在一块石头中检测到的放射性物质的质量为 mm 克,由公式 m=ae−ktm = ae^{-kt} 给出,其中 a≠0a \ne 0,kk 是一个常数,tt 是以月为单位的时间间隔。

  1. (i)

    该物质在首次被检测到四个月后,其质量减少到原始值的一半,求 kk 的值。

  2. (ii)

    已知 1 个月后其质量为 0.25 g,求该物质的初始质量。

  3. (iii)

    计算该物质的质量减少到 0.01 g 所需的时间。

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完整解法

3(i)

1. Set up the equation using the given condition for half-life

At t=0t = 0, the original mass is m=ae0=am = ae^0 = a.
When t=4t = 4, m=0.5am = 0.5a.
0.5a=ae−4k0.5a = ae^{-4k}
0.5=e−4k0.5 = e^{-4k}

2. Solve for $k$ by taking the natural logarithm

ln⁡0.5=−4k\ln 0.5 = -4k
k=ln⁡0.5−4k = \frac{\ln 0.5}{-4}
k=−ln⁡2−4=ln⁡24k = \frac{-\ln 2}{-4} = \frac{\ln 2}{4}
k≈0.1733 (to 4 s.f.)k \approx 0.1733 \text{ (to 4 s.f.)}

答案

k=ln⁡24≈0.173k = \frac{\ln 2}{4} \approx 0.173

3(ii)

1. Recall or calculate the value of $k$ from part (i)

From part (i), 0.5a=ae−4k  ⟹  e−4k=0.5  ⟹  k=−14ln⁡0.5=14ln⁡2≈0.173290.5a = ae^{-4k} \implies e^{-4k} = 0.5 \implies k = -\frac{1}{4}\ln 0.5 = \frac{1}{4}\ln 2 \approx 0.17329.

2. Substitute the given values into the model to find the initial mass $a$

Given m=0.25m = 0.25 when t=1t = 1:
0.25=ae−k(1)0.25 = ae^{-k(1)}
a=0.25e−0.17329=0.25e0.17329a = \frac{0.25}{e^{-0.17329}} = 0.25e^{0.17329}
a≈0.29730a \approx 0.29730

答案

0.2970.297 g

3(iii)

1. Recall the values of $k$ and $a$ from parts (i) and (ii) and substitute $m = 0.01$ into the model

From (i), k=14ln⁡2≈0.17329k = \frac{1}{4}\ln 2 \approx 0.17329.
From (ii), a=0.25ek=0.25e14ln⁡2≈0.29730a = 0.25e^k = 0.25e^{\frac{1}{4}\ln 2} \approx 0.29730.
Substitute m=0.01m = 0.01 into m=ae−ktm = ae^{-kt}:
0.01=0.29730e−0.17329t0.01 = 0.29730 e^{-0.17329t}

2. Solve for $t$ using logarithms

e−0.17329t=0.010.29730e^{-0.17329t} = \frac{0.01}{0.29730}
−0.17329t=ln⁡(0.010.29730)-0.17329t = \ln\left(\frac{0.01}{0.29730}\right)
−0.17329t≈−3.39216-0.17329t \approx -3.39216
t≈19.575t \approx 19.575
t=19.6 months (to 3 s.f.)t = 19.6 \text{ months (to 3 s.f.)}

答案

19.619.6 months

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