在某一时刻,记录的某种放射性物质的质量为 150 克。由于衰变,该质量随时间减少,经过 tt 小时后,记录的质量为 MM 克。已知 MM 可以用公式 M=150e−ktM = 150e^{-kt} 来建模,其中 kk 是一个正常数。50 小时后,其质量减少至 120 克。

  1. (a)

    估算 120 小时后该物质的质量。

  2. (b)

    估算经过多少小时后,该物质的三分之一发生衰变。

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完整解法

2(a)

1. Substitute the given conditions at $t = 50$ to form an equation for $k$.

When t=50t = 50, M=120M = 120.
120=150e−50k120 = 150e^{-50k}

2. Solve for the constant $k$.

e−50k=120150=0.8e^{-50k} = \frac{120}{150} = 0.8
−50k=ln⁡(0.8)-50k = \ln(0.8)
k=−ln⁡(0.8)50≈0.00446287k = -\frac{\ln(0.8)}{50} \approx 0.00446287

3. Substitute $t = 120$ and the value of $k$ into the model to find $M$.

When t=120t = 120,
M=150e−120(0.00446287)M = 150e^{-120(0.00446287)}

4. Calculate the final mass.

M=150e−0.53554≈87.815M = 150e^{-0.53554} \approx 87.815
M≈87.8 g (to 3 s.f.)M \approx 87.8 \text{ g (to 3 s.f.)}

答案

87.887.8 g

2(b)

1. Determine the value of $k$ from the given information in the stem

When t=50t = 50, M=120M = 120.
120=150e−50k120 = 150e^{-50k}
e−50k=120150=0.8e^{-50k} = \frac{120}{150} = 0.8
−50k=ln⁡0.8-50k = \ln 0.8
k=−ln⁡0.850≈0.00446287k = -\frac{\ln 0.8}{50} \approx 0.00446287

2. Determine the target mass when one third of the substance has decayed

Initial mass = 150150 g.
Mass decayed = 13×150=50\frac{1}{3} \times 150 = 50 g.
Remaining mass M=150−50=100M = 150 - 50 = 100 g.

3. Solve for $t$ when $M = 100$

100=150e−kt100 = 150e^{-kt}
e−kt=100150=23e^{-kt} = \frac{100}{150} = \frac{2}{3}
−kt=ln⁡(23)-kt = \ln\left(\frac{2}{3}\right)
t=ln⁡(2/3)−k=ln⁡(2/3)ln⁡0.850=50ln⁡(2/3)ln⁡0.8t = \frac{\ln(2/3)}{-k} = \frac{\ln(2/3)}{\frac{\ln 0.8}{50}} = 50 \frac{\ln(2/3)}{\ln 0.8}
t≈90.619≈90.6t \approx 90.619 \approx 90.6 hours (to 3 s.f.)

答案

90.690.6 hours

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