IChO 1984 · Theory problem 1
Radioactive dating with 14C and 87Rb/87Sr
A)
The element carbon consists of the stable isotopes \(\ce{^{12}C}\) (98.90 percent of atoms) and \(\ce{^{13}C}\) (1.10 percent of atoms). In addition, carbon contains a small fraction of the radioisotope \(\ce{^{14}C}\) (\(t_{1/2}=5730\) years), which is continuously formed in the atmosphere by cosmic rays as \(\ce{CO2}\). \(\ce{^{14}C}\) mixes with the isotopes \(\ce{^{12}C}\) and \(\ce{^{13}C}\) via the natural \(\ce{CO2}\) cycle.
The decay rate of \(\ce{^{14}C}\) is described by (\(N\) = number of \(\ce{^{14}C}\) atoms; \(t\) = time; \(\lambda\) = decay constant):
\[ \text{decay rate}=-\frac{dN}{dt}=\lambda N \tag{1} \]
Integration of (1) leads to the well-known rate law (2) for the radioactive decay:
\[ N=N_0\,\mathrm{e}^{-\lambda t} \tag{2} \]
\(N_0\) = number of \(\ce{^{14}C}\) atoms at \(t=0\)
1.1 What is the mathematical relationship between the parameters \(\alpha\) and \(t_{1/2}\) (= half l life)?
1.2 The decay rate of carbon, which is a part of the natural \(\ce{CO2}\) cycle, is found to be 13.6 disintegrations per minute and gram of carbon. When a plant (e. g. a tree) dies, it no longer takes part in the \(\ce{CO2}\) cycle. As a consequence, the decay rate of carbon decreases.
In 1983, a decay rate of 12.0 disintegrations per minute and gram of carbon was measured for a piece of wood which belongs to a ship of the Vikings. In which year was cut the tree from which this piece of wood originated?
1.3 Assume that the error of the decay rate of 12.0 disintegrations per minute and gram of carbon is 0.2 disintegrations per minute and gram of carbon. What is the corresponding error in the age of the wood in question b)?
1.4 What is the isotope \(\ce{^{12}C}/\ce{^{14}C}\) ratio of carbon, which takes part in the natural \(\ce{CO2}\) cycle (1 year = 365 days)?
B)
The elements strontium and rubidium have the following isotope composition:
Strontium: 0.56 % \(\ce{^{84}Sr}\) ; 9.86 % \(\ce{^{86}Sr}\) ; 7.00 % \(\ce{^{87}Sr}\) ; 82.58 % \(\ce{^{88}Sr}\) (these isotopes are all stable).
Rubidium: 72.17 % \(\ce{^{85}Rb}\) (stable) ; 27.83 % \(\ce{^{87}Rb}\) (radioactive; \(t_{1/2}=4.7\times10^{10}\) years).
The radioactive decay of \(\ce{^{87}Rb}\) leads to \(\ce{^{87}Sr}\).
In Greenland one finds a gneiss (= silicate mineral) containing both strontium and rubidium.
1.5 What is the equation rate law describing the formation of \(\ce{^{87}Sr}\) from \(\ce{^{87}Rb}\) as a function of time?
1.6 Assume that the isotope ratio \(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\) (as determined by mass spectrometry) and the isotope ratio \(\ce{^{87}Rb}:\ce{^{86}Sr}\) are known for the gneiss. What is the mathematical relationship with which one can calculate the age of the gneiss?
Official English text of the problem.
Answers
-
1.1 Interpreting \(\alpha\) as the decay constant \(\lambda\), \[ \boxed{\alpha=\lambda=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}.} \]
-
1.2 The wood was approximately \(1.03\times10^3\) years old in 1983. The tree was cut around 948 CE.
-
1.3 The age uncertainty is approximately \[ \boxed{\Delta t\approx\pm1.4\times10^2\ \mathrm{years}.} \]
-
1.4 The isotope number ratio is \[ \boxed{\frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})}\approx8.39\times10^{11}.} \]
-
1.5 Let \(P(t)\) and \(D(t)\) be the numbers of \(\ce{^{87}Rb}\) and \(\ce{^{87}Sr}\) atoms, respectively. Then \[ \boxed{\frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}, \qquad D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right),} \] where \(\lambda_{\mathrm{Rb}}=\ln2/(4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr})\).
-
1.6 Define the present isotope number ratios \[ R=\left(\frac{\ce{^{87}Sr}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t, \qquad Q=\left(\frac{\ce{^{87}Rb}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t. \] For a closed system with initial strontium ratio \(R_0\), \[ \boxed{t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right).} \] Taking the listed strontium composition as the initial composition gives \(R_0=7.00/9.86\approx0.710\).
Solution
1.1
At one half-life, half the original radioactive atoms remain:
\[ \frac{N(t_{1/2})}{N_0}=\frac12 =\mathrm{e}^{-\lambda t_{1/2}}. \]
Taking natural logarithms gives
\[ -\ln2=-\lambda t_{1/2}, \]
and therefore
\[ \boxed{\lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}.} \]
For carbon-14,
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2}{5730\ \mathrm{yr}} =1.20968\times10^{-4}\ \mathrm{yr^{-1}}. \]
1.2
The activity is proportional to the number of carbon-14 atoms:
\[ A=\lambda_{\mathrm C}N. \]
Consequently, the specific activity of the wood follows the same exponential law:
\[ A(t)=A_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm C}t}. \]
Taking \(A_0=13.6\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) at the time the tree was cut and \(A=12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) in 1983,
\[ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A} =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\frac{13.6}{12.0} =1034.68\ \mathrm{yr}. \]
The corresponding calendar year is
\[ 1983-1034.68=948.32. \]
Thus, within the dating model specified in the problem, the tree was cut around
\[ \boxed{948\ \text{CE}.} \]
1.3
Treating the initial activity and half-life as fixed, differentiate the age formula with respect to the measured activity:
\[ t(A)=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A}, \qquad \frac{dt}{dA}=-\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
The magnitude of the first-order age uncertainty is therefore
\[ \Delta t \approx\left|\frac{dt}{dA}\right|\Delta A =\frac{\Delta A}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
Substitution gives
\[ \Delta t =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \frac{0.2\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} {12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} =137.78\ \mathrm{yr}. \]
Hence
\[ \boxed{t\approx(1.03\pm0.14)\times10^3\ \mathrm{yr}.} \]
The exact endpoint calculation gives
\[ t(12.2)=898.04\ \mathrm{yr}, \qquad t(11.8)=1173.62\ \mathrm{yr}, \]
or \(1034.68^{+138.94}_{-136.64}\ \mathrm{yr}\), consistent with the rounded uncertainty of approximately \(\pm140\) years.
1.4
Consider \(1.000\ \mathrm g\) of carbon participating in the natural cycle. Convert the carbon-14 decay constant to inverse minutes:
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2} {5730\times365\times24\times60\ \mathrm{min}} =2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}. \]
Since its activity is \(13.6\ \mathrm{min^{-1}}\), the number of carbon-14 atoms is
\[ N(\ce{^{14}C}) =\frac{A}{\lambda_{\mathrm C}} =\frac{13.6\ \mathrm{min^{-1}}} {2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}} =5.90913\times10^{10}. \]
Neglecting the minute carbon-14 contribution and using the isotope mass numbers to approximate their molar masses, the mean carbon molar mass is
\[ M_{\mathrm C} =\left(0.9890\times12+0.0110\times13\right) \mathrm{g\,mol^{-1}} =12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Using the standard Avogadro constant, \(N_{\mathrm A}\approx6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\),
\[ N(\ce{^{12}C}) =0.9890\, \frac{1.000\ \mathrm g}{12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} N_{\mathrm A} \approx4.959\times10^{22}. \]
Thus the required atom-number ratio is
\[ \boxed{ \frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})} =\frac{4.959\times10^{22}}{5.90913\times10^{10}} \approx8.39\times10^{11}. } \]
1.5
Rubidium-87 undergoes beta-minus decay to strontium-87:
\[ \ce{^{87}_{37}Rb -> ^{87}_{38}Sr + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
where \(\bar{\nu}_e\) is an electron antineutrino. The mass number remains 87, and charge is conserved because \(37=38-1\).
Let \(P(t)\) denote the number of rubidium-87 atoms and \(D(t)\) the number of strontium-87 atoms. Each parent decay produces one stable daughter atom. In a closed system,
\[ \frac{dP}{dt}=-\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \lambda_{\mathrm{Rb}} =\frac{\ln2}{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}. \]
Since \(P(t)=P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\),
\[ \frac{dD}{dt} =\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
Integrating from time zero to time \(t\) gives
\[ D(t)-D_0 =\int_0^t \lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}\tau}\,d\tau =P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right). \]
Therefore,
\[ \boxed{D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right).} \]
Here \(D_0\) includes the strontium-87 already present when the system formed.
1.6
The initial number of rubidium-87 atoms can be expressed using its present number:
\[ P_0=P(t)\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
Substituting this into the daughter-growth equation yields
\[ D(t)=D_0+P(t)\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
Strontium-86 is stable and is neither produced nor consumed by this decay. Its number, \(S=N(\ce{^{86}Sr})\), therefore remains constant in a closed system. Dividing by \(S\) gives
\[ \frac{D(t)}{S} =\frac{D_0}{S} +\frac{P(t)}{S}\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
In terms of isotope ratios,
\[ \boxed{R=R_0+Q\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right).} \]
Rearranging,
\[ \mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t} =1+\frac{R-R_0}{Q}, \]
so
\[ \boxed{ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm{Rb}}} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right). } \]
Taking the supplied strontium isotope composition to represent the initial composition,
\[ R_0=\frac{7.00}{9.86}=0.709939\ldots, \]
and the requested relationship becomes
\[ \boxed{ t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left[ 1+ \frac{ \left(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\right)_t-7.00/9.86 }{ \left(\ce{^{87}Rb}/\ce{^{86}Sr}\right)_t } \right]. } \]
This age represents the elapsed time since the mineral system became closed to rubidium and strontium exchange.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1984 · Theorieaufgabe 1
Radiometrische Datierung mit 14C und 87Rb/87Sr
A)
Das Element Kohlenstoff besteht aus den stabilen Isotopen \(\ce{^{12}C}\) (98.90 Prozent der Atome) und \(\ce{^{13}C}\) (1.10 Prozent der Atome). Darüber hinaus enthält Kohlenstoff einen kleinen Anteil des Radioisotops \(\ce{^{14}C}\) (\(t_{1/2}=5730\) Jahre), das in der Atmosphäre durch kosmische Strahlung kontinuierlich als \(\ce{CO2}\) gebildet wird. Über den natürlichen \(\ce{CO2}\)-Kreislauf vermischt sich \(\ce{^{14}C}\) mit den Isotopen \(\ce{^{12}C}\) und \(\ce{^{13}C}\).
Die Zerfallsrate von \(\ce{^{14}C}\) wird beschrieben durch (\(N\) = Anzahl der \(\ce{^{14}C}\)-Atome; \(t\) = Zeit; \(\lambda\) = Zerfallskonstante):
\[ \text{Zerfallsrate}=-\frac{dN}{dt}=\lambda N \tag{1} \]
Die Integration von (1) führt zum bekannten Zeitgesetz (2) für den radioaktiven Zerfall:
\[ N=N_0\,\mathrm{e}^{-\lambda t} \tag{2} \]
\(N_0\) = Anzahl der \(\ce{^{14}C}\)-Atome bei \(t=0\)
1.1 Welcher mathematische Zusammenhang besteht zwischen den Parametern \(\alpha\) und \(t_{1/2}\) (= Halbwertszeit)?
1.2 Für Kohlenstoff, der am natürlichen \(\ce{CO2}\)-Kreislauf teilnimmt, wird eine Zerfallsrate von 13.6 Zerfällen pro Minute und Gramm Kohlenstoff festgestellt. Wenn eine Pflanze (z. B. ein Baum) stirbt, nimmt sie nicht mehr am \(\ce{CO2}\)-Kreislauf teil. Infolgedessen nimmt die Zerfallsrate des Kohlenstoffs ab.
Im Jahr 1983 wurde für ein Holzstück, das zu einem Wikingerschiff gehört, eine Zerfallsrate von 12.0 Zerfällen pro Minute und Gramm Kohlenstoff gemessen. In welchem Jahr wurde der Baum gefällt, von dem dieses Holzstück stammt?
1.3 Nehmen Sie an, dass der Fehler der Zerfallsrate von 12.0 Zerfällen pro Minute und Gramm Kohlenstoff 0.2 Zerfälle pro Minute und Gramm Kohlenstoff beträgt. Wie groß ist der entsprechende Fehler des Alters des Holzes aus Frage b)?
1.4 Wie groß ist das Isotopenverhältnis \(\ce{^{12}C}/\ce{^{14}C}\) des Kohlenstoffs, der am natürlichen \(\ce{CO2}\)-Kreislauf teilnimmt (1 Jahr = 365 Tage)?
B)
Die Elemente Strontium und Rubidium haben folgende Isotopenzusammensetzung:
Strontium: 0.56 % \(\ce{^{84}Sr}\) ; 9.86 % \(\ce{^{86}Sr}\) ; 7.00 % \(\ce{^{87}Sr}\) ; 82.58 % \(\ce{^{88}Sr}\) (diese Isotope sind alle stabil).
Rubidium: 72.17 % \(\ce{^{85}Rb}\) (stabil) ; 27.83 % \(\ce{^{87}Rb}\) (radioaktiv; \(t_{1/2}=4.7\times10^{10}\) Jahre).
Der radioaktive Zerfall von \(\ce{^{87}Rb}\) führt zu \(\ce{^{87}Sr}\).
In Grönland findet man einen Gneis (= Silikatmineral), der sowohl Strontium als auch Rubidium enthält.
1.5 Welches Zeitgesetz beschreibt die Bildung von \(\ce{^{87}Sr}\) aus \(\ce{^{87}Rb}\) als Funktion der Zeit?
1.6 Nehmen Sie an, dass das Isotopenverhältnis \(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\) (massenspektrometrisch bestimmt) und das Isotopenverhältnis \(\ce{^{87}Rb}:\ce{^{86}Sr}\) für den Gneis bekannt sind. Mit welchem mathematischen Zusammenhang lässt sich das Alter des Gneises berechnen?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
1.1 Wird \(\alpha\) als Zerfallskonstante \(\lambda\) aufgefasst, gilt \[ \boxed{\alpha=\lambda=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}.} \]
-
1.2 Das Holz war im Jahr 1983 ungefähr \(1.03\times10^3\) Jahre alt. Der Baum wurde um 948 n. Chr. gefällt.
-
1.3 Die Altersunsicherheit beträgt ungefähr \[ \boxed{\Delta t\approx\pm1.4\times10^2\ \mathrm{years}.} \]
-
1.4 Das Zahlenverhältnis der Isotope beträgt \[ \boxed{\frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})}\approx8.39\times10^{11}.} \]
-
1.5 Es seien \(P(t)\) und \(D(t)\) die Anzahlen der \(\ce{^{87}Rb}\)- bzw. \(\ce{^{87}Sr}\)-Atome. Dann gilt \[ \boxed{\frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}, \qquad D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right),} \] wobei \(\lambda_{\mathrm{Rb}}=\ln2/(4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr})\).
-
1.6 Die heutigen Zahlenverhältnisse der Isotope seien definiert als \[ R=\left(\frac{\ce{^{87}Sr}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t, \qquad Q=\left(\frac{\ce{^{87}Rb}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t. \] Für ein geschlossenes System mit dem anfänglichen Strontiumverhältnis \(R_0\) gilt \[ \boxed{t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right).} \] Wird die angegebene Strontiumzusammensetzung als anfängliche Zusammensetzung angenommen, ergibt sich \(R_0=7.00/9.86\approx0.710\).
Lösung
1.1
Nach einer Halbwertszeit ist noch die Hälfte der ursprünglichen radioaktiven Atome vorhanden:
\[ \frac{N(t_{1/2})}{N_0}=\frac12 =\mathrm{e}^{-\lambda t_{1/2}}. \]
Durch Bildung des natürlichen Logarithmus erhält man
\[ -\ln2=-\lambda t_{1/2}, \]
und somit
\[ \boxed{\lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}.} \]
Für Kohlenstoff-14 gilt
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2}{5730\ \mathrm{yr}} =1.20968\times10^{-4}\ \mathrm{yr^{-1}}. \]
1.2
Die Aktivität ist proportional zur Anzahl der Kohlenstoff-14-Atome:
\[ A=\lambda_{\mathrm C}N. \]
Folglich folgt die spezifische Aktivität des Holzes demselben Exponentialgesetz:
\[ A(t)=A_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm C}t}. \]
Mit \(A_0=13.6\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) zum Zeitpunkt der Fällung des Baumes und \(A=12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) im Jahr 1983 ergibt sich
\[ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A} =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\frac{13.6}{12.0} =1034.68\ \mathrm{yr}. \]
Das entsprechende Kalenderjahr ist
\[ 1983-1034.68=948.32. \]
Somit wurde der Baum im Rahmen des in der Aufgabe vorgegebenen Datierungsmodells etwa in folgendem Jahr gefällt:
\[ \boxed{948\ \text{n. Chr.}.} \]
1.3
Bei festgehaltener Anfangsaktivität und Halbwertszeit wird die Altersformel nach der gemessenen Aktivität differenziert:
\[ t(A)=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A}, \qquad \frac{dt}{dA}=-\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
Der Betrag der Altersunsicherheit in erster Näherung ist daher
\[ \Delta t \approx\left|\frac{dt}{dA}\right|\Delta A =\frac{\Delta A}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
Einsetzen ergibt
\[ \Delta t =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \frac{0.2\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} {12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} =137.78\ \mathrm{yr}. \]
Damit gilt
\[ \boxed{t\approx(1.03\pm0.14)\times10^3\ \mathrm{yr}.} \]
Die exakte Berechnung an den Intervallgrenzen ergibt
\[ t(12.2)=898.04\ \mathrm{yr}, \qquad t(11.8)=1173.62\ \mathrm{yr}, \]
oder \(1034.68^{+138.94}_{-136.64}\ \mathrm{yr}\), in Übereinstimmung mit der gerundeten Unsicherheit von ungefähr \(\pm140\) Jahren.
1.4
Betrachtet werden \(1.000\ \mathrm g\) Kohlenstoff, der am natürlichen Kreislauf teilnimmt. Die Zerfallskonstante von Kohlenstoff-14 wird in reziproke Minuten umgerechnet:
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2} {5730\times365\times24\times60\ \mathrm{min}} =2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}. \]
Da seine Aktivität \(13.6\ \mathrm{min^{-1}}\) beträgt, ist die Anzahl der Kohlenstoff-14-Atome
\[ N(\ce{^{14}C}) =\frac{A}{\lambda_{\mathrm C}} =\frac{13.6\ \mathrm{min^{-1}}} {2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}} =5.90913\times10^{10}. \]
Vernachlässigt man den winzigen Beitrag von Kohlenstoff-14 und verwendet die Massenzahlen der Isotope zur Näherung ihrer molaren Massen, so beträgt die mittlere molare Masse des Kohlenstoffs
\[ M_{\mathrm C} =\left(0.9890\times12+0.0110\times13\right) \mathrm{g\,mol^{-1}} =12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Mit dem üblichen Wert der Avogadro-Konstante, \(N_{\mathrm A}\approx6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\), ergibt sich
\[ N(\ce{^{12}C}) =0.9890\, \frac{1.000\ \mathrm g}{12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} N_{\mathrm A} \approx4.959\times10^{22}. \]
Somit beträgt das gesuchte Atomanzahlverhältnis
\[ \boxed{ \frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})} =\frac{4.959\times10^{22}}{5.90913\times10^{10}} \approx8.39\times10^{11}. } \]
1.5
Rubidium-87 zerfällt durch Beta-minus-Zerfall zu Strontium-87:
\[ \ce{^{87}_{37}Rb -> ^{87}_{38}Sr + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
wobei \(\bar{\nu}_e\) ein Elektron-Antineutrino ist. Die Massenzahl bleibt 87, und die Ladung bleibt erhalten, da \(37=38-1\).
Es bezeichne \(P(t)\) die Anzahl der Rubidium-87-Atome und \(D(t)\) die Anzahl der Strontium-87-Atome. Bei jedem Zerfall eines Mutteratoms entsteht ein stabiles Tochteratom. In einem geschlossenen System gilt
\[ \frac{dP}{dt}=-\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \lambda_{\mathrm{Rb}} =\frac{\ln2}{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}. \]
Da \(P(t)=P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\), gilt
\[ \frac{dD}{dt} =\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
Die Integration vom Zeitpunkt null bis zum Zeitpunkt \(t\) ergibt
\[ D(t)-D_0 =\int_0^t \lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}\tau}\,d\tau =P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right). \]
Daher gilt
\[ \boxed{D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right).} \]
Dabei umfasst \(D_0\) das Strontium-87, das bei der Entstehung des Systems bereits vorhanden war.
1.6
Die anfängliche Anzahl der Rubidium-87-Atome lässt sich durch ihre heutige Anzahl ausdrücken:
\[ P_0=P(t)\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
Einsetzen in die Gleichung für die Zunahme der Tochteratome ergibt
\[ D(t)=D_0+P(t)\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
Strontium-86 ist stabil und wird bei diesem Zerfall weder gebildet noch verbraucht. Seine Anzahl, \(S=N(\ce{^{86}Sr})\), bleibt daher in einem geschlossenen System konstant. Division durch \(S\) ergibt
\[ \frac{D(t)}{S} =\frac{D_0}{S} +\frac{P(t)}{S}\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
In Isotopenverhältnissen ausgedrückt gilt
\[ \boxed{R=R_0+Q\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right).} \]
Umstellen ergibt
\[ \mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t} =1+\frac{R-R_0}{Q}, \]
also
\[ \boxed{ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm{Rb}}} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right). } \]
Wird die angegebene Strontium-Isotopenzusammensetzung als anfängliche Zusammensetzung angenommen, gilt
\[ R_0=\frac{7.00}{9.86}=0.709939\ldots, \]
und der gesuchte Zusammenhang lautet
\[ \boxed{ t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left[ 1+ \frac{ \left(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\right)_t-7.00/9.86 }{ \left(\ce{^{87}Rb}/\ce{^{86}Sr}\right)_t } \right]. } \]
Dieses Alter entspricht der Zeit, die vergangen ist, seit das Mineralsystem gegenüber dem Austausch von Rubidium und Strontium geschlossen ist.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1984 · Teori sorusu 1
14C ve 87Rb/87Sr ile radyoaktif yaş tayini
A)
Karbon elementi, kararlı \(\ce{^{12}C}\) (atomların yüzde 98.90'ı) ve \(\ce{^{13}C}\) (atomların yüzde 1.10'u) izotoplarından oluşur. Ayrıca karbon, atmosferde kozmik ışınlar tarafından sürekli olarak \(\ce{CO2}\) biçiminde oluşturulan \(\ce{^{14}C}\) radyoizotopunu (\(t_{1/2}=5730\) yıl) küçük bir oranda içerir. \(\ce{^{14}C}\), doğal \(\ce{CO2}\) döngüsü yoluyla \(\ce{^{12}C}\) ve \(\ce{^{13}C}\) izotoplarıyla karışır.
\(\ce{^{14}C}\)'ün bozunma hızı aşağıdaki bağıntıyla tanımlanır (\(N\) = \(\ce{^{14}C}\) atomlarının sayısı; \(t\) = zaman; \(\lambda\) = bozunma sabiti):
\[ \text{bozunma hızı}=-\frac{dN}{dt}=\lambda N \tag{1} \]
(1)'in integrali alındığında, radyoaktif bozunma için iyi bilinen (2) hız yasası elde edilir:
\[ N=N_0\,\mathrm{e}^{-\lambda t} \tag{2} \]
\(N_0\) = \(t=0\) anındaki \(\ce{^{14}C}\) atomlarının sayısı
1.1 \(\alpha\) ve \(t_{1/2}\) (= yarı ömür) parametreleri arasındaki matematiksel ilişki nedir?
1.2 Doğal \(\ce{CO2}\) döngüsünde yer alan karbonun bozunma hızının, gram karbon başına dakikada 13.6 bozunma olduğu bulunmuştur. Bir bitki (örneğin bir ağaç) öldüğünde artık \(\ce{CO2}\) döngüsünde yer almaz. Bunun sonucunda karbonun bozunma hızı azalır.
1983 yılında, Vikinglere ait bir gemiden alınan bir odun parçası için gram karbon başına dakikada 12.0 bozunmalık bir bozunma hızı ölçülmüştür. Bu odun parçasının elde edildiği ağaç hangi yılda kesilmiştir?
1.3 Gram karbon başına dakikada 12.0 bozunma olarak ölçülen bozunma hızındaki hatanın, gram karbon başına dakikada 0.2 bozunma olduğunu varsayın. b) sorusundaki odunun yaşında buna karşılık gelen hata nedir?
1.4 Doğal \(\ce{CO2}\) döngüsünde yer alan karbonun \(\ce{^{12}C}/\ce{^{14}C}\) izotop oranı nedir (1 yıl = 365 gün)?
B)
Stronsiyum ve rubidyum elementlerinin izotop bileşimleri aşağıdaki gibidir:
Stronsiyum: % 0.56 \(\ce{^{84}Sr}\) ; % 9.86 \(\ce{^{86}Sr}\) ; % 7.00 \(\ce{^{87}Sr}\) ; % 82.58 \(\ce{^{88}Sr}\) (bu izotopların tümü kararlıdır).
Rubidyum: % 72.17 \(\ce{^{85}Rb}\) (kararlı) ; % 27.83 \(\ce{^{87}Rb}\) (radyoaktif; \(t_{1/2}=4.7\times10^{10}\) yıl).
\(\ce{^{87}Rb}\)'nin radyoaktif bozunması sonucunda \(\ce{^{87}Sr}\) oluşur.
Grönland'da hem stronsiyum hem de rubidyum içeren bir gnays (= silikat minerali) bulunur.
1.5 \(\ce{^{87}Rb}\)'den \(\ce{^{87}Sr}\) oluşumunu zamanın bir fonksiyonu olarak tanımlayan hız yasası denklemi nedir?
1.6 Gnays için \(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\) izotop oranının (kütle spektrometrisiyle belirlendiği şekliyle) ve \(\ce{^{87}Rb}:\ce{^{86}Sr}\) izotop oranının bilindiğini varsayın. Gnaysın yaşını hesaplamak için kullanılabilecek matematiksel ilişki nedir?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
1.1 \(\alpha\), bozunma sabiti \(\lambda\) olarak yorumlandığında, \[ \boxed{\alpha=\lambda=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}.} \]
-
1.2 Odun, 1983 yılında yaklaşık \(1.03\times10^3\) yaşındaydı. Ağaç yaklaşık MS 948 yılında kesilmiştir.
-
1.3 Yaş belirsizliği yaklaşık olarak \[ \boxed{\Delta t\approx\pm1.4\times10^2\ \mathrm{years}.} \] kadardır.
-
1.4 İzotopların atom sayıları oranı \[ \boxed{\frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})}\approx8.39\times10^{11}.} \] şeklindedir.
-
1.5 \(P(t)\) ve \(D(t)\), sırasıyla \(\ce{^{87}Rb}\) ve \(\ce{^{87}Sr}\) atomlarının sayıları olsun. Bu durumda \[ \boxed{\frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}, \qquad D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right),} \] burada \(\lambda_{\mathrm{Rb}}=\ln2/(4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr})\) olarak tanımlanır.
-
1.6 Günümüzdeki izotop atom sayısı oranlarını \[ R=\left(\frac{\ce{^{87}Sr}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t, \qquad Q=\left(\frac{\ce{^{87}Rb}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t. \] olarak tanımlayalım. Başlangıçtaki stronsiyum oranı \(R_0\) olan kapalı bir sistem için, \[ \boxed{t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right).} \] Verilen stronsiyum bileşimi başlangıç bileşimi olarak alındığında \(R_0=7.00/9.86\approx0.710\) elde edilir.
Çözüm
1.1
Bir yarı ömür sonunda başlangıçtaki radyoaktif atomların yarısı kalır:
\[ \frac{N(t_{1/2})}{N_0}=\frac12 =\mathrm{e}^{-\lambda t_{1/2}}. \]
Doğal logaritma alındığında
\[ -\ln2=-\lambda t_{1/2}, \]
ve dolayısıyla
\[ \boxed{\lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}.} \]
elde edilir. Karbon-14 için,
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2}{5730\ \mathrm{yr}} =1.20968\times10^{-4}\ \mathrm{yr^{-1}}. \]
1.2
Aktivite, karbon-14 atomlarının sayısıyla orantılıdır:
\[ A=\lambda_{\mathrm C}N. \]
Dolayısıyla odunun özgül aktivitesi de aynı üstel yasaya uyar:
\[ A(t)=A_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm C}t}. \]
Ağacın kesildiği anda \(A_0=13.6\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) ve 1983 yılında \(A=12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) alınırsa,
\[ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A} =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\frac{13.6}{12.0} =1034.68\ \mathrm{yr}. \]
Buna karşılık gelen takvim yılı
\[ 1983-1034.68=948.32. \]
olur. Dolayısıyla, soruda belirtilen yaş tayini modeline göre ağaç yaklaşık olarak
\[ \boxed{948\ \text{MS}.} \]
yılında kesilmiştir.
1.3
Başlangıç aktivitesini ve yarı ömrü sabit kabul ederek yaş formülünün ölçülen aktiviteye göre türevini alalım:
\[ t(A)=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A}, \qquad \frac{dt}{dA}=-\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
Buna göre, birinci mertebeden yaş belirsizliğinin büyüklüğü
\[ \Delta t \approx\left|\frac{dt}{dA}\right|\Delta A =\frac{\Delta A}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
olur. Değerler yerine konulduğunda
\[ \Delta t =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \frac{0.2\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} {12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} =137.78\ \mathrm{yr}. \]
elde edilir. Böylece
\[ \boxed{t\approx(1.03\pm0.14)\times10^3\ \mathrm{yr}.} \]
Uç noktalar için tam hesaplama
\[ t(12.2)=898.04\ \mathrm{yr}, \qquad t(11.8)=1173.62\ \mathrm{yr}, \]
ya da \(1034.68^{+138.94}_{-136.64}\ \mathrm{yr}\) sonucunu verir; bu, yaklaşık \(\pm140\) yıl olarak yuvarlanan belirsizlikle uyumludur.
1.4
Doğal döngüye katılan \(1.000\ \mathrm g\) karbonu ele alalım. Karbon-14'ün bozunma sabitini ters dakika birimine dönüştürelim:
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2} {5730\times365\times24\times60\ \mathrm{min}} =2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}. \]
Aktivitesi \(13.6\ \mathrm{min^{-1}}\) olduğundan, karbon-14 atomlarının sayısı
\[ N(\ce{^{14}C}) =\frac{A}{\lambda_{\mathrm C}} =\frac{13.6\ \mathrm{min^{-1}}} {2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}} =5.90913\times10^{10}. \]
olur. Karbon-14'ün çok küçük katkısı ihmal edilip izotopların molar kütlelerine yaklaşık değerler olarak kütle numaraları kullanıldığında, karbonun ortalama molar kütlesi
\[ M_{\mathrm C} =\left(0.9890\times12+0.0110\times13\right) \mathrm{g\,mol^{-1}} =12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
olur. Standart Avogadro sabiti, \(N_{\mathrm A}\approx6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\), kullanılarak,
\[ N(\ce{^{12}C}) =0.9890\, \frac{1.000\ \mathrm g}{12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} N_{\mathrm A} \approx4.959\times10^{22}. \]
elde edilir. Böylece istenen atom sayıları oranı
\[ \boxed{ \frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})} =\frac{4.959\times10^{22}}{5.90913\times10^{10}} \approx8.39\times10^{11}. } \]
olur.
1.5
Rubidyum-87, beta eksi bozunması geçirerek stronsiyum-87'ye dönüşür:
\[ \ce{^{87}_{37}Rb -> ^{87}_{38}Sr + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
burada \(\bar{\nu}_e\) bir elektron antinötrinosudur. Kütle numarası 87 olarak kalır ve \(37=38-1\) olduğundan yük korunur.
\(P(t)\), rubidyum-87 atomlarının sayısını; \(D(t)\) ise stronsiyum-87 atomlarının sayısını göstersin. Her ana atomun bozunmasıyla bir kararlı yavru atom oluşur. Kapalı bir sistemde,
\[ \frac{dP}{dt}=-\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \lambda_{\mathrm{Rb}} =\frac{\ln2}{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}. \]
\(P(t)=P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\) olduğundan,
\[ \frac{dD}{dt} =\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
Sıfır anından \(t\) anına kadar integral alındığında
\[ D(t)-D_0 =\int_0^t \lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}\tau}\,d\tau =P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right). \]
elde edilir. Dolayısıyla,
\[ \boxed{D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right).} \]
Burada \(D_0\), sistem oluştuğunda zaten mevcut olan stronsiyum-87'yi içerir.
1.6
Başlangıçtaki rubidyum-87 atomlarının sayısı, günümüzdeki sayısı kullanılarak ifade edilebilir:
\[ P_0=P(t)\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
Bu ifade yavru atomların birikim denkleminde yerine konulduğunda
\[ D(t)=D_0+P(t)\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
elde edilir. Stronsiyum-86 kararlıdır ve bu bozunmada ne üretilir ne de tüketilir. Bu nedenle atom sayısı, \(S=N(\ce{^{86}Sr})\), kapalı bir sistemde sabit kalır. \(S\)'ye bölündüğünde
\[ \frac{D(t)}{S} =\frac{D_0}{S} +\frac{P(t)}{S}\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
elde edilir. İzotop oranları cinsinden,
\[ \boxed{R=R_0+Q\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right).} \]
Yeniden düzenlendiğinde,
\[ \mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t} =1+\frac{R-R_0}{Q}, \]
dolayısıyla
\[ \boxed{ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm{Rb}}} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right). } \]
elde edilir. Verilen stronsiyum izotop bileşiminin başlangıç bileşimini temsil ettiği kabul edilirse,
\[ R_0=\frac{7.00}{9.86}=0.709939\ldots, \]
ve istenen ilişki şu biçimi alır:
\[ \boxed{ t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left[ 1+ \frac{ \left(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\right)_t-7.00/9.86 }{ \left(\ce{^{87}Rb}/\ce{^{86}Sr}\right)_t } \right]. } \]
Bu yaş, mineral sisteminin rubidyum ve stronsiyum alışverişine kapalı hâle gelmesinden bu yana geçen süreyi temsil eder.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1984 · Problema teórico 1
Datación radiactiva con 14C y 87Rb/87Sr
A)
El elemento carbono está constituido por los isótopos estables \(\ce{^{12}C}\) (98.90 por ciento de los átomos) y \(\ce{^{13}C}\) (1.10 por ciento de los átomos). Además, el carbono contiene una pequeña fracción del radioisótopo \(\ce{^{14}C}\) (\(t_{1/2}=5730\) años), que se forma continuamente en la atmósfera por la acción de los rayos cósmicos en forma de \(\ce{CO2}\). El \(\ce{^{14}C}\) se mezcla con los isótopos \(\ce{^{12}C}\) y \(\ce{^{13}C}\) a través del ciclo natural del \(\ce{CO2}\).
La velocidad de desintegración del \(\ce{^{14}C}\) se describe mediante (\(N\) = número de átomos de \(\ce{^{14}C}\); \(t\) = tiempo; \(\lambda\) = constante de desintegración):
\[ \text{velocidad de desintegración}=-\frac{dN}{dt}=\lambda N \tag{1} \]
La integración de (1) conduce a la conocida ley cinética (2) de la desintegración radiactiva:
\[ N=N_0\,\mathrm{e}^{-\lambda t} \tag{2} \]
\(N_0\) = número de átomos de \(\ce{^{14}C}\) en \(t=0\)
1.1 ¿Cuál es la relación matemática entre los parámetros \(\alpha\) y \(t_{1/2}\) (= período de semidesintegración)?
1.2 Se ha determinado que la velocidad de desintegración del carbono que forma parte del ciclo natural del \(\ce{CO2}\) es de 13.6 desintegraciones por minuto y gramo de carbono. Cuando una planta (por ejemplo, un árbol) muere, deja de participar en el ciclo del \(\ce{CO2}\). En consecuencia, la velocidad de desintegración del carbono disminuye.
En 1983 se midió una velocidad de desintegración de 12.0 desintegraciones por minuto y gramo de carbono en un trozo de madera perteneciente a un barco vikingo. ¿En qué año se taló el árbol del que procedía este trozo de madera?
1.3 Suponga que el error de la velocidad de desintegración de 12.0 desintegraciones por minuto y gramo de carbono es de 0.2 desintegraciones por minuto y gramo de carbono. ¿Cuál es el error correspondiente en la edad de la madera de la pregunta b)?
1.4 ¿Cuál es la relación isotópica \(\ce{^{12}C}/\ce{^{14}C}\) del carbono que participa en el ciclo natural del \(\ce{CO2}\) (1 año = 365 días)?
B)
Los elementos estroncio y rubidio tienen la siguiente composición isotópica:
Estroncio: 0.56 % \(\ce{^{84}Sr}\) ; 9.86 % \(\ce{^{86}Sr}\) ; 7.00 % \(\ce{^{87}Sr}\) ; 82.58 % \(\ce{^{88}Sr}\) (todos estos isótopos son estables).
Rubidio: 72.17 % \(\ce{^{85}Rb}\) (estable) ; 27.83 % \(\ce{^{87}Rb}\) (radiactivo; \(t_{1/2}=4.7\times10^{10}\) años).
La desintegración radiactiva del \(\ce{^{87}Rb}\) produce \(\ce{^{87}Sr}\).
En Groenlandia se encuentra un gneis (= mineral silicatado) que contiene tanto estroncio como rubidio.
1.5 ¿Cuál es la ecuación de la ley cinética que describe la formación de \(\ce{^{87}Sr}\) a partir de \(\ce{^{87}Rb}\) en función del tiempo?
1.6 Suponga que se conocen la relación isotópica \(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\) (determinada mediante espectrometría de masas) y la relación isotópica \(\ce{^{87}Rb}:\ce{^{86}Sr}\) del gneis. ¿Cuál es la relación matemática que permite calcular la edad del gneis?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
1.1 Interpretando \(\alpha\) como la constante de desintegración \(\lambda\), \[ \boxed{\alpha=\lambda=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}.} \]
-
1.2 La madera tenía aproximadamente \(1.03\times10^3\) años en 1983. El árbol se taló hacia el año 948 d. C..
-
1.3 La incertidumbre en la edad es aproximadamente \[ \boxed{\Delta t\approx\pm1.4\times10^2\ \mathrm{years}.} \]
-
1.4 La relación entre los números de átomos de los isótopos es \[ \boxed{\frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})}\approx8.39\times10^{11}.} \]
-
1.5 Sean \(P(t)\) y \(D(t)\) los números de átomos de \(\ce{^{87}Rb}\) y \(\ce{^{87}Sr}\), respectivamente. Entonces \[ \boxed{\frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}, \qquad D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right),} \] donde \(\lambda_{\mathrm{Rb}}=\ln2/(4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr})\).
-
1.6 Definamos las relaciones actuales entre los números de átomos de los isótopos \[ R=\left(\frac{\ce{^{87}Sr}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t, \qquad Q=\left(\frac{\ce{^{87}Rb}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t. \] Para un sistema cerrado con una relación inicial de los isótopos del estroncio \(R_0\), \[ \boxed{t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right).} \] Al tomar la composición del estroncio indicada como composición inicial, se obtiene \(R_0=7.00/9.86\approx0.710\).
Solución
1.1
Al transcurrir un período de semidesintegración, queda la mitad de los átomos radiactivos originales:
\[ \frac{N(t_{1/2})}{N_0}=\frac12 =\mathrm{e}^{-\lambda t_{1/2}}. \]
Tomando logaritmos naturales se obtiene
\[ -\ln2=-\lambda t_{1/2}, \]
y, por tanto,
\[ \boxed{\lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}.} \]
Para el carbono-14,
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2}{5730\ \mathrm{yr}} =1.20968\times10^{-4}\ \mathrm{yr^{-1}}. \]
1.2
La actividad es proporcional al número de átomos de carbono-14:
\[ A=\lambda_{\mathrm C}N. \]
Por consiguiente, la actividad específica de la madera sigue la misma ley exponencial:
\[ A(t)=A_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm C}t}. \]
Tomando \(A_0=13.6\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) en el momento en que se taló el árbol y \(A=12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) en 1983,
\[ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A} =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\frac{13.6}{12.0} =1034.68\ \mathrm{yr}. \]
El año del calendario correspondiente es
\[ 1983-1034.68=948.32. \]
Así, según el modelo de datación especificado en el problema, el árbol se taló hacia el año
\[ \boxed{948\ \text{d. C.}.} \]
1.3
Considerando fijos la actividad inicial y el período de semidesintegración, derivamos la fórmula de la edad respecto de la actividad medida:
\[ t(A)=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A}, \qquad \frac{dt}{dA}=-\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
Por tanto, la magnitud de la incertidumbre en la edad, en una aproximación de primer orden, es
\[ \Delta t \approx\left|\frac{dt}{dA}\right|\Delta A =\frac{\Delta A}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
Al sustituir se obtiene
\[ \Delta t =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \frac{0.2\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} {12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} =137.78\ \mathrm{yr}. \]
Por tanto,
\[ \boxed{t\approx(1.03\pm0.14)\times10^3\ \mathrm{yr}.} \]
El cálculo exacto en los extremos da
\[ t(12.2)=898.04\ \mathrm{yr}, \qquad t(11.8)=1173.62\ \mathrm{yr}, \]
o \(1034.68^{+138.94}_{-136.64}\ \mathrm{yr}\), en concordancia con la incertidumbre redondeada de aproximadamente \(\pm140\) años.
1.4
Consideremos \(1.000\ \mathrm g\) de carbono que participa en el ciclo natural. Expresamos la constante de desintegración del carbono-14 en minutos inversos:
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2} {5730\times365\times24\times60\ \mathrm{min}} =2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}. \]
Como su actividad es \(13.6\ \mathrm{min^{-1}}\), el número de átomos de carbono-14 es
\[ N(\ce{^{14}C}) =\frac{A}{\lambda_{\mathrm C}} =\frac{13.6\ \mathrm{min^{-1}}} {2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}} =5.90913\times10^{10}. \]
Despreciando la ínfima contribución del carbono-14 y utilizando los números másicos de los isótopos para aproximar sus masas molares, la masa molar media del carbono es
\[ M_{\mathrm C} =\left(0.9890\times12+0.0110\times13\right) \mathrm{g\,mol^{-1}} =12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Utilizando la constante de Avogadro estándar, \(N_{\mathrm A}\approx6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\),
\[ N(\ce{^{12}C}) =0.9890\, \frac{1.000\ \mathrm g}{12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} N_{\mathrm A} \approx4.959\times10^{22}. \]
Así, la relación entre los números de átomos solicitada es
\[ \boxed{ \frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})} =\frac{4.959\times10^{22}}{5.90913\times10^{10}} \approx8.39\times10^{11}. } \]
1.5
El rubidio-87 experimenta una desintegración beta menos para dar estroncio-87:
\[ \ce{^{87}_{37}Rb -> ^{87}_{38}Sr + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
donde \(\bar{\nu}_e\) es un antineutrino electrónico. El número másico sigue siendo 87 y la carga se conserva porque \(37=38-1\).
Sea \(P(t)\) el número de átomos de rubidio-87 y \(D(t)\) el número de átomos de estroncio-87. Cada desintegración de un átomo padre produce un átomo hijo estable. En un sistema cerrado,
\[ \frac{dP}{dt}=-\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \lambda_{\mathrm{Rb}} =\frac{\ln2}{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}. \]
Como \(P(t)=P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\),
\[ \frac{dD}{dt} =\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
Al integrar desde el instante cero hasta el instante \(t\) se obtiene
\[ D(t)-D_0 =\int_0^t \lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}\tau}\,d\tau =P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right). \]
Por tanto,
\[ \boxed{D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right).} \]
Aquí, \(D_0\) incluye el estroncio-87 que ya estaba presente cuando se formó el sistema.
1.6
El número inicial de átomos de rubidio-87 puede expresarse utilizando su número actual:
\[ P_0=P(t)\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
Al sustituir esta expresión en la ecuación de acumulación del isótopo hijo se obtiene
\[ D(t)=D_0+P(t)\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
El estroncio-86 es estable y no se produce ni se consume en esta desintegración. Su número de átomos, \(S=N(\ce{^{86}Sr})\), permanece, por tanto, constante en un sistema cerrado. Al dividir por \(S\) se obtiene
\[ \frac{D(t)}{S} =\frac{D_0}{S} +\frac{P(t)}{S}\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
En términos de relaciones isotópicas,
\[ \boxed{R=R_0+Q\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right).} \]
Reordenando,
\[ \mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t} =1+\frac{R-R_0}{Q}, \]
de modo que
\[ \boxed{ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm{Rb}}} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right). } \]
Tomando la composición isotópica del estroncio proporcionada como representativa de la composición inicial,
\[ R_0=\frac{7.00}{9.86}=0.709939\ldots, \]
y la relación solicitada queda
\[ \boxed{ t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left[ 1+ \frac{ \left(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\right)_t-7.00/9.86 }{ \left(\ce{^{87}Rb}/\ce{^{86}Sr}\right)_t } \right]. } \]
Esta edad representa el tiempo transcurrido desde que el sistema mineral quedó cerrado al intercambio de rubidio y estroncio.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1984 · 理论题 1
利用 14C 和 87Rb/87Sr 进行放射性测年
A)
碳元素由稳定同位素 \(\ce{^{12}C}\)(占原子总数的 98.90%)和 \(\ce{^{13}C}\)(占原子总数的 1.10%)组成。此外,碳还含有少量放射性同位素 \(\ce{^{14}C}\)(\(t_{1/2}=5730\) 年),它在宇宙射线的作用下于大气中不断生成,并以 \(\ce{CO2}\) 的形式存在。\(\ce{^{14}C}\) 通过自然界的 \(\ce{CO2}\) 循环与同位素 \(\ce{^{12}C}\) 和 \(\ce{^{13}C}\) 混合。
\(\ce{^{14}C}\) 的衰变速率由下式描述(\(N\) = \(\ce{^{14}C}\) 原子数;\(t\) = 时间;\(\lambda\) = 衰变常数):
\[ \text{衰变速率}=-\frac{dN}{dt}=\lambda N \tag{1} \]
对式 (1) 积分,可得到熟知的放射性衰变速率方程 (2):
\[ N=N_0\,\mathrm{e}^{-\lambda t} \tag{2} \]
\(N_0\) = \(t=0\) 时的 \(\ce{^{14}C}\) 原子数
1.1 参数 \(\alpha\) 与 \(t_{1/2}\)(即半衰期)之间的数学关系是什么?
1.2 经测定,参与自然界 \(\ce{CO2}\) 循环的碳,其衰变速率为每克碳每分钟 13.6 次衰变。当植物(例如树木)死亡后,它便不再参与 \(\ce{CO2}\) 循环。因此,碳的衰变速率随之降低。
1983 年,对一块来自维京人船只的木材进行测量,得到其衰变速率为每克碳每分钟 12.0 次衰变。这块木材所来自的树木是在哪一年被砍伐的?
1.3 假设每克碳每分钟 12.0 次衰变这一衰变速率的误差为每克碳每分钟 0.2 次衰变。问题 b) 中木材年龄的相应误差是多少?
1.4 参与自然界 \(\ce{CO2}\) 循环的碳,其同位素 \(\ce{^{12}C}/\ce{^{14}C}\) 比值是多少(1 年 = 365 天)?
B)
锶和铷元素的同位素组成如下:
锶:0.56 % \(\ce{^{84}Sr}\);9.86 % \(\ce{^{86}Sr}\);7.00 % \(\ce{^{87}Sr}\);82.58 % \(\ce{^{88}Sr}\)(这些同位素均为稳定同位素)。
铷:72.17 % \(\ce{^{85}Rb}\)(稳定);27.83 % \(\ce{^{87}Rb}\)(具有放射性;\(t_{1/2}=4.7\times10^{10}\) 年)。
\(\ce{^{87}Rb}\) 经放射性衰变生成 \(\ce{^{87}Sr}\)。
在格陵兰岛发现了一种同时含有锶和铷的片麻岩(即硅酸盐矿物)。
1.5 描述 \(\ce{^{87}Rb}\) 生成 \(\ce{^{87}Sr}\) 随时间变化的速率方程是什么?
1.6 假设已知该片麻岩的同位素比值 \(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\)(由质谱法测定)和同位素比值 \(\ce{^{87}Rb}:\ce{^{86}Sr}\)。可用于计算该片麻岩年龄的数学关系式是什么?
题目译自官方英文原文。
答案
-
1.1 将 \(\alpha\) 理解为衰变常数 \(\lambda\),则 \[ \boxed{\alpha=\lambda=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}.} \]
-
1.2 1983 年时,这块木材的年龄约为 \(1.03\times10^3\) 年。树木约于公元 948 年被砍伐。
-
1.3 年龄的不确定度约为 \[ \boxed{\Delta t\approx\pm1.4\times10^2\ \mathrm{years}.} \]
-
1.4 同位素原子数之比为 \[ \boxed{\frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})}\approx8.39\times10^{11}.} \]
-
1.5 设 \(P(t)\) 和 \(D(t)\) 分别为 \(\ce{^{87}Rb}\) 和 \(\ce{^{87}Sr}\) 的原子数。则 \[ \boxed{\frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}, \qquad D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right),} \] 其中 \(\lambda_{\mathrm{Rb}}=\ln2/(4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr})\)。
-
1.6 定义现今的同位素原子数之比为 \[ R=\left(\frac{\ce{^{87}Sr}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t, \qquad Q=\left(\frac{\ce{^{87}Rb}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t. \] 对于初始锶同位素比值为 \(R_0\) 的封闭体系, \[ \boxed{t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right).} \] 将题目列出的锶同位素组成视为初始组成,可得 \(R_0=7.00/9.86\approx0.710\)。
解答
1.1
经过一个半衰期后,原有的放射性原子剩余一半:
\[ \frac{N(t_{1/2})}{N_0}=\frac12 =\mathrm{e}^{-\lambda t_{1/2}}. \]
取自然对数,得到
\[ -\ln2=-\lambda t_{1/2}, \]
因此
\[ \boxed{\lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}.} \]
对于碳-14,
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2}{5730\ \mathrm{yr}} =1.20968\times10^{-4}\ \mathrm{yr^{-1}}. \]
1.2
放射性活度与碳-14 原子数成正比:
\[ A=\lambda_{\mathrm C}N. \]
因此,木材的比活度遵循相同的指数规律:
\[ A(t)=A_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm C}t}. \]
取树木被砍伐时的 \(A_0=13.6\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\),以及 1983 年时的 \(A=12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\),
\[ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A} =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\frac{13.6}{12.0} =1034.68\ \mathrm{yr}. \]
对应的公历年份为
\[ 1983-1034.68=948.32. \]
因此,根据题目指定的测年模型,树木被砍伐的时间约为
\[ \boxed{948\ \text{CE}.} \]
1.3
将初始活度和半衰期视为固定值,对年龄公式关于测得的活度求导:
\[ t(A)=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A}, \qquad \frac{dt}{dA}=-\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
因此,一阶近似下年龄不确定度的大小为
\[ \Delta t \approx\left|\frac{dt}{dA}\right|\Delta A =\frac{\Delta A}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
代入数值得
\[ \Delta t =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \frac{0.2\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} {12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} =137.78\ \mathrm{yr}. \]
所以
\[ \boxed{t\approx(1.03\pm0.14)\times10^3\ \mathrm{yr}.} \]
精确计算端点值可得
\[ t(12.2)=898.04\ \mathrm{yr}, \qquad t(11.8)=1173.62\ \mathrm{yr}, \]
即 \(1034.68^{+138.94}_{-136.64}\ \mathrm{yr}\),与取整后约为 \(\pm140\) 年的不确定度一致。
1.4
考虑参与自然循环的 \(1.000\ \mathrm g\) 碳。将碳-14 衰变常数的单位换算为每分钟:
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2} {5730\times365\times24\times60\ \mathrm{min}} =2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}. \]
由于其活度为 \(13.6\ \mathrm{min^{-1}}\),碳-14 的原子数为
\[ N(\ce{^{14}C}) =\frac{A}{\lambda_{\mathrm C}} =\frac{13.6\ \mathrm{min^{-1}}} {2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}} =5.90913\times10^{10}. \]
忽略极微量碳-14 的贡献,并用同位素的质量数近似其摩尔质量的数值,则碳的平均摩尔质量为
\[ M_{\mathrm C} =\left(0.9890\times12+0.0110\times13\right) \mathrm{g\,mol^{-1}} =12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
采用标准阿伏伽德罗常数, \(N_{\mathrm A}\approx6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\),
\[ N(\ce{^{12}C}) =0.9890\, \frac{1.000\ \mathrm g}{12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} N_{\mathrm A} \approx4.959\times10^{22}. \]
因此,所求的原子数之比为
\[ \boxed{ \frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})} =\frac{4.959\times10^{22}}{5.90913\times10^{10}} \approx8.39\times10^{11}. } \]
1.5
铷-87 经 β⁻ 衰变生成锶-87:
\[ \ce{^{87}_{37}Rb -> ^{87}_{38}Sr + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
其中 \(\bar{\nu}_e\) 为电子反中微子。质量数仍为 87,且由于 \(37=38-1\),电荷守恒。
设 \(P(t)\) 表示铷-87 的原子数,\(D(t)\) 表示锶-87 的原子数。每个母体原子衰变后生成一个稳定的子体原子。在封闭体系中,
\[ \frac{dP}{dt}=-\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \lambda_{\mathrm{Rb}} =\frac{\ln2}{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}. \]
由于 \(P(t)=P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\),
\[ \frac{dD}{dt} =\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
从零时刻到时刻 \(t\) 积分,得到
\[ D(t)-D_0 =\int_0^t \lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}\tau}\,d\tau =P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right). \]
因此,
\[ \boxed{D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right).} \]
这里的 \(D_0\) 包括体系形成时已存在的锶-87。
1.6
铷-87 的初始原子数可用其现今的原子数表示:
\[ P_0=P(t)\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
将其代入子体增长方程,得到
\[ D(t)=D_0+P(t)\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
锶-86 是稳定同位素,既不由该衰变生成,也不在该衰变中被消耗。因此,在封闭体系中,其原子数 \(S=N(\ce{^{86}Sr})\) 保持不变。两边除以 \(S\),得到
\[ \frac{D(t)}{S} =\frac{D_0}{S} +\frac{P(t)}{S}\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
用同位素比值表示,得
\[ \boxed{R=R_0+Q\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right).} \]
整理得
\[ \mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t} =1+\frac{R-R_0}{Q}, \]
所以
\[ \boxed{ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm{Rb}}} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right). } \]
将题目给出的锶同位素组成视为初始组成,
\[ R_0=\frac{7.00}{9.86}=0.709939\ldots, \]
则所求关系式为
\[ \boxed{ t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left[ 1+ \frac{ \left(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\right)_t-7.00/9.86 }{ \left(\ce{^{87}Rb}/\ce{^{86}Sr}\right)_t } \right]. } \]
这一年龄表示自该矿物体系停止与外界交换铷和锶、成为封闭体系以来所经过的时间。
解答已与官方解答核对。
IChO 1984 · Теоретическая задача 1
Радиоизотопное датирование с помощью 14C и 87Rb/87Sr
A)
Элемент углерод состоит из стабильных изотопов \(\ce{^{12}C}\) (98.90 процента атомов) и \(\ce{^{13}C}\) (1.10 процента атомов). Кроме того, углерод содержит небольшую долю радиоактивного изотопа \(\ce{^{14}C}\) (\(t_{1/2}=5730\) лет), который непрерывно образуется в атмосфере под действием космических лучей в виде \(\ce{CO2}\). В ходе естественного круговорота \(\ce{CO2}\) изотоп \(\ce{^{14}C}\) смешивается с изотопами \(\ce{^{12}C}\) и \(\ce{^{13}C}\).
Скорость распада \(\ce{^{14}C}\) описывается следующим выражением (\(N\) = число атомов \(\ce{^{14}C}\); \(t\) = время; \(\lambda\) = постоянная распада):
\[ \text{скорость распада}=-\frac{dN}{dt}=\lambda N \tag{1} \]
Интегрирование (1) приводит к хорошо известному кинетическому закону (2) радиоактивного распада:
\[ N=N_0\,\mathrm{e}^{-\lambda t} \tag{2} \]
\(N_0\) = число атомов \(\ce{^{14}C}\) при \(t=0\)
1.1 Какова математическая связь между параметрами \(\alpha\) и \(t_{1/2}\) (= период полураспада)?
1.2 Установлено, что скорость распада углерода, участвующего в естественном круговороте \(\ce{CO2}\), составляет 13.6 распада в минуту на грамм углерода. Когда растение (например, дерево) погибает, оно перестаёт участвовать в круговороте \(\ce{CO2}\). Вследствие этого скорость распада углерода уменьшается.
В 1983 году для куска древесины с корабля викингов была измерена скорость распада 12.0 распада в минуту на грамм углерода. В каком году было срублено дерево, из которого получен этот кусок древесины?
1.3 Предположим, что погрешность скорости распада, равной 12.0 распада в минуту на грамм углерода, составляет 0.2 распада в минуту на грамм углерода. Какова соответствующая погрешность возраста древесины из вопроса b)?
1.4 Каково изотопное отношение \(\ce{^{12}C}/\ce{^{14}C}\) для углерода, участвующего в естественном круговороте \(\ce{CO2}\) (1 год = 365 дней)?
B)
Элементы стронций и рубидий имеют следующий изотопный состав:
Стронций: 0.56 % \(\ce{^{84}Sr}\) ; 9.86 % \(\ce{^{86}Sr}\) ; 7.00 % \(\ce{^{87}Sr}\) ; 82.58 % \(\ce{^{88}Sr}\) (все эти изотопы стабильны).
Рубидий: 72.17 % \(\ce{^{85}Rb}\) (стабильный) ; 27.83 % \(\ce{^{87}Rb}\) (радиоактивный; \(t_{1/2}=4.7\times10^{10}\) лет).
Радиоактивный распад \(\ce{^{87}Rb}\) приводит к образованию \(\ce{^{87}Sr}\).
В Гренландии встречается гнейс (= силикатный минерал), содержащий как стронций, так и рубидий.
1.5 Каково уравнение кинетического закона, описывающего образование \(\ce{^{87}Sr}\) из \(\ce{^{87}Rb}\) в зависимости от времени?
1.6 Предположим, что для гнейса известны изотопное отношение \(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\) (определённое методом масс-спектрометрии) и изотопное отношение \(\ce{^{87}Rb}:\ce{^{86}Sr}\). Каково математическое соотношение, с помощью которого можно рассчитать возраст гнейса?
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
1.1 Считая, что \(\alpha\) обозначает постоянную распада \(\lambda\), \[ \boxed{\alpha=\lambda=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}.} \]
-
1.2 В 1983 году возраст древесины составлял приблизительно \(1.03\times10^3\) лет. Дерево было срублено примерно в 948 году н. э.
-
1.3 Погрешность возраста составляет приблизительно \[ \boxed{\Delta t\approx\pm1.4\times10^2\ \mathrm{years}.} \]
-
1.4 Отношение чисел атомов изотопов равно \[ \boxed{\frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})}\approx8.39\times10^{11}.} \]
-
1.5 Пусть \(P(t)\) и \(D(t)\) — числа атомов \(\ce{^{87}Rb}\) и \(\ce{^{87}Sr}\) соответственно. Тогда \[ \boxed{\frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}, \qquad D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right),} \] где \(\lambda_{\mathrm{Rb}}=\ln2/(4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr})\).
-
1.6 Определим современные отношения чисел атомов изотопов: \[ R=\left(\frac{\ce{^{87}Sr}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t, \qquad Q=\left(\frac{\ce{^{87}Rb}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t. \] Для замкнутой системы с начальным изотопным отношением стронция \(R_0\) \[ \boxed{t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right).} \] Если принять указанный изотопный состав стронция за начальный, получим \(R_0=7.00/9.86\approx0.710\).
Решение
1.1
По истечении одного периода полураспада остаётся половина исходного числа радиоактивных атомов:
\[ \frac{N(t_{1/2})}{N_0}=\frac12 =\mathrm{e}^{-\lambda t_{1/2}}. \]
Логарифмируя обе части по натуральному основанию, получаем
\[ -\ln2=-\lambda t_{1/2}, \]
и, следовательно,
\[ \boxed{\lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}.} \]
Для углерода-14
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2}{5730\ \mathrm{yr}} =1.20968\times10^{-4}\ \mathrm{yr^{-1}}. \]
1.2
Активность пропорциональна числу атомов углерода-14:
\[ A=\lambda_{\mathrm C}N. \]
Следовательно, удельная активность древесины подчиняется тому же экспоненциальному закону:
\[ A(t)=A_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm C}t}. \]
Принимая \(A_0=13.6\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) в момент рубки дерева и \(A=12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) в 1983 году, получаем
\[ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A} =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\frac{13.6}{12.0} =1034.68\ \mathrm{yr}. \]
Соответствующий календарный год:
\[ 1983-1034.68=948.32. \]
Таким образом, в рамках модели датирования, заданной в условии, дерево было срублено примерно в
\[ \boxed{948\ \text{году н. э.}.} \]
1.3
Считая начальную активность и период полураспада фиксированными, продифференцируем формулу возраста по измеренной активности:
\[ t(A)=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A}, \qquad \frac{dt}{dA}=-\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
Следовательно, величина погрешности возраста в первом приближении равна
\[ \Delta t \approx\left|\frac{dt}{dA}\right|\Delta A =\frac{\Delta A}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
Подстановка даёт
\[ \Delta t =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \frac{0.2\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} {12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} =137.78\ \mathrm{yr}. \]
Отсюда
\[ \boxed{t\approx(1.03\pm0.14)\times10^3\ \mathrm{yr}.} \]
Точный расчёт для граничных значений даёт
\[ t(12.2)=898.04\ \mathrm{yr}, \qquad t(11.8)=1173.62\ \mathrm{yr}, \]
то есть \(1034.68^{+138.94}_{-136.64}\ \mathrm{yr}\), что согласуется с округлённой погрешностью, составляющей приблизительно \(\pm140\) лет.
1.4
Рассмотрим \(1.000\ \mathrm g\) углерода, участвующего в естественном круговороте. Выразим постоянную распада углерода-14 в обратных минутах:
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2} {5730\times365\times24\times60\ \mathrm{min}} =2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}. \]
Поскольку его активность равна \(13.6\ \mathrm{min^{-1}}\), число атомов углерода-14 составляет
\[ N(\ce{^{14}C}) =\frac{A}{\lambda_{\mathrm C}} =\frac{13.6\ \mathrm{min^{-1}}} {2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}} =5.90913\times10^{10}. \]
Пренебрегая ничтожно малым вкладом углерода-14 и используя массовые числа изотопов для приближённой оценки их молярных масс, получаем среднюю молярную массу углерода:
\[ M_{\mathrm C} =\left(0.9890\times12+0.0110\times13\right) \mathrm{g\,mol^{-1}} =12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Используя стандартное значение постоянной Авогадро, \(N_{\mathrm A}\approx6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\), получаем
\[ N(\ce{^{12}C}) =0.9890\, \frac{1.000\ \mathrm g}{12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} N_{\mathrm A} \approx4.959\times10^{22}. \]
Таким образом, искомое отношение чисел атомов равно
\[ \boxed{ \frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})} =\frac{4.959\times10^{22}}{5.90913\times10^{10}} \approx8.39\times10^{11}. } \]
1.5
Рубидий-87 претерпевает бета-минус-распад с образованием стронция-87:
\[ \ce{^{87}_{37}Rb -> ^{87}_{38}Sr + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
где \(\bar{\nu}_e\) — электронное антинейтрино. Массовое число остаётся равным 87, а заряд сохраняется, поскольку \(37=38-1\).
Пусть \(P(t)\) обозначает число атомов рубидия-87, а \(D(t)\) — число атомов стронция-87. При каждом распаде материнского атома образуется один стабильный дочерний атом. В замкнутой системе
\[ \frac{dP}{dt}=-\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \lambda_{\mathrm{Rb}} =\frac{\ln2}{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}. \]
Поскольку \(P(t)=P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\),
\[ \frac{dD}{dt} =\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
Интегрирование от нулевого момента времени до момента \(t\) даёт
\[ D(t)-D_0 =\int_0^t \lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}\tau}\,d\tau =P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right). \]
Следовательно,
\[ \boxed{D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right).} \]
Здесь \(D_0\) включает стронций-87, уже присутствовавший при образовании системы.
1.6
Начальное число атомов рубидия-87 можно выразить через их современное число:
\[ P_0=P(t)\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
Подставляя это выражение в уравнение накопления дочернего изотопа, получаем
\[ D(t)=D_0+P(t)\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
Стронций-86 стабилен и в ходе этого распада не образуется и не расходуется. Поэтому число его атомов, \(S=N(\ce{^{86}Sr})\), в замкнутой системе остаётся постоянным. Деление на \(S\) даёт
\[ \frac{D(t)}{S} =\frac{D_0}{S} +\frac{P(t)}{S}\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
Через изотопные отношения это выражается следующим образом:
\[ \boxed{R=R_0+Q\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right).} \]
Преобразуя, получаем
\[ \mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t} =1+\frac{R-R_0}{Q}, \]
так что
\[ \boxed{ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm{Rb}}} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right). } \]
Принимая приведённый изотопный состав стронция за начальный, получаем
\[ R_0=\frac{7.00}{9.86}=0.709939\ldots, \]
и искомое соотношение принимает вид
\[ \boxed{ t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left[ 1+ \frac{ \left(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\right)_t-7.00/9.86 }{ \left(\ce{^{87}Rb}/\ce{^{86}Sr}\right)_t } \right]. } \]
Этот возраст соответствует времени, прошедшему с момента, когда минеральная система стала замкнутой по отношению к обмену рубидием и стронцием.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1984 · مسألة نظرية 1
التأريخ الإشعاعي باستخدام 14C و87Rb/87Sr
A)
يتكون عنصر الكربون من النظيرين المستقرين \(\ce{^{12}C}\) (98.90 بالمئة من الذرات) و\(\ce{^{13}C}\) (1.10 بالمئة من الذرات). وبالإضافة إلى ذلك، يحتوي الكربون على نسبة ضئيلة من النظير المشع \(\ce{^{14}C}\) (\(t_{1/2}=5730\) سنة)، الذي يتكون باستمرار في الغلاف الجوي بفعل الأشعة الكونية على هيئة \(\ce{CO2}\). ويمتزج \(\ce{^{14}C}\) بالنظيرين \(\ce{^{12}C}\) و\(\ce{^{13}C}\) عبر دورة \(\ce{CO2}\) الطبيعية.
يوصف معدل اضمحلال \(\ce{^{14}C}\) بالعلاقة الآتية (\(N\) = عدد ذرات \(\ce{^{14}C}\)؛ \(t\) = الزمن؛ \(\lambda\) = ثابت الاضمحلال):
\[ \text{معدل الاضمحلال}=-\frac{dN}{dt}=\lambda N \tag{1} \]
يؤدي تكامل (1) إلى قانون السرعة المعروف (2) للاضمحلال الإشعاعي:
\[ N=N_0\,\mathrm{e}^{-\lambda t} \tag{2} \]
\(N_0\) = عدد ذرات \(\ce{^{14}C}\) عند \(t=0\)
1.1 ما العلاقة الرياضية بين المعلمتين \(\alpha\) و\(t_{1/2}\) (= عمر النصف)؟
1.2 وُجد أن معدل اضمحلال الكربون الذي يشارك في دورة \(\ce{CO2}\) الطبيعية يساوي 13.6 تفككًا في الدقيقة لكل غرام من الكربون. عندما يموت نبات (شجرة مثلًا)، فإنه لا يعود مشاركًا في دورة \(\ce{CO2}\). ونتيجة لذلك، ينخفض معدل اضمحلال الكربون.
في عام 1983، قيس معدل اضمحلال قدره 12.0 تفككًا في الدقيقة لكل غرام من الكربون في قطعة خشب تنتمي إلى سفينة للفايكنغ. في أي سنة قُطعت الشجرة التي أُخذت منها هذه القطعة الخشبية؟
1.3 افترض أن الخطأ في معدل الاضمحلال البالغ 12.0 تفككًا في الدقيقة لكل غرام من الكربون يساوي 0.2 تفككًا في الدقيقة لكل غرام من الكربون. ما الخطأ المقابل في عمر الخشب الوارد في السؤال b)؟
1.4 ما النسبة النظيرية \(\ce{^{12}C}/\ce{^{14}C}\) للكربون الذي يشارك في دورة \(\ce{CO2}\) الطبيعية (1 سنة = 365 يومًا)؟
B)
لعنصري السترونشيوم والروبيديوم التركيب النظائري الآتي:
السترونشيوم: 0.56 % \(\ce{^{84}Sr}\) ؛ 9.86 % \(\ce{^{86}Sr}\) ؛ 7.00 % \(\ce{^{87}Sr}\) ؛ 82.58 % \(\ce{^{88}Sr}\) (جميع هذه النظائر مستقرة).
الروبيديوم: 72.17 % \(\ce{^{85}Rb}\) (مستقر) ؛ 27.83 % \(\ce{^{87}Rb}\) (مشع؛ \(t_{1/2}=4.7\times10^{10}\) سنة).
يؤدي الاضمحلال الإشعاعي لـ\(\ce{^{87}Rb}\) إلى \(\ce{^{87}Sr}\).
يوجد في غرينلاند نايس (= معدن سيليكاتي) يحتوي على كل من السترونشيوم والروبيديوم.
1.5 ما معادلة قانون السرعة التي تصف تكوّن \(\ce{^{87}Sr}\) من \(\ce{^{87}Rb}\) بدلالة الزمن؟
1.6 افترض أن النسبة النظيرية \(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\) (كما تُحدَّد بمطيافية الكتلة) والنسبة النظيرية \(\ce{^{87}Rb}:\ce{^{86}Sr}\) معلومتان للنايس. ما العلاقة الرياضية التي يمكن بواسطتها حساب عمر النايس؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
1.1 بتفسير \(\alpha\) على أنها ثابت الاضمحلال \(\lambda\)، \[ \boxed{\alpha=\lambda=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}.} \]
-
1.2 كان عمر الخشب نحو \(1.03\times10^3\) سنة في عام 1983. وقد قُطعت الشجرة نحو 948 ميلاديًا.
-
1.3 يبلغ عدم اليقين في العمر تقريبًا \[ \boxed{\Delta t\approx\pm1.4\times10^2\ \mathrm{years}.} \]
-
1.4 النسبة بين أعداد ذرات النظيرين هي \[ \boxed{\frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})}\approx8.39\times10^{11}.} \]
-
1.5 لتكن \(P(t)\) و\(D(t)\) عددي ذرات \(\ce{^{87}Rb}\) و\(\ce{^{87}Sr}\)، على الترتيب. عندئذ \[ \boxed{\frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}, \qquad D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right),} \] حيث \(\lambda_{\mathrm{Rb}}=\ln2/(4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr})\).
-
1.6 نعرّف النسب الحالية بين أعداد ذرات النظائر كما يأتي \[ R=\left(\frac{\ce{^{87}Sr}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t, \qquad Q=\left(\frac{\ce{^{87}Rb}}{\ce{^{86}Sr}}\right)_t. \] لنظام مغلق ذي نسبة ابتدائية لنظيري السترونشيوم \(R_0\)، \[ \boxed{t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right).} \] باعتماد تركيب السترونشيوم المذكور بوصفه التركيب الابتدائي، نحصل على \(R_0=7.00/9.86\approx0.710\).
الحل
1.1
بعد انقضاء عمر نصف واحد، يبقى نصف الذرات المشعة الأصلية:
\[ \frac{N(t_{1/2})}{N_0}=\frac12 =\mathrm{e}^{-\lambda t_{1/2}}. \]
بأخذ اللوغاريتم الطبيعي نحصل على
\[ -\ln2=-\lambda t_{1/2}, \]
ومن ثم
\[ \boxed{\lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}.} \]
بالنسبة إلى الكربون-14،
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2}{5730\ \mathrm{yr}} =1.20968\times10^{-4}\ \mathrm{yr^{-1}}. \]
1.2
يتناسب النشاط الإشعاعي طرديًا مع عدد ذرات الكربون-14:
\[ A=\lambda_{\mathrm C}N. \]
وبناءً على ذلك، يتبع النشاط الإشعاعي النوعي للخشب القانون الأسي نفسه:
\[ A(t)=A_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm C}t}. \]
باعتماد \(A_0=13.6\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) وقت قطع الشجرة و\(A=12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}\) في عام 1983،
\[ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A} =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\frac{13.6}{12.0} =1034.68\ \mathrm{yr}. \]
السنة التقويمية المقابلة هي
\[ 1983-1034.68=948.32. \]
إذن، وفق نموذج التأريخ المحدد في المسألة، قُطعت الشجرة نحو
\[ \boxed{948\ \text{ميلاديًا}.} \]
1.3
باعتبار النشاط الابتدائي وعمر النصف ثابتين، نشتق صيغة العمر بالنسبة إلى النشاط المقيس:
\[ t(A)=\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}}\ln\frac{A_0}{A}, \qquad \frac{dt}{dA}=-\frac{1}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
وعليه، فإن مقدار عدم اليقين في العمر من الرتبة الأولى هو
\[ \Delta t \approx\left|\frac{dt}{dA}\right|\Delta A =\frac{\Delta A}{\lambda_{\mathrm C}A}. \]
بالتعويض نحصل على
\[ \Delta t =\frac{5730\ \mathrm{yr}}{\ln2} \frac{0.2\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} {12.0\ \mathrm{min^{-1}\,g^{-1}}} =137.78\ \mathrm{yr}. \]
ومن ثم
\[ \boxed{t\approx(1.03\pm0.14)\times10^3\ \mathrm{yr}.} \]
يعطي الحساب الدقيق عند طرفي المجال
\[ t(12.2)=898.04\ \mathrm{yr}, \qquad t(11.8)=1173.62\ \mathrm{yr}, \]
أي \(1034.68^{+138.94}_{-136.64}\ \mathrm{yr}\)، وهو ما يتفق مع عدم اليقين المقرّب البالغ نحو \(\pm140\) سنة.
1.4
لنأخذ \(1.000\ \mathrm g\) من الكربون المشارك في الدورة الطبيعية. نحوّل ثابت اضمحلال الكربون-14 إلى وحدة مقلوب الدقيقة:
\[ \lambda_{\mathrm C} =\frac{\ln2} {5730\times365\times24\times60\ \mathrm{min}} =2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}. \]
بما أن نشاطه الإشعاعي يساوي \(13.6\ \mathrm{min^{-1}}\)، فإن عدد ذرات الكربون-14 هو
\[ N(\ce{^{14}C}) =\frac{A}{\lambda_{\mathrm C}} =\frac{13.6\ \mathrm{min^{-1}}} {2.30152\times10^{-10}\ \mathrm{min^{-1}}} =5.90913\times10^{10}. \]
بإهمال المساهمة الضئيلة للكربون-14 واستخدام الأعداد الكتلية للنظائر لتقريب كتلها المولية، يكون متوسط الكتلة المولية للكربون
\[ M_{\mathrm C} =\left(0.9890\times12+0.0110\times13\right) \mathrm{g\,mol^{-1}} =12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
باستخدام ثابت أفوغادرو القياسي، \(N_{\mathrm A}\approx6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)،
\[ N(\ce{^{12}C}) =0.9890\, \frac{1.000\ \mathrm g}{12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} N_{\mathrm A} \approx4.959\times10^{22}. \]
إذن، النسبة المطلوبة بين أعداد الذرات هي
\[ \boxed{ \frac{N(\ce{^{12}C})}{N(\ce{^{14}C})} =\frac{4.959\times10^{22}}{5.90913\times10^{10}} \approx8.39\times10^{11}. } \]
1.5
يخضع الروبيديوم-87 لاضمحلال بيتا السالب متحولًا إلى السترونشيوم-87:
\[ \ce{^{87}_{37}Rb -> ^{87}_{38}Sr + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
حيث \(\bar{\nu}_e\) هو ضديد نيوترينو إلكتروني. يبقى العدد الكتلي 87، وتُحفظ الشحنة لأن \(37=38-1\).
لتدل \(P(t)\) على عدد ذرات الروبيديوم-87 و\(D(t)\) على عدد ذرات السترونشيوم-87. ينتج عن كل اضمحلال لذرة أم ذرة وليدة مستقرة واحدة. في نظام مغلق،
\[ \frac{dP}{dt}=-\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \frac{dD}{dt}=\lambda_{\mathrm{Rb}}P, \qquad \lambda_{\mathrm{Rb}} =\frac{\ln2}{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}. \]
بما أن \(P(t)=P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\)،
\[ \frac{dD}{dt} =\lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
بالتكامل من الزمن صفر إلى الزمن \(t\) نحصل على
\[ D(t)-D_0 =\int_0^t \lambda_{\mathrm{Rb}}P_0\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}\tau}\,d\tau =P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right). \]
وعليه،
\[ \boxed{D(t)=D_0+P_0\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda_{\mathrm{Rb}}t}\right).} \]
تشمل \(D_0\) هنا السترونشيوم-87 الذي كان موجودًا بالفعل عند تكوّن النظام.
1.6
يمكن التعبير عن العدد الابتدائي لذرات الروبيديوم-87 باستخدام عددها الحالي:
\[ P_0=P(t)\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}. \]
بالتعويض بهذا التعبير في معادلة تزايد عدد الذرات الوليدة نحصل على
\[ D(t)=D_0+P(t)\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
السترونشيوم-86 مستقر، ولا ينتج عن هذا الاضمحلال ولا يُستهلك فيه. ولذلك يبقى عدد ذراته، \(S=N(\ce{^{86}Sr})\)، ثابتًا في نظام مغلق. بالقسمة على \(S\) نحصل على
\[ \frac{D(t)}{S} =\frac{D_0}{S} +\frac{P(t)}{S}\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right). \]
بدلالة النسب النظيرية،
\[ \boxed{R=R_0+Q\left(\mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t}-1\right).} \]
بإعادة الترتيب،
\[ \mathrm{e}^{\lambda_{\mathrm{Rb}}t} =1+\frac{R-R_0}{Q}, \]
إذن
\[ \boxed{ t=\frac{1}{\lambda_{\mathrm{Rb}}} \ln\!\left(1+\frac{R-R_0}{Q}\right). } \]
باعتبار التركيب النظائري المعطى للسترونشيوم ممثلًا للتركيب الابتدائي،
\[ R_0=\frac{7.00}{9.86}=0.709939\ldots, \]
تصبح العلاقة المطلوبة
\[ \boxed{ t=\frac{4.7\times10^{10}\ \mathrm{yr}}{\ln2} \ln\!\left[ 1+ \frac{ \left(\ce{^{87}Sr}/\ce{^{86}Sr}\right)_t-7.00/9.86 }{ \left(\ce{^{87}Rb}/\ce{^{86}Sr}\right)_t } \right]. } \]
يمثل هذا العمر الزمن المنقضي منذ أن أصبح النظام المعدني مغلقًا أمام تبادل الروبيديوم والسترونشيوم.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.