100.9}\right)
a≈0.088012a \approx 0.088012
a=0.0880 (to 3 s.f.)a = 0.0880 \text{ (to 3 s.f.)}

答案

0.08800.0880

3(b)

1. Find the value of $a$ from the given initial conditions (from part a)

When t=0t = 0, N0=100.9N_0 = 100.9.
When t=2t = 2, N=84.6N = 84.6.
84.6=100.9e−2a84.6 = 100.9 e^{-2a}
e−2a=84.6100.9e^{-2a} = \frac{84.6}{100.9}
−2a=ln⁡(84.6100.9)-2a = \ln\left(\frac{84.6}{100.9}\right)
a=−12ln⁡(84.6100.9)≈0.088011a = -\frac{1}{2} \ln\left(\frac{84.6}{100.9}\right) \approx 0.088011

2. Calculate the amount of isotope remaining after 5 weeks

Substitute t=5t = 5 and a≈0.088011a \approx 0.088011 into the model:
N=100.9e−5(0.088011)N = 100.9 e^{-5(0.088011)}
N≈64.980 gN \approx 64.980 \text{ g}

3. Calculate the percentage of the sample that has decayed

Amount decayed =100.9−64.980=35.920 g= 100.9 - 64.980 = 35.920 \text{ g}
Percentage decayed =35.920100.9×100%≈35.6%= \frac{35.920}{100.9} \times 100\% \approx 35.6\%

答案

35.6%35.6\%

3(c)

1. Find the value of $a$ from the given information

From part (a):
84.6=100.9e−2a84.6 = 100.9 e^{-2a}
e−2a=84.6100.9e^{-2a} = \frac{84.6}{100.9}
−2a=ln⁡(84.6100.9)-2a = \ln\left(\frac{84.6}{100.9}\right)
a=−12ln⁡(84.6100.9)≈0.088011a = -\frac{1}{2} \ln\left(\frac{84.6}{100.9}\right) \approx 0.088011

2. Set up the equation for the amount decayed

Amount decayed = Initial amount - Amount left
Amount decayed = 100.9−100.9e−0.088011t100.9 - 100.9 e^{-0.088011t}
We want the time when the amount decayed is 6060 g:
100.9−100.9e−0.088011t=60100.9 - 100.9 e^{-0.088011t} = 60

3. Solve for $t$ and round to the nearest week

100.9e−0.088011t=100.9−60=40.9100.9 e^{-0.088011t} = 100.9 - 60 = 40.9
e−0.088011t=40.9100.9e^{-0.088011t} = \frac{40.9}{100.9}
−0.088011t=ln⁡(40.9100.9)-0.088011t = \ln\left(\frac{40.9}{100.9}\right)
t=ln⁡(40.9/100.9)−0.088011≈10.259t = \frac{\ln(40.9/100.9)}{-0.088011} \approx 10.259
Rounding to the nearest week, t=10t = 10.

答案

1010 weeks

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