IChO 1993 · Theory problem 1
Radioactive iodine-131 in nuclear medicine
\(\ce{^{131}I}\) is a radioactive isotope of iodine (\(\ce{e-}\) emitter) used in nuclear medicine for analytical procedures to determine thyroid endocrine disorders by scintigraphy. The decay rate constant, \(k\), of \(\ce{^{131}I}\) is \(9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}\).
Questions:
1.1 Write the decay reaction of \(\ce{^{131}I}\).
1.2 Calculate the half-life of \(\ce{^{131}I}\) expressed in days.
1.3 Calculate the time necessary (expressed in days) for a sample of \(\ce{^{131}I}\) to reduce its activity to 30 % of the original value.
1.4 Knowing that a Geiger counter detects activities of the order of \(10^{-4}\ \mu\mathrm{c}\), calculate the minimum amount of \(\ce{^{131}I}\) (in grams) which could be detected by this counter.
1 Curie (c) is the amount of a radioisotope that produces \(3.7\times10^{10}\) disintegrations \(\mathrm{s^{1}}\).
Official English text of the problem.
Answers
- 1.1
\[
\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e.
\]
The daughter is xenon-131 (atomic SMILES:
[131Xe]). - 1.2 \(t_{1/2}=\boxed{8.08\ \text{days}}\).
- 1.3 \(t=\boxed{14.0\ \text{days}}\).
- 1.4 \(m_{\min}\approx\boxed{8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}\).
Solution
1.1
In beta-minus decay, a neutron in the nucleus becomes a proton, emitting an electron and an electron antineutrino, \(\bar{\nu}_e\). The mass number therefore remains unchanged, while the atomic number increases by one.
Iodine has atomic number 53, so the daughter has atomic number 54 and is xenon:
\[ \boxed{\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e}. \]
The mass numbers balance as \(131=131+0\), and the nuclear charges balance as \(53=54-1\). The antineutrino has zero electric charge and zero nucleon number.
The isotope atoms are iodine-131, [131I], and xenon-131, [131Xe]; these atomic SMILES identify the isotopes, while the equation describes the nuclear transformation.
1.2
Radioactive decay follows the first-order law
\[ -\frac{dN}{dt}=kN, \qquad N(t)=N_0e^{-kt}, \]
where \(N(t)\) is the number of undecayed nuclei. At the half-life, \(N/N_0=1/2\), giving
\[ t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}. \]
Thus,
\[ t_{1/2} =\frac{0.693147}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =6.9803\times10^5\ \mathrm{s}. \]
Using \(1\ \text{day}=86400\ \mathrm{s}\),
\[ \boxed{t_{1/2}=8.08\ \text{days}}. \]
1.3
The activity is \(A=kN\), so it decreases by the same fraction as the number of radioactive nuclei:
\[ \frac{A(t)}{A_0}=e^{-kt}. \]
For an activity equal to \(30\%\) of the original value,
\[ 0.30=e^{-kt}, \qquad t=\frac{-\ln(0.30)}{k}. \]
Therefore,
\[ t =\frac{1.203973}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =1.21246\times10^6\ \mathrm{s}, \]
and
\[ \boxed{t=\frac{1.21246\times10^6}{86400}\ \text{days} =14.0\ \text{days}}. \]
1.4
Convert the minimum detectable activity to disintegrations per second:
\[ A_{\min} =10^{-4}\ \mu\mathrm{c} =10^{-10}\ \mathrm{c}. \]
Using the given curie conversion,
\[ A_{\min} =10^{-10}\times3.7\times10^{10}\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{Bq}. \]
Since \(A=kN\), the corresponding number of radioactive nuclei is
\[ N_{\min} =\frac{A_{\min}}{k} =\frac{3.7\ \mathrm{s^{-1}}}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =3.726\times10^6. \]
Taking the molar mass of iodine-131 as \(M\approx131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) and using Avogadro’s constant \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\),
\[ m_{\min} =\frac{N_{\min}}{N_{\mathrm A}}M =\frac{3.726\times10^6}{6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} \left(131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right). \]
Hence,
\[ \boxed{m_{\min}\approx8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 1993 · Theorieaufgabe 1
Radioaktives Iod-131 in der Nuklearmedizin
\(\ce{^{131}I}\) ist ein radioaktives Isotop des Iods (\(\ce{e-}\)-Strahler), das in der Nuklearmedizin bei analytischen Verfahren zur Bestimmung endokriner Funktionsstörungen der Schilddrüse mittels Szintigraphie verwendet wird. Die Zerfallskonstante \(k\) von \(\ce{^{131}I}\) beträgt \(9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}\).
Fragen:
1.1 Geben Sie die Zerfallsreaktion von \(\ce{^{131}I}\) an.
1.2 Berechnen Sie die Halbwertszeit von \(\ce{^{131}I}\) in Tagen.
1.3 Berechnen Sie die Zeit (in Tagen), die erforderlich ist, bis die Aktivität einer Probe von \(\ce{^{131}I}\) auf 30 % des ursprünglichen Wertes gesunken ist.
1.4 Ein Geigerzähler kann Aktivitäten in der Größenordnung von \(10^{-4}\ \mu\mathrm{c}\) nachweisen. Berechnen Sie die kleinste Menge an \(\ce{^{131}I}\) (in Gramm), die mit diesem Zähler nachgewiesen werden könnte.
1 Curie (c) ist die Menge eines Radioisotops, die \(3.7\times10^{10}\) Zerfälle \(\mathrm{s^{1}}\) erzeugt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 1.1
\[
\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e.
\]
Das Tochternuklid ist Xenon-131 (atomares SMILES:
[131Xe]). - 1.2 \(t_{1/2}=\boxed{8.08\ \text{Tage}}\).
- 1.3 \(t=\boxed{14.0\ \text{Tage}}\).
- 1.4 \(m_{\min}\approx\boxed{8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}\).
Lösung
1.1
Beim Beta-Minus-Zerfall wird ein Neutron im Kern unter Emission eines Elektrons und eines Elektron-Antineutrinos, \(\bar{\nu}_e\), in ein Proton umgewandelt. Die Massenzahl bleibt daher unverändert, während die Ordnungszahl um eins zunimmt.
Iod hat die Ordnungszahl 53, daher hat das Tochternuklid die Ordnungszahl 54 und ist Xenon:
\[ \boxed{\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e}. \]
Die Bilanz der Massenzahlen lautet \(131=131+0\), und die Bilanz der Kernladungen lautet \(53=54-1\). Das Antineutrino hat die elektrische Ladung null und die Nukleonenzahl null.
Die Isotopenatome sind Iod-131, [131I], und Xenon-131, [131Xe]; diese atomaren SMILES identifizieren die Isotope, während die Gleichung die Kernumwandlung beschreibt.
1.2
Der radioaktive Zerfall folgt dem Geschwindigkeitsgesetz erster Ordnung
\[ -\frac{dN}{dt}=kN, \qquad N(t)=N_0e^{-kt}, \]
wobei \(N(t)\) die Anzahl der noch nicht zerfallenen Kerne ist. Nach Ablauf der Halbwertszeit gilt \(N/N_0=1/2\), woraus sich ergibt:
\[ t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}. \]
Somit gilt:
\[ t_{1/2} =\frac{0.693147}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =6.9803\times10^5\ \mathrm{s}. \]
Mit \(1\ \text{Tag}=86400\ \mathrm{s}\) ergibt sich:
\[ \boxed{t_{1/2}=8.08\ \text{Tage}}. \]
1.3
Die Aktivität ist \(A=kN\), sodass sie im gleichen Verhältnis wie die Anzahl der radioaktiven Kerne abnimmt:
\[ \frac{A(t)}{A_0}=e^{-kt}. \]
Für eine Aktivität von \(30\%\) des ursprünglichen Wertes gilt:
\[ 0.30=e^{-kt}, \qquad t=\frac{-\ln(0.30)}{k}. \]
Daher gilt:
\[ t =\frac{1.203973}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =1.21246\times10^6\ \mathrm{s}, \]
und
\[ \boxed{t=\frac{1.21246\times10^6}{86400}\ \text{Tage} =14.0\ \text{Tage}}. \]
1.4
Die kleinste nachweisbare Aktivität wird in Zerfälle pro Sekunde umgerechnet:
\[ A_{\min} =10^{-4}\ \mu\mathrm{c} =10^{-10}\ \mathrm{c}. \]
Mit der angegebenen Umrechnung für Curie ergibt sich:
\[ A_{\min} =10^{-10}\times3.7\times10^{10}\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{Bq}. \]
Da \(A=kN\) gilt, beträgt die entsprechende Anzahl radioaktiver Kerne
\[ N_{\min} =\frac{A_{\min}}{k} =\frac{3.7\ \mathrm{s^{-1}}}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =3.726\times10^6. \]
Mit einer molaren Masse von Iod-131 von \(M\approx131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) und der Avogadro-Konstante \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\) ergibt sich:
\[ m_{\min} =\frac{N_{\min}}{N_{\mathrm A}}M =\frac{3.726\times10^6}{6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} \left(131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right). \]
Damit folgt:
\[ \boxed{m_{\min}\approx8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1993 · Teori sorusu 1
Nükleer tıpta radyoaktif iyot-131
\(\ce{^{131}I}\), tiroidin endokrin bozukluklarını sintigrafi yoluyla belirlemeye yönelik analitik işlemlerde nükleer tıpta kullanılan, iyodun radyoaktif bir izotopudur (\(\ce{e-}\) yayıcısı). \(\ce{^{131}I}\) izotopunun bozunma hız sabiti \(k\), \(9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}\) değerindedir.
Sorular:
1.1 \(\ce{^{131}I}\) izotopunun bozunma tepkimesini yazınız.
1.2 \(\ce{^{131}I}\) izotopunun yarı ömrünü gün cinsinden hesaplayınız.
1.3 Bir \(\ce{^{131}I}\) örneğinin aktivitesinin başlangıç değerinin %30'una düşmesi için gereken süreyi gün cinsinden hesaplayınız.
1.4 Bir Geiger sayacının \(10^{-4}\ \mu\mathrm{c}\) mertebesindeki aktiviteleri algıladığını bilerek, bu sayaçla algılanabilecek en küçük \(\ce{^{131}I}\) miktarını gram cinsinden hesaplayınız.
1 Curie (c), \(3.7\times10^{10}\) parçalanma \(\mathrm{s^{1}}\) üreten radyoizotop miktarıdır.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 1.1
\[
\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e.
\]
Yavru çekirdek ksenon-131'dir (atomik SMILES:
[131Xe]). - 1.2 \(t_{1/2}=\boxed{8.08\ \text{gün}}\).
- 1.3 \(t=\boxed{14.0\ \text{gün}}\).
- 1.4 \(m_{\min}\approx\boxed{8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}\).
Çözüm
1.1
Beta eksi bozunmasında, çekirdekteki bir nötron bir elektron ve bir elektron antinötrinosu, \(\bar{\nu}_e\), yayarak bir protona dönüşür. Dolayısıyla kütle numarası değişmezken atom numarası bir artar.
İyodun atom numarası 53 olduğundan, yavru çekirdeğin atom numarası 54'tür ve bu çekirdek ksenondur:
\[ \boxed{\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e}. \]
Kütle numaraları \(131=131+0\) biçiminde, çekirdek yükleri ise \(53=54-1\) biçiminde dengelenir. Antinötrinonun elektrik yükü ve nükleon sayısı sıfırdır.
İzotop atomları iyot-131, [131I], ve ksenon-131, [131Xe], atomlarıdır; bu atomik SMILES gösterimleri izotopları tanımlarken denklem nükleer dönüşümü betimler.
1.2
Radyoaktif bozunma, birinci dereceden hız yasasına uyar:
\[ -\frac{dN}{dt}=kN, \qquad N(t)=N_0e^{-kt}, \]
burada \(N(t)\), bozunmamış çekirdeklerin sayısıdır. Yarı ömür sonunda \(N/N_0=1/2\) olduğundan,
\[ t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}. \]
Böylece,
\[ t_{1/2} =\frac{0.693147}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =6.9803\times10^5\ \mathrm{s}. \]
\(1\ \text{gün}=86400\ \mathrm{s}\) kullanılarak,
\[ \boxed{t_{1/2}=8.08\ \text{gün}}. \]
1.3
Aktivite \(A=kN\) olduğundan, radyoaktif çekirdek sayısıyla aynı oranda azalır:
\[ \frac{A(t)}{A_0}=e^{-kt}. \]
Başlangıç değerinin \(30\%\)'una eşit bir aktivite için,
\[ 0.30=e^{-kt}, \qquad t=\frac{-\ln(0.30)}{k}. \]
Dolayısıyla,
\[ t =\frac{1.203973}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =1.21246\times10^6\ \mathrm{s}, \]
ve
\[ \boxed{t=\frac{1.21246\times10^6}{86400}\ \text{gün} =14.0\ \text{gün}}. \]
1.4
Algılanabilir en küçük aktiviteyi saniye başına parçalanma sayısına dönüştürelim:
\[ A_{\min} =10^{-4}\ \mu\mathrm{c} =10^{-10}\ \mathrm{c}. \]
Verilen curie dönüşümü kullanılarak,
\[ A_{\min} =10^{-10}\times3.7\times10^{10}\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{Bq}. \]
\(A=kN\) olduğundan, buna karşılık gelen radyoaktif çekirdek sayısı
\[ N_{\min} =\frac{A_{\min}}{k} =\frac{3.7\ \mathrm{s^{-1}}}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =3.726\times10^6. \]
İyot-131'in molar kütlesi \(M\approx131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) alınarak ve Avogadro sabiti \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\) kullanılarak,
\[ m_{\min} =\frac{N_{\min}}{N_{\mathrm A}}M =\frac{3.726\times10^6}{6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} \left(131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right). \]
Böylece,
\[ \boxed{m_{\min}\approx8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1993 · Problema teórico 1
Yodo-131 radiactivo en medicina nuclear
El \(\ce{^{131}I}\) es un isótopo radiactivo del yodo (emisor de \(\ce{e-}\)) utilizado en medicina nuclear en procedimientos analíticos para determinar trastornos endocrinos tiroideos mediante gammagrafía. La constante de velocidad de desintegración, \(k\), del \(\ce{^{131}I}\) es \(9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}\).
Preguntas:
1.1 Escriba la reacción de desintegración del \(\ce{^{131}I}\).
1.2 Calcule el período de semidesintegración del \(\ce{^{131}I}\) expresado en días.
1.3 Calcule el tiempo necesario (expresado en días) para que una muestra de \(\ce{^{131}I}\) reduzca su actividad al 30 % del valor original.
1.4 Sabiendo que un contador Geiger detecta actividades del orden de \(10^{-4}\ \mu\mathrm{c}\), calcule la cantidad mínima de \(\ce{^{131}I}\) (en gramos) que podría detectar este contador.
1 curio (c) es la cantidad de un radioisótopo que produce \(3.7\times10^{10}\) desintegraciones \(\mathrm{s^{1}}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 1.1
\[
\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e.
\]
El isótopo hijo es el xenón-131 (SMILES atómico:
[131Xe]). - 1.2 \(t_{1/2}=\boxed{8.08\ \text{días}}\).
- 1.3 \(t=\boxed{14.0\ \text{días}}\).
- 1.4 \(m_{\min}\approx\boxed{8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}\).
Solución
1.1
En la desintegración beta menos, un neutrón del núcleo se convierte en un protón y emite un electrón y un antineutrino electrónico, \(\bar{\nu}_e\). Por tanto, el número másico permanece invariable, mientras que el número atómico aumenta en una unidad.
El yodo tiene número atómico 53, por lo que el isótopo hijo tiene número atómico 54 y es xenón:
\[ \boxed{\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e}. \]
Los números másicos se equilibran según \(131=131+0\), y las cargas nucleares se equilibran según \(53=54-1\). El antineutrino tiene carga eléctrica nula y número de nucleones nulo.
Los átomos de los isótopos son yodo-131, [131I], y xenón-131, [131Xe]; estos SMILES atómicos identifican los isótopos, mientras que la ecuación describe la transformación nuclear.
1.2
La desintegración radiactiva sigue la ley de primer orden
\[ -\frac{dN}{dt}=kN, \qquad N(t)=N_0e^{-kt}, \]
donde \(N(t)\) es el número de núcleos que no se han desintegrado. Al transcurrir el período de semidesintegración, \(N/N_0=1/2\), de lo que se obtiene
\[ t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}. \]
Así,
\[ t_{1/2} =\frac{0.693147}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =6.9803\times10^5\ \mathrm{s}. \]
Utilizando \(1\ \text{día}=86400\ \mathrm{s}\),
\[ \boxed{t_{1/2}=8.08\ \text{días}}. \]
1.3
La actividad es \(A=kN\), por lo que disminuye en la misma proporción que el número de núcleos radiactivos:
\[ \frac{A(t)}{A_0}=e^{-kt}. \]
Para una actividad igual al \(30\%\) del valor original,
\[ 0.30=e^{-kt}, \qquad t=\frac{-\ln(0.30)}{k}. \]
Por tanto,
\[ t =\frac{1.203973}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =1.21246\times10^6\ \mathrm{s}, \]
y
\[ \boxed{t=\frac{1.21246\times10^6}{86400}\ \text{días} =14.0\ \text{días}}. \]
1.4
Convierta la actividad mínima detectable a desintegraciones por segundo:
\[ A_{\min} =10^{-4}\ \mu\mathrm{c} =10^{-10}\ \mathrm{c}. \]
Utilizando la conversión del curio indicada,
\[ A_{\min} =10^{-10}\times3.7\times10^{10}\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{Bq}. \]
Dado que \(A=kN\), el número correspondiente de núcleos radiactivos es
\[ N_{\min} =\frac{A_{\min}}{k} =\frac{3.7\ \mathrm{s^{-1}}}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =3.726\times10^6. \]
Tomando la masa molar del yodo-131 como \(M\approx131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) y utilizando la constante de Avogadro \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\),
\[ m_{\min} =\frac{N_{\min}}{N_{\mathrm A}}M =\frac{3.726\times10^6}{6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} \left(131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right). \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{m_{\min}\approx8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1993 · 理论题 1
核医学中的放射性碘-131
\(\ce{^{131}I}\) 是碘的一种放射性同位素(\(\ce{e-}\) 发射体),用于核医学中通过闪烁显像诊断甲状腺内分泌功能紊乱的分析检查。\(\ce{^{131}I}\) 的衰变速率常数 \(k\) 为 \(9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}\)。
问题:
1.1 写出 \(\ce{^{131}I}\) 的衰变反应方程式。
1.2 计算 \(\ce{^{131}I}\) 的半衰期,以天为单位表示。
1.3 计算使一份 \(\ce{^{131}I}\) 样品的放射性活度降至初始值的 30 % 所需的时间(以天为单位表示)。
1.4 已知盖革计数器能够探测到 \(10^{-4}\ \mu\mathrm{c}\) 数量级的放射性活度,计算该计数器能够探测到的 \(\ce{^{131}I}\) 的最小质量(以克为单位)。
1 居里(c)是指每秒发生 \(3.7\times10^{10}\) 次衰变(\(\mathrm{s^{1}}\))的放射性同位素的量。
题目译自官方英文原文。
答案
- 1.1
\[
\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e.
\]
子体为氙-131(原子 SMILES:
[131Xe])。 - 1.2 \(t_{1/2}=\boxed{8.08\ \text{天}}\)。
- 1.3 \(t=\boxed{14.0\ \text{天}}\)。
- 1.4 \(m_{\min}\approx\boxed{8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}\)。
解答
1.1
在 β⁻ 衰变中,原子核内的一个中子转变为一个质子,同时发射一个电子和一个电子反中微子 \(\bar{\nu}_e\)。因此,质量数保持不变,而原子序数增加一。
碘的原子序数为 53,因此子体的原子序数为 54,即氙:
\[ \boxed{\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e}. \]
质量数守恒:\(131=131+0\),核电荷守恒:\(53=54-1\)。反中微子的电荷为零,核子数也为零。
这些同位素原子分别为碘-131([131I])和氙-131([131Xe]);这些原子 SMILES 用于标识同位素,而该方程式描述的是原子核的转变。
1.2
放射性衰变遵循一级反应速率定律
\[ -\frac{dN}{dt}=kN, \qquad N(t)=N_0e^{-kt}, \]
其中,\(N(t)\) 为尚未衰变的原子核数。经过一个半衰期时,\(N/N_0=1/2\),由此得到
\[ t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}. \]
因此,
\[ t_{1/2} =\frac{0.693147}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =6.9803\times10^5\ \mathrm{s}. \]
利用 \(1\ \text{天}=86400\ \mathrm{s}\),
\[ \boxed{t_{1/2}=8.08\ \text{天}}. \]
1.3
放射性活度为 \(A=kN\),因此它与放射性原子核数按相同的比例衰减:
\[ \frac{A(t)}{A_0}=e^{-kt}. \]
当放射性活度等于初始值的 \(30\%\) 时,
\[ 0.30=e^{-kt}, \qquad t=\frac{-\ln(0.30)}{k}. \]
因此,
\[ t =\frac{1.203973}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =1.21246\times10^6\ \mathrm{s}, \]
并且
\[ \boxed{t=\frac{1.21246\times10^6}{86400}\ \text{天} =14.0\ \text{天}}. \]
1.4
将可探测到的最小放射性活度换算为每秒衰变次数:
\[ A_{\min} =10^{-4}\ \mu\mathrm{c} =10^{-10}\ \mathrm{c}. \]
利用题目给出的居里换算关系,
\[ A_{\min} =10^{-10}\times3.7\times10^{10}\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{Bq}. \]
由于 \(A=kN\),相应的放射性原子核数为
\[ N_{\min} =\frac{A_{\min}}{k} =\frac{3.7\ \mathrm{s^{-1}}}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =3.726\times10^6. \]
取碘-131 的摩尔质量为 \(M\approx131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),并使用阿伏伽德罗常数 \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\),
\[ m_{\min} =\frac{N_{\min}}{N_{\mathrm A}}M =\frac{3.726\times10^6}{6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} \left(131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right). \]
所以,
\[ \boxed{m_{\min}\approx8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 1993 · Теоретическая задача 1
Радиоактивный йод-131 в ядерной медицине
\(\ce{^{131}I}\) — радиоактивный изотоп йода (источник \(\ce{e-}\)-излучения), используемый в ядерной медицине для диагностических исследований с целью выявления нарушений эндокринной функции щитовидной железы методом сцинтиграфии. Константа скорости распада \(k\) изотопа \(\ce{^{131}I}\) составляет \(9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}\).
Вопросы:
1.1 Напишите реакцию распада \(\ce{^{131}I}\).
1.2 Рассчитайте период полураспада \(\ce{^{131}I}\), выразив его в сутках.
1.3 Рассчитайте время (в сутках), необходимое для снижения активности образца \(\ce{^{131}I}\) до 30 % от исходного значения.
1.4 Зная, что счётчик Гейгера регистрирует активность порядка \(10^{-4}\ \mu\mathrm{c}\), рассчитайте минимальную массу \(\ce{^{131}I}\) (в граммах), которую можно обнаружить с помощью этого счётчика.
1 кюри (c) — это количество радиоизотопа, в котором происходит \(3.7\times10^{10}\) распадов \(\mathrm{s^{1}}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 1.1
\[
\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e.
\]
Дочерний изотоп — ксенон-131 (атомная запись SMILES:
[131Xe]). - 1.2 \(t_{1/2}=\boxed{8.08\ \text{суток}}\).
- 1.3 \(t=\boxed{14.0\ \text{суток}}\).
- 1.4 \(m_{\min}\approx\boxed{8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}\).
Решение
1.1
При бета-минус-распаде нейтрон в ядре превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино \(\bar{\nu}_e\). Поэтому массовое число остаётся неизменным, а атомный номер увеличивается на единицу.
Атомный номер йода равен 53, поэтому дочерний изотоп имеет атомный номер 54 и является ксеноном:
\[ \boxed{\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e}. \]
Баланс массовых чисел выражается равенством \(131=131+0\), а баланс зарядов ядер — равенством \(53=54-1\). Антинейтрино имеет нулевой электрический заряд и нулевое нуклонное число.
Атомы этих изотопов — йод-131, [131I], и ксенон-131, [131Xe]; эти атомные записи SMILES обозначают изотопы, а уравнение описывает ядерное превращение.
1.2
Радиоактивный распад подчиняется кинетическому закону первого порядка
\[ -\frac{dN}{dt}=kN, \qquad N(t)=N_0e^{-kt}, \]
где \(N(t)\) — число нераспавшихся ядер. По истечении периода полураспада \(N/N_0=1/2\), откуда
\[ t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}. \]
Таким образом,
\[ t_{1/2} =\frac{0.693147}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =6.9803\times10^5\ \mathrm{s}. \]
Используя соотношение \(1\ \text{сутки}=86400\ \mathrm{s}\), получаем
\[ \boxed{t_{1/2}=8.08\ \text{суток}}. \]
1.3
Активность равна \(A=kN\), поэтому она уменьшается в той же пропорции, что и число радиоактивных ядер:
\[ \frac{A(t)}{A_0}=e^{-kt}. \]
Для активности, равной \(30\%\) от исходного значения,
\[ 0.30=e^{-kt}, \qquad t=\frac{-\ln(0.30)}{k}. \]
Следовательно,
\[ t =\frac{1.203973}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =1.21246\times10^6\ \mathrm{s}, \]
и
\[ \boxed{t=\frac{1.21246\times10^6}{86400}\ \text{суток} =14.0\ \text{суток}}. \]
1.4
Выразим минимальную регистрируемую активность в распадах в секунду:
\[ A_{\min} =10^{-4}\ \mu\mathrm{c} =10^{-10}\ \mathrm{c}. \]
Используя приведённое соотношение для перевода кюри, получаем
\[ A_{\min} =10^{-10}\times3.7\times10^{10}\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{Bq}. \]
Поскольку \(A=kN\), соответствующее число радиоактивных ядер равно
\[ N_{\min} =\frac{A_{\min}}{k} =\frac{3.7\ \mathrm{s^{-1}}}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =3.726\times10^6. \]
Принимая молярную массу йода-131 равной \(M\approx131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) и используя постоянную Авогадро \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\), получаем
\[ m_{\min} =\frac{N_{\min}}{N_{\mathrm A}}M =\frac{3.726\times10^6}{6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} \left(131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right). \]
Отсюда
\[ \boxed{m_{\min}\approx8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1993 · مسألة نظرية 1
اليود-131 المشع في الطب النووي
\(\ce{^{131}I}\) نظير مشع لليود (باعث لـ \(\ce{e-}\)) يُستخدم في الطب النووي في إجراءات تحليلية لتحديد اضطرابات وظيفة الغدة الدرقية الصمّاء بواسطة التصوير الومضاني. ثابت سرعة الاضمحلال، \(k\)، للنظير \(\ce{^{131}I}\) هو \(9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}\).
الأسئلة:
1.1 اكتب تفاعل اضمحلال \(\ce{^{131}I}\).
1.2 احسب عمر النصف للنظير \(\ce{^{131}I}\) معبّرًا عنه بالأيام.
1.3 احسب الزمن اللازم (معبّرًا عنه بالأيام) لانخفاض نشاط عينة من \(\ce{^{131}I}\) إلى 30 % من قيمته الأصلية.
1.4 علمًا بأن عدّاد غايغر يكشف أنشطة من رتبة \(10^{-4}\ \mu\mathrm{c}\)، احسب أقل كمية من \(\ce{^{131}I}\) (بالغرام) يمكن لهذا العدّاد كشفها.
1 كوري (c) هو كمية النظير المشع التي تُنتج \(3.7\times10^{10}\) تفككًا \(\mathrm{s^{1}}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 1.1
\[
\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e.
\]
النظير الوليد هو الزينون-131 (تمثيل SMILES الذري:
[131Xe]). - 1.2 \(t_{1/2}=\boxed{8.08\ \text{أيام}}\).
- 1.3 \(t=\boxed{14.0\ \text{يومًا}}\).
- 1.4 \(m_{\min}\approx\boxed{8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}\).
الحل
1.1
في اضمحلال بيتا السالب، يتحول نيوترون في النواة إلى بروتون، مع انبعاث إلكترون وضديد نيوترينو إلكتروني، \(\bar{\nu}_e\). ولذلك يبقى العدد الكتلي دون تغيير، بينما يزداد العدد الذري بمقدار واحد.
العدد الذري لليود هو 53، لذا فإن العدد الذري للنظير الوليد هو 54، وهو الزينون:
\[ \boxed{\ce{^{131}_{53}I -> ^{131}_{54}Xe + ^{0}_{-1}e}+\bar{\nu}_e}. \]
تتوازن الأعداد الكتلية وفقًا للعلاقة \(131=131+0\)، وتتوازن الشحنات النووية وفقًا للعلاقة \(53=54-1\). الشحنة الكهربائية لضديد النيوترينو تساوي صفرًا، وعدده النوكليوني يساوي صفرًا.
ذرات النظيرين هي اليود-131، [131I]، والزينون-131، [131Xe]؛ وتُحدِّد تمثيلات SMILES الذرية هذه النظيرين، بينما تصف المعادلة التحول النووي.
1.2
يتبع الاضمحلال الإشعاعي قانون الرتبة الأولى
\[ -\frac{dN}{dt}=kN, \qquad N(t)=N_0e^{-kt}, \]
حيث \(N(t)\) هو عدد النوى التي لم تضمحل. عند عمر النصف، يكون \(N/N_0=1/2\)، ومنه نحصل على
\[ t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}. \]
وعليه،
\[ t_{1/2} =\frac{0.693147}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =6.9803\times10^5\ \mathrm{s}. \]
باستخدام \(1\ \text{يوم}=86400\ \mathrm{s}\)،
\[ \boxed{t_{1/2}=8.08\ \text{أيام}}. \]
1.3
النشاط هو \(A=kN\)، لذا يتناقص بالنسبة نفسها التي يتناقص بها عدد النوى المشعة:
\[ \frac{A(t)}{A_0}=e^{-kt}. \]
عندما يساوي النشاط \(30\%\) من قيمته الأصلية،
\[ 0.30=e^{-kt}, \qquad t=\frac{-\ln(0.30)}{k}. \]
وبالتالي،
\[ t =\frac{1.203973}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =1.21246\times10^6\ \mathrm{s}, \]
و
\[ \boxed{t=\frac{1.21246\times10^6}{86400}\ \text{يومًا} =14.0\ \text{يومًا}}. \]
1.4
نحوّل أدنى نشاط قابل للكشف إلى عدد التفككات في الثانية:
\[ A_{\min} =10^{-4}\ \mu\mathrm{c} =10^{-10}\ \mathrm{c}. \]
باستخدام معامل التحويل المعطى لوحدة الكوري،
\[ A_{\min} =10^{-10}\times3.7\times10^{10}\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{s^{-1}} =3.7\ \mathrm{Bq}. \]
بما أن \(A=kN\)، فإن العدد المقابل من النوى المشعة هو
\[ N_{\min} =\frac{A_{\min}}{k} =\frac{3.7\ \mathrm{s^{-1}}}{9.93\times10^{-7}\ \mathrm{s^{-1}}} =3.726\times10^6. \]
باعتبار الكتلة المولية لليود-131 مساويةً لـ \(M\approx131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)، وباستخدام ثابت أفوغادرو \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)،
\[ m_{\min} =\frac{N_{\min}}{N_{\mathrm A}}M =\frac{3.726\times10^6}{6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} \left(131\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right). \]
ومن ثم،
\[ \boxed{m_{\min}\approx8.1\times10^{-16}\ \mathrm{g}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.