IChO 1994 · Theory problem 8
Radioactive decay of uranium and ruthenium-97
Avogadro's Number: \(6.022\cdot10^{23}\)
8.1 An atom of \(\ce{^{238}U}\) disintegrates by a series of \(\alpha\)-decays and \(\beta^-\)-decays until it becomes \(\ce{^{206}Pb}\), which is stable.
i) How many \(\alpha\)-decays and how many \(\beta^-\)-decays does an atom starting as \(\ce{^{238}U}\) undergo before it becomes stable?
ii) One of the following ten nuclides is formed from a series of disintegrations starting at \(\ce{^{238}U}\). Which one ?
\(\ce{^{235}U}\), \(\ce{^{234}U}\), \(\ce{^{228}Ac}\), \(\ce{^{224}Ra}\), \(\ce{^{224}Rn}\), \(\ce{^{220}Rn}\), \(\ce{^{215}Po}\), \(\ce{^{212}Po}\), \(\ce{^{212}Pb}\), \(\ce{^{211}Pb}\).
8.2 In a thermal neutron-induced fission process, \(\ce{^{235}U}\) reacts with a neutron and breaks up into energetic fragments and (normally) 2-3 new neutrons.
We consider one single fission event:

Identify the fragment X.
8.3 The half-life of \(\ce{^{238}U}\) is \(4.5\times10^9\) years, the half-life of \(\ce{^{235}U}\) is \(7.0\times10^8\) years. Natural uranium consists of 99.28 % \(\ce{^{238}U}\) and 0.72 % \(\ce{^{235}U}\).
i) Calculate the ratio in natural U between the disintegration rates of these two uranium isotopes.
ii) A mineral contains 50 weight percent uranium. Calculate the disintegration rate of \(\ce{^{238}U}\) in 1.0 kg of this mineral.
8.4 We have the following radioactive sequence:

Halflives: \(\ce{^{97}Ru}\): 2.7 days; \(\ce{^{97}Tc}\): \(2.6\times10^6\) years
At \(t=0\) a radioactive source containing only \(\ce{^{97}Ru}\) has a disintegration rate of \(1.0\times10^9\) Bq.
i) What is the total disintegration rate of the source at \(t=6.0\) days?
ii) What is the total disintegration rate of the source at \(t=6000\) years?
Official English text of the problem.
Answers
- 8.1(i): \(8\) \(\alpha\)-decays and \(6\) \(\beta^-\)-decays.
- 8.1(ii): Uranium-234, \(\ce{^{234}U}\).
- 8.2: Zirconium-97, \(\ce{^{97}_{40}Zr}\).
- 8.3(i): \(R_{238}/R_{235}\approx21\), or approximately \(21:1\).
- 8.3(ii): \(R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(i): \(R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days})=2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(ii): \(R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}\).
Solution
8.1(i)
An \(\alpha\)-decay reduces the mass number by \(4\) and the atomic number by \(2\). A \(\beta^-\)-decay leaves the mass number unchanged and increases the atomic number by \(1\).
Thus the number of \(\alpha\)-decays is
\[ n_\alpha=\frac{238-206}{4}=\boxed{8}. \]
Uranium has atomic number \(92\), and lead has atomic number \(82\). Therefore,
\[ 92-2n_\alpha+n_{\beta^-}=82, \]
giving
\[ n_{\beta^-}=82-92+16=\boxed{6}. \]
The net nuclear equation is
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{206}_{82}Pb + 8 ^{4}_{2}He + 6 ^{0}_{-1}e} +6\bar{\nu}_e, \]
where \(\bar{\nu}_e\) denotes the electron antineutrino emitted in each \(\beta^-\)-decay.
8.1(ii)
After any number \(k\) of \(\alpha\)-decays, the mass number must be
\[ A=238-4k. \]
Since \(\beta^-\)-decay does not change \(A\), every member of this decay series has \(A\equiv2\pmod4\). Among the ten listed nuclides, only \(\ce{^{234}U}\) satisfies this condition.
It is produced through the sequence
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}, \]
\[ \ce{^{234}_{90}Th -> ^{234}_{91}Pa + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
\[ \ce{^{234}_{91}Pa -> ^{234}_{92}U + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e. \]
Hence the answer is uranium-234, \(\ce{^{234}U}\).
8.2
Conservation of mass number gives
\[ 235+1=137+A_X+2, \]
so
\[ A_X=97. \]
Tellurium has atomic number \(52\). Conservation of nuclear charge gives
\[ 92=52+Z_X, \qquad Z_X=40. \]
Element \(40\) is zirconium. Thus \(X\) is zirconium-97, and the balanced fission equation is
\[ \boxed{\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{137}_{52}Te + ^{97}_{40}Zr + 2 ^{1}_{0}n}}. \]
8.3(i)
The disintegration rate, or activity, of a radioactive isotope is
\[ R=\lambda N=\frac{\ln2}{T_{1/2}}N. \]
Taking the given isotopic abundances as atom fractions,
\[ \frac{R_{238}}{R_{235}} = \frac{N_{238}}{N_{235}} \frac{T_{1/2,235}}{T_{1/2,238}} = \frac{0.9928}{0.0072} \frac{7.0\times10^8}{4.5\times10^9} =21.45. \]
Therefore,
\[ \boxed{R_{238}:R_{235}\approx21:1}. \]
8.3(ii)
The uranium mass in the mineral is
\[ m_U=(1.0\,\mathrm{kg})(0.50)=0.50\,\mathrm{kg}=500\,\mathrm{g}. \]
Approximating isotopic molar masses by their mass numbers, the mean molar mass of this uranium is
\[ \overline M_U = [0.9928(238)+0.0072(235)]\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The number of \(\ce{^{238}U}\) atoms is consequently
\[ N_{238} = 0.9928\, \frac{500\,\mathrm{g}}{237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}) = 1.2561\times10^{24}. \]
Using \(1\,\mathrm{year}=365\times24\times3600\,\mathrm{s}\),
\[ R_{238} = \frac{(\ln2)(1.2561\times10^{24})} {(4.5\times10^9)(365)(24)(3600)\,\mathrm{s}} = 6.1354\times10^6\,\mathrm{s^{-1}}. \]
Since \(1\,\mathrm{Bq}=1\,\mathrm{s^{-1}}\),
\[ \boxed{R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}}. \]
This is the activity of \(\ce{^{238}U}\) itself.
8.4 — decay equations used in both parts
Let \(\lambda_R\) and \(\lambda_T\) be the decay constants of \(\ce{^{97}Ru}\) and \(\ce{^{97}Tc}\), respectively:
\[ \lambda_R = \frac{\ln2}{2.7(86400)\,\mathrm{s}} = 2.9713\times10^{-6}\,\mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda_T = \frac{\ln2}{(2.6\times10^6)(365)(86400)\,\mathrm{s}} = 8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}. \]
The initial activity \(R_0=1.0\times10^9\,\mathrm{Bq}\) corresponds to
\[ N_0=\frac{R_0}{\lambda_R}=3.3655\times10^{14} \]
ruthenium atoms.
The parent and daughter populations obey
\[ \frac{dN_R}{dt}=-\lambda_RN_R, \qquad \frac{dN_T}{dt}=\lambda_RN_R-\lambda_TN_T. \]
With \(N_R(0)=N_0\) and \(N_T(0)=0\), their activities are
\[ R_R(t)=R_0e^{-\lambda_Rt}, \]
\[ R_T(t)= R_0\frac{\lambda_T}{\lambda_R-\lambda_T} \left(e^{-\lambda_Tt}-e^{-\lambda_Rt}\right). \]
Because \(\ce{^{97}Mo}\) is stable,
\[ R_{\mathrm{total}}(t)=R_R(t)+R_T(t). \]
8.4(i)
After \(6.0\) days, the ruthenium activity is
\[ R_R = (1.0\times10^9)\,2^{-6.0/2.7} = 2.1431\times10^8\,\mathrm{Bq}. \]
The daughter activity from the expression above is only
\[ R_T=2.2354\,\mathrm{Bq}. \]
It is negligible at the precision of the supplied data. Thus
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days}) =2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}}. \]
8.4(ii)
After \(6000\) years, essentially all the original ruthenium has decayed. Since its decay took only a few days, the technetium population is, to excellent accuracy,
\[ N_T(t)\simeq N_0\,2^{-t/T_{1/2,T}}. \]
Its surviving fraction is
\[ 2^{-6000/(2.6\times10^6)}=0.99840. \]
Therefore,
\[ \begin{aligned} R_{\mathrm{total}} &\simeq \lambda_TN_0\,2^{-6000/(2.6\times10^6)}\\ &=(8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}) (3.3655\times10^{14})(0.99840)\\ &=2.8406\,\mathrm{Bq}. \end{aligned} \]
Hence
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 1994 · Theorieaufgabe 8
Radioaktiver Zerfall von Uran und Ruthenium-97
Avogadro-Zahl: \(6.022\cdot10^{23}\)
8.1 Ein Atom von \(\ce{^{238}U}\) zerfällt durch eine Reihe von \(\alpha\)- und \(\beta^-\)-Zerfällen, bis es zu \(\ce{^{206}Pb}\) wird, das stabil ist.
i) Wie viele \(\alpha\)-Zerfälle und wie viele \(\beta^-\)-Zerfälle durchläuft ein Atom, das ursprünglich \(\ce{^{238}U}\) ist, bevor es stabil wird?
ii) Eines der folgenden zehn Nuklide entsteht durch eine Reihe von Zerfällen, die bei \(\ce{^{238}U}\) beginnt. Welches?
\(\ce{^{235}U}\), \(\ce{^{234}U}\), \(\ce{^{228}Ac}\), \(\ce{^{224}Ra}\), \(\ce{^{224}Rn}\), \(\ce{^{220}Rn}\), \(\ce{^{215}Po}\), \(\ce{^{212}Po}\), \(\ce{^{212}Pb}\), \(\ce{^{211}Pb}\).
8.2 Bei einer durch ein thermisches Neutron induzierten Kernspaltung reagiert \(\ce{^{235}U}\) mit einem Neutron und zerfällt in energiereiche Fragmente und (normalerweise) 2-3 neue Neutronen.
Wir betrachten ein einzelnes Spaltereignis:

Bestimmen Sie das Fragment X.
8.3 Die Halbwertszeit von \(\ce{^{238}U}\) beträgt \(4.5\times10^9\) Jahre, die Halbwertszeit von \(\ce{^{235}U}\) beträgt \(7.0\times10^8\) Jahre. Natürliches Uran besteht aus 99.28 % \(\ce{^{238}U}\) und 0.72 % \(\ce{^{235}U}\).
i) Berechnen Sie das Verhältnis der Zerfallsraten dieser beiden Uranisotope in natürlichem U.
ii) Ein Mineral enthält 50 Massenprozent Uran. Berechnen Sie die Zerfallsrate von \(\ce{^{238}U}\) in 1.0 kg dieses Minerals.
8.4 Gegeben ist die folgende radioaktive Zerfallsfolge:

Halbwertszeiten: \(\ce{^{97}Ru}\): 2.7 Tage; \(\ce{^{97}Tc}\): \(2.6\times10^6\) Jahre
Zum Zeitpunkt \(t=0\) hat eine radioaktive Quelle, die ausschließlich \(\ce{^{97}Ru}\) enthält, eine Zerfallsrate von \(1.0\times10^9\) Bq.
i) Wie groß ist die gesamte Zerfallsrate der Quelle zum Zeitpunkt \(t=6.0\) Tage?
ii) Wie groß ist die gesamte Zerfallsrate der Quelle zum Zeitpunkt \(t=6000\) Jahre?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 8.1(i): \(8\) \(\alpha\)-Zerfälle und \(6\) \(\beta^-\)-Zerfälle.
- 8.1(ii): Uran-234, \(\ce{^{234}U}\).
- 8.2: Zirconium-97, \(\ce{^{97}_{40}Zr}\).
- 8.3(i): \(R_{238}/R_{235}\approx21\), oder ungefähr \(21:1\).
- 8.3(ii): \(R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(i): \(R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days})=2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(ii): \(R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}\).
Lösung
8.1(i)
Ein \(\alpha\)-Zerfall verringert die Massenzahl um \(4\) und die Ordnungszahl um \(2\). Ein \(\beta^-\)-Zerfall lässt die Massenzahl unverändert und erhöht die Ordnungszahl um \(1\).
Die Anzahl der \(\alpha\)-Zerfälle ist somit
\[ n_\alpha=\frac{238-206}{4}=\boxed{8}. \]
Uran hat die Ordnungszahl \(92\), Blei die Ordnungszahl \(82\). Daher gilt
\[ 92-2n_\alpha+n_{\beta^-}=82, \]
woraus sich ergibt:
\[ n_{\beta^-}=82-92+16=\boxed{6}. \]
Die Gesamtgleichung der Kernumwandlung lautet
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{206}_{82}Pb + 8 ^{4}_{2}He + 6 ^{0}_{-1}e} +6\bar{\nu}_e, \]
wobei \(\bar{\nu}_e\) das Elektron-Antineutrino bezeichnet, das bei jedem \(\beta^-\)-Zerfall emittiert wird.
8.1(ii)
Nach einer beliebigen Anzahl \(k\) von \(\alpha\)-Zerfällen muss für die Massenzahl gelten:
\[ A=238-4k. \]
Da der \(\beta^-\)-Zerfall \(A\) nicht verändert, gilt für jedes Glied dieser Zerfallsreihe \(A\equiv2\pmod4\). Von den zehn aufgeführten Nukliden erfüllt nur \(\ce{^{234}U}\) diese Bedingung.
Es entsteht durch die folgende Zerfallsfolge:
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}, \]
\[ \ce{^{234}_{90}Th -> ^{234}_{91}Pa + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
\[ \ce{^{234}_{91}Pa -> ^{234}_{92}U + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e. \]
Die Antwort lautet somit Uran-234, \(\ce{^{234}U}\).
8.2
Aus der Erhaltung der Massenzahl folgt
\[ 235+1=137+A_X+2, \]
also
\[ A_X=97. \]
Tellur hat die Ordnungszahl \(52\). Aus der Erhaltung der Kernladung folgt
\[ 92=52+Z_X, \qquad Z_X=40. \]
Das Element \(40\) ist Zirconium. Somit ist \(X\) Zirconium-97, und die ausgeglichene Spaltgleichung lautet
\[ \boxed{\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{137}_{52}Te + ^{97}_{40}Zr + 2 ^{1}_{0}n}}. \]
8.3(i)
Die Zerfallsrate oder Aktivität eines radioaktiven Isotops ist
\[ R=\lambda N=\frac{\ln2}{T_{1/2}}N. \]
Wenn die angegebenen Isotopenhäufigkeiten als Atomzahlanteile aufgefasst werden, gilt
\[ \frac{R_{238}}{R_{235}} = \frac{N_{238}}{N_{235}} \frac{T_{1/2,235}}{T_{1/2,238}} = \frac{0.9928}{0.0072} \frac{7.0\times10^8}{4.5\times10^9} =21.45. \]
Daher gilt
\[ \boxed{R_{238}:R_{235}\approx21:1}. \]
8.3(ii)
Die Masse des Urans im Mineral beträgt
\[ m_U=(1.0\,\mathrm{kg})(0.50)=0.50\,\mathrm{kg}=500\,\mathrm{g}. \]
Wenn die molaren Massen der Isotope anhand ihrer Massenzahlen angenähert werden, beträgt die mittlere molare Masse dieses Urans
\[ \overline M_U = [0.9928(238)+0.0072(235)]\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Die Anzahl der \(\ce{^{238}U}\)-Atome ist folglich
\[ N_{238} = 0.9928\, \frac{500\,\mathrm{g}}{237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}) = 1.2561\times10^{24}. \]
Mit \(1\,\mathrm{year}=365\times24\times3600\,\mathrm{s}\) ergibt sich
\[ R_{238} = \frac{(\ln2)(1.2561\times10^{24})} {(4.5\times10^9)(365)(24)(3600)\,\mathrm{s}} = 6.1354\times10^6\,\mathrm{s^{-1}}. \]
Da \(1\,\mathrm{Bq}=1\,\mathrm{s^{-1}}\) gilt, folgt
\[ \boxed{R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}}. \]
Dies ist die Aktivität von \(\ce{^{238}U}\) selbst.
8.4 — in beiden Teilen verwendete Zerfallsgleichungen
Es seien \(\lambda_R\) und \(\lambda_T\) die Zerfallskonstanten von \(\ce{^{97}Ru}\) beziehungsweise \(\ce{^{97}Tc}\):
\[ \lambda_R = \frac{\ln2}{2.7(86400)\,\mathrm{s}} = 2.9713\times10^{-6}\,\mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda_T = \frac{\ln2}{(2.6\times10^6)(365)(86400)\,\mathrm{s}} = 8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}. \]
Die Anfangsaktivität \(R_0=1.0\times10^9\,\mathrm{Bq}\) entspricht
\[ N_0=\frac{R_0}{\lambda_R}=3.3655\times10^{14} \]
Rutheniumatomen.
Die Anzahlen der Mutter- und Tochterkerne gehorchen den Gleichungen
\[ \frac{dN_R}{dt}=-\lambda_RN_R, \qquad \frac{dN_T}{dt}=\lambda_RN_R-\lambda_TN_T. \]
Mit \(N_R(0)=N_0\) und \(N_T(0)=0\) lauten ihre Aktivitäten
\[ R_R(t)=R_0e^{-\lambda_Rt}, \]
\[ R_T(t)= R_0\frac{\lambda_T}{\lambda_R-\lambda_T} \left(e^{-\lambda_Tt}-e^{-\lambda_Rt}\right). \]
Da \(\ce{^{97}Mo}\) stabil ist, gilt
\[ R_{\mathrm{total}}(t)=R_R(t)+R_T(t). \]
8.4(i)
Nach \(6.0\) Tagen beträgt die Aktivität des Rutheniums
\[ R_R = (1.0\times10^9)\,2^{-6.0/2.7} = 2.1431\times10^8\,\mathrm{Bq}. \]
Die Aktivität des Tochternuklids beträgt nach dem obigen Ausdruck nur
\[ R_T=2.2354\,\mathrm{Bq}. \]
Sie ist bei der Genauigkeit der angegebenen Daten vernachlässigbar. Somit gilt
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days}) =2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}}. \]
8.4(ii)
Nach \(6000\) Jahren ist praktisch das gesamte ursprünglich vorhandene Ruthenium zerfallen. Da sein Zerfall nur wenige Tage dauerte, beträgt die Anzahl der Technetiumkerne in sehr guter Näherung
\[ N_T(t)\simeq N_0\,2^{-t/T_{1/2,T}}. \]
Der noch nicht zerfallene Anteil beträgt
\[ 2^{-6000/(2.6\times10^6)}=0.99840. \]
Daher gilt
\[ \begin{aligned} R_{\mathrm{total}} &\simeq \lambda_TN_0\,2^{-6000/(2.6\times10^6)}\\ &=(8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}) (3.3655\times10^{14})(0.99840)\\ &=2.8406\,\mathrm{Bq}. \end{aligned} \]
Somit gilt
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1994 · Teori sorusu 8
Uranyum ve rutenyum-97'nin radyoaktif bozunması
Avogadro sayısı: \(6.022\cdot10^{23}\)
8.1 Bir \(\ce{^{238}U}\) atomu, kararlı olan \(\ce{^{206}Pb}\) hâline gelene kadar bir dizi \(\alpha\) ve \(\beta^-\) bozunması geçirir.
i) Başlangıçta \(\ce{^{238}U}\) olan bir atom, kararlı hâle gelmeden önce kaç \(\alpha\) ve kaç \(\beta^-\) bozunması geçirir?
ii) Aşağıdaki on nüklitten biri, \(\ce{^{238}U}\) ile başlayan bir dizi bozunma sonucunda oluşur. Bu hangisidir?
\(\ce{^{235}U}\), \(\ce{^{234}U}\), \(\ce{^{228}Ac}\), \(\ce{^{224}Ra}\), \(\ce{^{224}Rn}\), \(\ce{^{220}Rn}\), \(\ce{^{215}Po}\), \(\ce{^{212}Po}\), \(\ce{^{212}Pb}\), \(\ce{^{211}Pb}\).
8.2 Termal nötronla indüklenen bir fisyon sürecinde \(\ce{^{235}U}\), bir nötronla tepkimeye girer ve yüksek enerjili parçalara ve (normalde) 2-3 yeni nötrona ayrılır.
Tek bir fisyon olayını ele alalım:

X parçasını belirleyiniz.
8.3 \(\ce{^{238}U}\)'un yarı ömrü \(4.5\times10^9\) yıl, \(\ce{^{235}U}\)'un yarı ömrü ise \(7.0\times10^8\) yıldır. Doğal uranyum, %99.28 \(\ce{^{238}U}\) ve %0.72 \(\ce{^{235}U}\)'tan oluşur.
i) Doğal U'da bu iki uranyum izotopunun bozunma hızlarının oranını hesaplayınız.
ii) Bir mineral, kütlece %50 uranyum içermektedir. Bu mineralin 1.0 kg'ındaki \(\ce{^{238}U}\)'un bozunma hızını hesaplayınız.
8.4 Aşağıdaki radyoaktif bozunma dizisi verilmiştir:

Yarı ömürler: \(\ce{^{97}Ru}\): 2.7 gün; \(\ce{^{97}Tc}\): \(2.6\times10^6\) yıl
\(t=0\) anında yalnızca \(\ce{^{97}Ru}\) içeren bir radyoaktif kaynağın bozunma hızı \(1.0\times10^9\) Bq'dir.
i) \(t=6.0\) gün olduğunda kaynağın toplam bozunma hızı nedir?
ii) \(t=6000\) yıl olduğunda kaynağın toplam bozunma hızı nedir?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 8.1(i): \(8\) \(\alpha\) bozunması ve \(6\) \(\beta^-\) bozunması.
- 8.1(ii): Uranyum-234, \(\ce{^{234}U}\).
- 8.2: Zirkonyum-97, \(\ce{^{97}_{40}Zr}\).
- 8.3(i): \(R_{238}/R_{235}\approx21\), yani yaklaşık \(21:1\).
- 8.3(ii): \(R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(i): \(R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days})=2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(ii): \(R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}\).
Çözüm
8.1(i)
Bir \(\alpha\) bozunması, kütle numarasını \(4\), atom numarasını ise \(2\) azaltır. Bir \(\beta^-\) bozunması, kütle numarasını değiştirmez ve atom numarasını \(1\) artırır.
Dolayısıyla \(\alpha\) bozunmalarının sayısı
\[ n_\alpha=\frac{238-206}{4}=\boxed{8}. \]
Uranyumun atom numarası \(92\), kurşunun atom numarası ise \(82\)'dir. Bu nedenle,
\[ 92-2n_\alpha+n_{\beta^-}=82, \]
buradan
\[ n_{\beta^-}=82-92+16=\boxed{6}. \]
Net çekirdek tepkimesi denklemi şöyledir:
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{206}_{82}Pb + 8 ^{4}_{2}He + 6 ^{0}_{-1}e} +6\bar{\nu}_e, \]
burada \(\bar{\nu}_e\), her \(\beta^-\) bozunmasında yayımlanan elektron antinötrinosunu gösterir.
8.1(ii)
Herhangi bir \(k\) sayıda \(\alpha\) bozunmasından sonra kütle numarası
\[ A=238-4k. \]
olmalıdır. \(\beta^-\) bozunması \(A\)'yı değiştirmediği için bu bozunma dizisinin her üyesi \(A\equiv2\pmod4\) koşulunu sağlar. Listelenen on nüklit arasında yalnızca \(\ce{^{234}U}\) bu koşulu sağlar.
Bu nüklit aşağıdaki diziyle oluşur:
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}, \]
\[ \ce{^{234}_{90}Th -> ^{234}_{91}Pa + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
\[ \ce{^{234}_{91}Pa -> ^{234}_{92}U + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e. \]
Dolayısıyla cevap uranyum-234, \(\ce{^{234}U}\)'tür.
8.2
Kütle numarasının korunumundan
\[ 235+1=137+A_X+2, \]
dolayısıyla
\[ A_X=97. \]
Tellürün atom numarası \(52\)'dir. Çekirdek yükünün korunumundan
\[ 92=52+Z_X, \qquad Z_X=40. \]
Atom numarası \(40\) olan element zirkonyumdur. Dolayısıyla \(X\), zirkonyum-97'dir ve denkleştirilmiş fisyon denklemi şöyledir:
\[ \boxed{\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{137}_{52}Te + ^{97}_{40}Zr + 2 ^{1}_{0}n}}. \]
8.3(i)
Bir radyoaktif izotopun bozunma hızı, yani aktivitesi şöyledir:
\[ R=\lambda N=\frac{\ln2}{T_{1/2}}N. \]
Verilen izotop bolluklarını atom kesirleri olarak alırsak,
\[ \frac{R_{238}}{R_{235}} = \frac{N_{238}}{N_{235}} \frac{T_{1/2,235}}{T_{1/2,238}} = \frac{0.9928}{0.0072} \frac{7.0\times10^8}{4.5\times10^9} =21.45. \]
Bu nedenle,
\[ \boxed{R_{238}:R_{235}\approx21:1}. \]
8.3(ii)
Mineraldeki uranyumun kütlesi şöyledir:
\[ m_U=(1.0\,\mathrm{kg})(0.50)=0.50\,\mathrm{kg}=500\,\mathrm{g}. \]
İzotopların molar kütlelerini yaklaşık olarak kütle numaralarına eşit alırsak, bu uranyumun ortalama molar kütlesi
\[ \overline M_U = [0.9928(238)+0.0072(235)]\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Buna göre \(\ce{^{238}U}\) atomlarının sayısı şöyledir:
\[ N_{238} = 0.9928\, \frac{500\,\mathrm{g}}{237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}) = 1.2561\times10^{24}. \]
\(1\,\mathrm{year}=365\times24\times3600\,\mathrm{s}\) kullanılarak,
\[ R_{238} = \frac{(\ln2)(1.2561\times10^{24})} {(4.5\times10^9)(365)(24)(3600)\,\mathrm{s}} = 6.1354\times10^6\,\mathrm{s^{-1}}. \]
\(1\,\mathrm{Bq}=1\,\mathrm{s^{-1}}\) olduğundan,
\[ \boxed{R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}}. \]
Bu, \(\ce{^{238}U}\)'un kendisinin aktivitesidir.
8.4 — her iki kısımda kullanılan bozunma denklemleri
\(\lambda_R\) ve \(\lambda_T\), sırasıyla \(\ce{^{97}Ru}\) ve \(\ce{^{97}Tc}\)'un bozunma sabitleri olsun:
\[ \lambda_R = \frac{\ln2}{2.7(86400)\,\mathrm{s}} = 2.9713\times10^{-6}\,\mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda_T = \frac{\ln2}{(2.6\times10^6)(365)(86400)\,\mathrm{s}} = 8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}. \]
Başlangıç aktivitesi \(R_0=1.0\times10^9\,\mathrm{Bq}\),
\[ N_0=\frac{R_0}{\lambda_R}=3.3655\times10^{14} \]
rutenyum atomuna karşılık gelir.
Ana ve yavru çekirdek sayıları aşağıdaki denklemlere uyar:
\[ \frac{dN_R}{dt}=-\lambda_RN_R, \qquad \frac{dN_T}{dt}=\lambda_RN_R-\lambda_TN_T. \]
\(N_R(0)=N_0\) ve \(N_T(0)=0\) için aktiviteleri şöyledir:
\[ R_R(t)=R_0e^{-\lambda_Rt}, \]
\[ R_T(t)= R_0\frac{\lambda_T}{\lambda_R-\lambda_T} \left(e^{-\lambda_Tt}-e^{-\lambda_Rt}\right). \]
\(\ce{^{97}Mo}\) kararlı olduğundan,
\[ R_{\mathrm{total}}(t)=R_R(t)+R_T(t). \]
8.4(i)
\(6.0\) gün sonra rutenyumun aktivitesi şöyledir:
\[ R_R = (1.0\times10^9)\,2^{-6.0/2.7} = 2.1431\times10^8\,\mathrm{Bq}. \]
Yukarıdaki ifadeden elde edilen yavru çekirdeğin aktivitesi yalnızca
\[ R_T=2.2354\,\mathrm{Bq}. \]
Verilen verilerin hassasiyetinde bu değer ihmal edilebilir. Dolayısıyla
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days}) =2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}}. \]
8.4(ii)
\(6000\) yıl sonra başlangıçtaki rutenyumun hemen hemen tamamı bozunmuştur. Bu bozunma yalnızca birkaç gün sürdüğü için teknesyum atomlarının sayısı, çok yüksek bir doğrulukla,
\[ N_T(t)\simeq N_0\,2^{-t/T_{1/2,T}}. \]
Bozunmadan kalan kesri şöyledir:
\[ 2^{-6000/(2.6\times10^6)}=0.99840. \]
Bu nedenle,
\[ \begin{aligned} R_{\mathrm{total}} &\simeq \lambda_TN_0\,2^{-6000/(2.6\times10^6)}\\ &=(8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}) (3.3655\times10^{14})(0.99840)\\ &=2.8406\,\mathrm{Bq}. \end{aligned} \]
Dolayısıyla
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1994 · Problema teórico 8
Desintegración radiactiva del uranio y del rutenio-97
Número de Avogadro: \(6.022\cdot10^{23}\)
8.1 Un átomo de \(\ce{^{238}U}\) se desintegra mediante una serie de desintegraciones \(\alpha\) y \(\beta^-\) hasta convertirse en \(\ce{^{206}Pb}\), que es estable.
i) ¿Cuántas desintegraciones \(\alpha\) y cuántas desintegraciones \(\beta^-\) experimenta un átomo inicialmente de \(\ce{^{238}U}\) antes de volverse estable?
ii) Uno de los diez núclidos siguientes se forma mediante una serie de desintegraciones que comienza en \(\ce{^{238}U}\). ¿Cuál?
\(\ce{^{235}U}\), \(\ce{^{234}U}\), \(\ce{^{228}Ac}\), \(\ce{^{224}Ra}\), \(\ce{^{224}Rn}\), \(\ce{^{220}Rn}\), \(\ce{^{215}Po}\), \(\ce{^{212}Po}\), \(\ce{^{212}Pb}\), \(\ce{^{211}Pb}\).
8.2 En un proceso de fisión inducida por neutrones térmicos, el \(\ce{^{235}U}\) reacciona con un neutrón y se divide en fragmentos de alta energía y (normalmente) 2-3 neutrones nuevos.
Consideramos un único suceso de fisión:

Identifique el fragmento X.
8.3 El período de semidesintegración del \(\ce{^{238}U}\) es de \(4.5\times10^9\) años, y el del \(\ce{^{235}U}\) es de \(7.0\times10^8\) años. El uranio natural está compuesto por un 99.28 % de \(\ce{^{238}U}\) y un 0.72 % de \(\ce{^{235}U}\).
i) Calcule la razón entre las velocidades de desintegración de estos dos isótopos de uranio en el U natural.
ii) Un mineral contiene un 50 por ciento en masa de uranio. Calcule la velocidad de desintegración del \(\ce{^{238}U}\) en 1.0 kg de este mineral.
8.4 Se tiene la siguiente secuencia radiactiva:

Períodos de semidesintegración: \(\ce{^{97}Ru}\): 2.7 días; \(\ce{^{97}Tc}\): \(2.6\times10^6\) años
En \(t=0\), una fuente radiactiva que contiene únicamente \(\ce{^{97}Ru}\) tiene una velocidad de desintegración de \(1.0\times10^9\) Bq.
i) ¿Cuál es la velocidad de desintegración total de la fuente en \(t=6.0\) días?
ii) ¿Cuál es la velocidad de desintegración total de la fuente en \(t=6000\) años?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 8.1(i): \(8\) desintegraciones \(\alpha\) y \(6\) desintegraciones \(\beta^-\).
- 8.1(ii): Uranio-234, \(\ce{^{234}U}\).
- 8.2: Circonio-97, \(\ce{^{97}_{40}Zr}\).
- 8.3(i): \(R_{238}/R_{235}\approx21\), o aproximadamente \(21:1\).
- 8.3(ii): \(R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(i): \(R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days})=2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(ii): \(R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}\).
Solución
8.1(i)
Una desintegración \(\alpha\) reduce el número másico en \(4\) y el número atómico en \(2\). Una desintegración \(\beta^-\) deja el número másico inalterado y aumenta el número atómico en \(1\).
Por tanto, el número de desintegraciones \(\alpha\) es
\[ n_\alpha=\frac{238-206}{4}=\boxed{8}. \]
El uranio tiene número atómico \(92\), y el plomo tiene número atómico \(82\). Por lo tanto,
\[ 92-2n_\alpha+n_{\beta^-}=82, \]
de donde se obtiene
\[ n_{\beta^-}=82-92+16=\boxed{6}. \]
La ecuación nuclear neta es
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{206}_{82}Pb + 8 ^{4}_{2}He + 6 ^{0}_{-1}e} +6\bar{\nu}_e, \]
donde \(\bar{\nu}_e\) representa el antineutrino electrónico emitido en cada desintegración \(\beta^-\).
8.1(ii)
Después de cualquier número \(k\) de desintegraciones \(\alpha\), el número másico debe ser
\[ A=238-4k. \]
Puesto que la desintegración \(\beta^-\) no modifica \(A\), todos los miembros de esta serie de desintegración tienen \(A\equiv2\pmod4\). Entre los diez núclidos enumerados, solo el \(\ce{^{234}U}\) satisface esta condición.
Se produce mediante la secuencia
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}, \]
\[ \ce{^{234}_{90}Th -> ^{234}_{91}Pa + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
\[ \ce{^{234}_{91}Pa -> ^{234}_{92}U + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e. \]
Por consiguiente, la respuesta es uranio-234, \(\ce{^{234}U}\).
8.2
La conservación del número másico da
\[ 235+1=137+A_X+2, \]
por lo que
\[ A_X=97. \]
El telurio tiene número atómico \(52\). La conservación de la carga nuclear da
\[ 92=52+Z_X, \qquad Z_X=40. \]
El elemento \(40\) es el circonio. Por tanto, \(X\) es circonio-97, y la ecuación de fisión ajustada es
\[ \boxed{\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{137}_{52}Te + ^{97}_{40}Zr + 2 ^{1}_{0}n}}. \]
8.3(i)
La velocidad de desintegración, o actividad, de un isótopo radiactivo es
\[ R=\lambda N=\frac{\ln2}{T_{1/2}}N. \]
Tomando las abundancias isotópicas dadas como fracciones atómicas,
\[ \frac{R_{238}}{R_{235}} = \frac{N_{238}}{N_{235}} \frac{T_{1/2,235}}{T_{1/2,238}} = \frac{0.9928}{0.0072} \frac{7.0\times10^8}{4.5\times10^9} =21.45. \]
Por lo tanto,
\[ \boxed{R_{238}:R_{235}\approx21:1}. \]
8.3(ii)
La masa de uranio en el mineral es
\[ m_U=(1.0\,\mathrm{kg})(0.50)=0.50\,\mathrm{kg}=500\,\mathrm{g}. \]
Aproximando las masas molares isotópicas mediante sus números másicos, la masa molar media de este uranio es
\[ \overline M_U = [0.9928(238)+0.0072(235)]\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
En consecuencia, el número de átomos de \(\ce{^{238}U}\) es
\[ N_{238} = 0.9928\, \frac{500\,\mathrm{g}}{237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}) = 1.2561\times10^{24}. \]
Utilizando \(1\,\mathrm{year}=365\times24\times3600\,\mathrm{s}\),
\[ R_{238} = \frac{(\ln2)(1.2561\times10^{24})} {(4.5\times10^9)(365)(24)(3600)\,\mathrm{s}} = 6.1354\times10^6\,\mathrm{s^{-1}}. \]
Puesto que \(1\,\mathrm{Bq}=1\,\mathrm{s^{-1}}\),
\[ \boxed{R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}}. \]
Esta es la actividad del propio \(\ce{^{238}U}\).
8.4 — ecuaciones de desintegración utilizadas en ambos apartados
Sean \(\lambda_R\) y \(\lambda_T\) las constantes de desintegración del \(\ce{^{97}Ru}\) y del \(\ce{^{97}Tc}\), respectivamente:
\[ \lambda_R = \frac{\ln2}{2.7(86400)\,\mathrm{s}} = 2.9713\times10^{-6}\,\mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda_T = \frac{\ln2}{(2.6\times10^6)(365)(86400)\,\mathrm{s}} = 8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}. \]
La actividad inicial \(R_0=1.0\times10^9\,\mathrm{Bq}\) corresponde a
\[ N_0=\frac{R_0}{\lambda_R}=3.3655\times10^{14} \]
átomos de rutenio.
Las poblaciones de núcleos padre e hijo obedecen
\[ \frac{dN_R}{dt}=-\lambda_RN_R, \qquad \frac{dN_T}{dt}=\lambda_RN_R-\lambda_TN_T. \]
Con \(N_R(0)=N_0\) y \(N_T(0)=0\), sus actividades son
\[ R_R(t)=R_0e^{-\lambda_Rt}, \]
\[ R_T(t)= R_0\frac{\lambda_T}{\lambda_R-\lambda_T} \left(e^{-\lambda_Tt}-e^{-\lambda_Rt}\right). \]
Como el \(\ce{^{97}Mo}\) es estable,
\[ R_{\mathrm{total}}(t)=R_R(t)+R_T(t). \]
8.4(i)
Al cabo de \(6.0\) días, la actividad del rutenio es
\[ R_R = (1.0\times10^9)\,2^{-6.0/2.7} = 2.1431\times10^8\,\mathrm{Bq}. \]
La actividad del núclido hijo obtenida mediante la expresión anterior es de tan solo
\[ R_T=2.2354\,\mathrm{Bq}. \]
Es despreciable a la precisión de los datos proporcionados. Por tanto,
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days}) =2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}}. \]
8.4(ii)
Al cabo de \(6000\) años, prácticamente todo el rutenio original se ha desintegrado. Puesto que su desintegración duró solo unos pocos días, la población de tecnecio es, con una excelente aproximación,
\[ N_T(t)\simeq N_0\,2^{-t/T_{1/2,T}}. \]
La fracción que permanece sin desintegrarse es
\[ 2^{-6000/(2.6\times10^6)}=0.99840. \]
Por lo tanto,
\[ \begin{aligned} R_{\mathrm{total}} &\simeq \lambda_TN_0\,2^{-6000/(2.6\times10^6)}\\ &=(8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}) (3.3655\times10^{14})(0.99840)\\ &=2.8406\,\mathrm{Bq}. \end{aligned} \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1994 · 理论题 8
铀和钌-97的放射性衰变
阿伏伽德罗常数:\(6.022\cdot10^{23}\)
8.1 一个 \(\ce{^{238}U}\) 原子经过一系列 \(\alpha\) 衰变和 \(\beta^-\) 衰变,最终变为稳定的 \(\ce{^{206}Pb}\)。
i) 一个最初为 \(\ce{^{238}U}\) 的原子在变为稳定原子之前,要经历多少次 \(\alpha\) 衰变和多少次 \(\beta^-\) 衰变?
ii) 下列十种核素中,有一种可由 \(\ce{^{238}U}\) 经一系列衰变生成。是哪一种?
\(\ce{^{235}U}\)、\(\ce{^{234}U}\)、\(\ce{^{228}Ac}\)、\(\ce{^{224}Ra}\)、\(\ce{^{224}Rn}\)、\(\ce{^{220}Rn}\)、\(\ce{^{215}Po}\)、\(\ce{^{212}Po}\)、\(\ce{^{212}Pb}\)、\(\ce{^{211}Pb}\)。
8.2 在热中子诱发的裂变过程中,\(\ce{^{235}U}\) 与一个中子反应,分裂成具有高能量的碎片,并且(通常)产生 2-3 个新中子。
我们考虑一次裂变事件:

确定碎片 X。
8.3 \(\ce{^{238}U}\) 的半衰期为 \(4.5\times10^9\) 年,\(\ce{^{235}U}\) 的半衰期为 \(7.0\times10^8\) 年。天然铀由 99.28 % 的 \(\ce{^{238}U}\) 和 0.72 % 的 \(\ce{^{235}U}\) 组成。
i) 计算天然铀中这两种铀同位素的衰变速率之比。
ii) 某矿物中铀的质量分数为 50 %。计算 1.0 kg 该矿物中 \(\ce{^{238}U}\) 的衰变速率。
8.4 已知下列放射性衰变序列:

半衰期:\(\ce{^{97}Ru}\):2.7 天;\(\ce{^{97}Tc}\):\(2.6\times10^6\) 年
在 \(t=0\) 时,一个仅含 \(\ce{^{97}Ru}\) 的放射源的衰变速率为 \(1.0\times10^9\) Bq。
i) 在 \(t=6.0\) 天时,该放射源的总衰变速率是多少?
ii) 在 \(t=6000\) 年时,该放射源的总衰变速率是多少?
题目译自官方英文原文。
答案
- 8.1(i): \(8\) 次 \(\alpha\) 衰变和 \(6\) 次 \(\beta^-\) 衰变。
- 8.1(ii): 铀-234,\(\ce{^{234}U}\)。
- 8.2: 锆-97,\(\ce{^{97}_{40}Zr}\)。
- 8.3(i): \(R_{238}/R_{235}\approx21\),即约为 \(21:1\)。
- 8.3(ii): \(R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}\)。
- 8.4(i): \(R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days})=2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}\)。
- 8.4(ii): \(R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}\)。
解答
8.1(i)
一次 \(\alpha\) 衰变使质量数减少 \(4\),原子序数减少 \(2\)。一次 \(\beta^-\) 衰变使质量数保持不变,原子序数增加 \(1\)。
因此,\(\alpha\) 衰变的次数为
\[ n_\alpha=\frac{238-206}{4}=\boxed{8}. \]
铀的原子序数为 \(92\),铅的原子序数为 \(82\)。因此,
\[ 92-2n_\alpha+n_{\beta^-}=82, \]
由此得到
\[ n_{\beta^-}=82-92+16=\boxed{6}. \]
总核反应方程式为
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{206}_{82}Pb + 8 ^{4}_{2}He + 6 ^{0}_{-1}e} +6\bar{\nu}_e, \]
其中,\(\bar{\nu}_e\) 表示每次 \(\beta^-\) 衰变中放出的电子反中微子。
8.1(ii)
经过任意次数 \(k\) 的 \(\alpha\) 衰变后,质量数必为
\[ A=238-4k. \]
由于 \(\beta^-\) 衰变不改变 \(A\),该衰变系中的每一种核素均满足 \(A\equiv2\pmod4\)。在所列的十种核素中,只有 \(\ce{^{234}U}\) 满足这一条件。
它通过下列衰变序列生成
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}, \]
\[ \ce{^{234}_{90}Th -> ^{234}_{91}Pa + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
\[ \ce{^{234}_{91}Pa -> ^{234}_{92}U + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e. \]
因此,答案为铀-234,\(\ce{^{234}U}\)。
8.2
由质量数守恒可得
\[ 235+1=137+A_X+2, \]
所以
\[ A_X=97. \]
碲的原子序数为 \(52\)。由核电荷守恒可得
\[ 92=52+Z_X, \qquad Z_X=40. \]
原子序数为 \(40\) 的元素是锆。因此,\(X\) 为锆-97,配平后的裂变方程式为
\[ \boxed{\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{137}_{52}Te + ^{97}_{40}Zr + 2 ^{1}_{0}n}}. \]
8.3(i)
放射性同位素的衰变速率,即放射性活度,为
\[ R=\lambda N=\frac{\ln2}{T_{1/2}}N. \]
将所给的同位素丰度视为原子数分数,
\[ \frac{R_{238}}{R_{235}} = \frac{N_{238}}{N_{235}} \frac{T_{1/2,235}}{T_{1/2,238}} = \frac{0.9928}{0.0072} \frac{7.0\times10^8}{4.5\times10^9} =21.45. \]
因此,
\[ \boxed{R_{238}:R_{235}\approx21:1}. \]
8.3(ii)
矿物中铀的质量为
\[ m_U=(1.0\,\mathrm{kg})(0.50)=0.50\,\mathrm{kg}=500\,\mathrm{g}. \]
以同位素的质量数近似表示其摩尔质量的数值,则该铀的平均摩尔质量为
\[ \overline M_U = [0.9928(238)+0.0072(235)]\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
因此,\(\ce{^{238}U}\) 的原子数为
\[ N_{238} = 0.9928\, \frac{500\,\mathrm{g}}{237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}) = 1.2561\times10^{24}. \]
利用 \(1\,\mathrm{year}=365\times24\times3600\,\mathrm{s}\),
\[ R_{238} = \frac{(\ln2)(1.2561\times10^{24})} {(4.5\times10^9)(365)(24)(3600)\,\mathrm{s}} = 6.1354\times10^6\,\mathrm{s^{-1}}. \]
由于 \(1\,\mathrm{Bq}=1\,\mathrm{s^{-1}}\),
\[ \boxed{R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}}. \]
这是 \(\ce{^{238}U}\) 本身的放射性活度。
8.4 — 两个小问均用到的衰变方程
设 \(\lambda_R\) 和 \(\lambda_T\) 分别为 \(\ce{^{97}Ru}\) 和 \(\ce{^{97}Tc}\) 的衰变常数:
\[ \lambda_R = \frac{\ln2}{2.7(86400)\,\mathrm{s}} = 2.9713\times10^{-6}\,\mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda_T = \frac{\ln2}{(2.6\times10^6)(365)(86400)\,\mathrm{s}} = 8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}. \]
初始放射性活度 \(R_0=1.0\times10^9\,\mathrm{Bq}\) 对应于
\[ N_0=\frac{R_0}{\lambda_R}=3.3655\times10^{14} \]
个钌原子。
母体和子体的原子数满足
\[ \frac{dN_R}{dt}=-\lambda_RN_R, \qquad \frac{dN_T}{dt}=\lambda_RN_R-\lambda_TN_T. \]
在 \(N_R(0)=N_0\) 和 \(N_T(0)=0\) 的条件下,它们的放射性活度为
\[ R_R(t)=R_0e^{-\lambda_Rt}, \]
\[ R_T(t)= R_0\frac{\lambda_T}{\lambda_R-\lambda_T} \left(e^{-\lambda_Tt}-e^{-\lambda_Rt}\right). \]
由于 \(\ce{^{97}Mo}\) 是稳定的,
\[ R_{\mathrm{total}}(t)=R_R(t)+R_T(t). \]
8.4(i)
经过 \(6.0\) 天后,钌的放射性活度为
\[ R_R = (1.0\times10^9)\,2^{-6.0/2.7} = 2.1431\times10^8\,\mathrm{Bq}. \]
由上述表达式得到的子体放射性活度仅为
\[ R_T=2.2354\,\mathrm{Bq}. \]
在所给数据的精度下,这一数值可以忽略。因此
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days}) =2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}}. \]
8.4(ii)
经过 \(6000\) 年后,最初的钌几乎全部衰变。由于钌的衰变仅需数天,因此锝的原子数可以非常精确地近似表示为
\[ N_T(t)\simeq N_0\,2^{-t/T_{1/2,T}}. \]
其剩余比例为
\[ 2^{-6000/(2.6\times10^6)}=0.99840. \]
因此,
\[ \begin{aligned} R_{\mathrm{total}} &\simeq \lambda_TN_0\,2^{-6000/(2.6\times10^6)}\\ &=(8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}) (3.3655\times10^{14})(0.99840)\\ &=2.8406\,\mathrm{Bq}. \end{aligned} \]
所以
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 1994 · Теоретическая задача 8
Радиоактивный распад урана и рутения-97
Число Авогадро: \(6.022\cdot10^{23}\)
8.1 Атом \(\ce{^{238}U}\) в результате последовательности \(\alpha\)-распадов и \(\beta^-\)-распадов превращается в стабильный \(\ce{^{206}Pb}\).
i) Сколько \(\alpha\)-распадов и сколько \(\beta^-\)-распадов претерпевает атом, первоначально являющийся \(\ce{^{238}U}\), прежде чем он станет стабильным?
ii) Один из следующих десяти нуклидов образуется в результате последовательности распадов, начинающейся с \(\ce{^{238}U}\). Какой именно?
\(\ce{^{235}U}\), \(\ce{^{234}U}\), \(\ce{^{228}Ac}\), \(\ce{^{224}Ra}\), \(\ce{^{224}Rn}\), \(\ce{^{220}Rn}\), \(\ce{^{215}Po}\), \(\ce{^{212}Po}\), \(\ce{^{212}Pb}\), \(\ce{^{211}Pb}\).
8.2 При делении под действием теплового нейтрона \(\ce{^{235}U}\) взаимодействует с нейтроном и распадается на осколки с высокой энергией и (обычно) 2–3 новых нейтрона.
Рассмотрим один акт деления:

Определите осколок X.
8.3 Период полураспада \(\ce{^{238}U}\) составляет \(4.5\times10^9\) лет, период полураспада \(\ce{^{235}U}\) — \(7.0\times10^8\) лет. Природный уран состоит из 99.28 % \(\ce{^{238}U}\) и 0.72 % \(\ce{^{235}U}\).
i) Рассчитайте отношение скоростей распада этих двух изотопов урана в природном U.
ii) Минерал содержит 50 массовых процентов урана. Рассчитайте скорость распада \(\ce{^{238}U}\) в 1.0 кг этого минерала.
8.4 Дана следующая цепочка радиоактивных превращений:

Периоды полураспада: \(\ce{^{97}Ru}\): 2.7 суток; \(\ce{^{97}Tc}\): \(2.6\times10^6\) лет
При \(t=0\) радиоактивный источник, содержащий только \(\ce{^{97}Ru}\), имеет скорость распада \(1.0\times10^9\) Бк.
i) Какова суммарная скорость распада источника при \(t=6.0\) суток?
ii) Какова суммарная скорость распада источника при \(t=6000\) лет?
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 8.1(i): \(8\) \(\alpha\)-распадов и \(6\) \(\beta^-\)-распадов.
- 8.1(ii): Уран-234, \(\ce{^{234}U}\).
- 8.2: Цирконий-97, \(\ce{^{97}_{40}Zr}\).
- 8.3(i): \(R_{238}/R_{235}\approx21\), или приблизительно \(21:1\).
- 8.3(ii): \(R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(i): \(R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days})=2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(ii): \(R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}\).
Решение
8.1(i)
При \(\alpha\)-распаде массовое число уменьшается на \(4\), а атомный номер — на \(2\). При \(\beta^-\)-распаде массовое число не изменяется, а атомный номер увеличивается на \(1\).
Таким образом, число \(\alpha\)-распадов равно
\[ n_\alpha=\frac{238-206}{4}=\boxed{8}. \]
Атомный номер урана равен \(92\), а свинца — \(82\). Следовательно,
\[ 92-2n_\alpha+n_{\beta^-}=82, \]
откуда
\[ n_{\beta^-}=82-92+16=\boxed{6}. \]
Суммарное уравнение ядерного превращения имеет вид
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{206}_{82}Pb + 8 ^{4}_{2}He + 6 ^{0}_{-1}e} +6\bar{\nu}_e, \]
где \(\bar{\nu}_e\) обозначает электронное антинейтрино, испускаемое при каждом \(\beta^-\)-распаде.
8.1(ii)
После любого числа \(k\) \(\alpha\)-распадов массовое число должно быть равно
\[ A=238-4k. \]
Поскольку \(\beta^-\)-распад не изменяет \(A\), для каждого члена этого радиоактивного ряда выполняется \(A\equiv2\pmod4\). Среди десяти перечисленных нуклидов этому условию удовлетворяет только \(\ce{^{234}U}\).
Он образуется в результате следующей последовательности превращений:
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}, \]
\[ \ce{^{234}_{90}Th -> ^{234}_{91}Pa + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
\[ \ce{^{234}_{91}Pa -> ^{234}_{92}U + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e. \]
Следовательно, ответ — уран-234, \(\ce{^{234}U}\).
8.2
Из закона сохранения массового числа получаем
\[ 235+1=137+A_X+2, \]
откуда
\[ A_X=97. \]
Атомный номер теллура равен \(52\). Из закона сохранения заряда ядра получаем
\[ 92=52+Z_X, \qquad Z_X=40. \]
Элемент с атомным номером \(40\) — цирконий. Таким образом, \(X\) — цирконий-97, а уравнение деления с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \boxed{\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{137}_{52}Te + ^{97}_{40}Zr + 2 ^{1}_{0}n}}. \]
8.3(i)
Скорость распада, или активность, радиоактивного изотопа равна
\[ R=\lambda N=\frac{\ln2}{T_{1/2}}N. \]
Принимая приведённые содержания изотопов за атомные доли, получаем
\[ \frac{R_{238}}{R_{235}} = \frac{N_{238}}{N_{235}} \frac{T_{1/2,235}}{T_{1/2,238}} = \frac{0.9928}{0.0072} \frac{7.0\times10^8}{4.5\times10^9} =21.45. \]
Следовательно,
\[ \boxed{R_{238}:R_{235}\approx21:1}. \]
8.3(ii)
Масса урана в минерале равна
\[ m_U=(1.0\,\mathrm{kg})(0.50)=0.50\,\mathrm{kg}=500\,\mathrm{g}. \]
Приближённо принимая численные значения молярных масс изотопов равными их массовым числам, получаем среднюю молярную массу этого урана:
\[ \overline M_U = [0.9928(238)+0.0072(235)]\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Следовательно, число атомов \(\ce{^{238}U}\) равно
\[ N_{238} = 0.9928\, \frac{500\,\mathrm{g}}{237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}) = 1.2561\times10^{24}. \]
Используя \(1\,\mathrm{year}=365\times24\times3600\,\mathrm{s}\), получаем
\[ R_{238} = \frac{(\ln2)(1.2561\times10^{24})} {(4.5\times10^9)(365)(24)(3600)\,\mathrm{s}} = 6.1354\times10^6\,\mathrm{s^{-1}}. \]
Поскольку \(1\,\mathrm{Bq}=1\,\mathrm{s^{-1}}\),
\[ \boxed{R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}}. \]
Это активность самого \(\ce{^{238}U}\).
8.4 — уравнения распада, используемые в обеих частях
Пусть \(\lambda_R\) и \(\lambda_T\) — постоянные распада \(\ce{^{97}Ru}\) и \(\ce{^{97}Tc}\) соответственно:
\[ \lambda_R = \frac{\ln2}{2.7(86400)\,\mathrm{s}} = 2.9713\times10^{-6}\,\mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda_T = \frac{\ln2}{(2.6\times10^6)(365)(86400)\,\mathrm{s}} = 8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}. \]
Начальной активности \(R_0=1.0\times10^9\,\mathrm{Bq}\) соответствует
\[ N_0=\frac{R_0}{\lambda_R}=3.3655\times10^{14} \]
атомов рутения.
Числа материнских и дочерних ядер подчиняются уравнениям
\[ \frac{dN_R}{dt}=-\lambda_RN_R, \qquad \frac{dN_T}{dt}=\lambda_RN_R-\lambda_TN_T. \]
При \(N_R(0)=N_0\) и \(N_T(0)=0\) их активности равны
\[ R_R(t)=R_0e^{-\lambda_Rt}, \]
\[ R_T(t)= R_0\frac{\lambda_T}{\lambda_R-\lambda_T} \left(e^{-\lambda_Tt}-e^{-\lambda_Rt}\right). \]
Поскольку \(\ce{^{97}Mo}\) стабилен,
\[ R_{\mathrm{total}}(t)=R_R(t)+R_T(t). \]
8.4(i)
Через \(6.0\) суток активность рутения равна
\[ R_R = (1.0\times10^9)\,2^{-6.0/2.7} = 2.1431\times10^8\,\mathrm{Bq}. \]
Активность дочернего нуклида, рассчитанная по приведённому выше выражению, составляет всего
\[ R_T=2.2354\,\mathrm{Bq}. \]
При точности исходных данных ею можно пренебречь. Таким образом,
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days}) =2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}}. \]
8.4(ii)
Через \(6000\) лет практически весь исходный рутений распался. Поскольку его распад занял лишь несколько суток, число ядер технеция с очень высокой точностью равно
\[ N_T(t)\simeq N_0\,2^{-t/T_{1/2,T}}. \]
Доля оставшихся нераспавшимися ядер равна
\[ 2^{-6000/(2.6\times10^6)}=0.99840. \]
Следовательно,
\[ \begin{aligned} R_{\mathrm{total}} &\simeq \lambda_TN_0\,2^{-6000/(2.6\times10^6)}\\ &=(8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}) (3.3655\times10^{14})(0.99840)\\ &=2.8406\,\mathrm{Bq}. \end{aligned} \]
Отсюда
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1994 · مسألة نظرية 8
الاضمحلال الإشعاعي لليورانيوم والروثينيوم-97
عدد أفوغادرو: \(6.022\cdot10^{23}\)
8.1 تضمحل ذرة من \(\ce{^{238}U}\) عبر سلسلة من اضمحلالات \(\alpha\) واضمحلالات \(\beta^-\) حتى تتحول إلى \(\ce{^{206}Pb}\)، وهو مستقر.
i) كم عدد اضمحلالات \(\alpha\) واضمحلالات \(\beta^-\) التي تمر بها ذرة تبدأ على هيئة \(\ce{^{238}U}\) قبل أن تصبح مستقرة؟
ii) تتكوّن إحدى النويدات العشر التالية عبر سلسلة من الاضمحلالات تبدأ من \(\ce{^{238}U}\). أيّها هي؟
\(\ce{^{235}U}\)، \(\ce{^{234}U}\)، \(\ce{^{228}Ac}\)، \(\ce{^{224}Ra}\)، \(\ce{^{224}Rn}\)، \(\ce{^{220}Rn}\)، \(\ce{^{215}Po}\)، \(\ce{^{212}Po}\)، \(\ce{^{212}Pb}\)، \(\ce{^{211}Pb}\).
8.2 في عملية انشطار مستحثة بنيوترون حراري، يتفاعل \(\ce{^{235}U}\) مع نيوترون وينشطر إلى شظايا ذات طاقة عالية و2-3 نيوترونات جديدة (عادةً).
ننظر في حدث انشطار واحد:

حدّد الشظية X.
8.3 عمر النصف لـ \(\ce{^{238}U}\) هو \(4.5\times10^9\) سنة، وعمر النصف لـ \(\ce{^{235}U}\) هو \(7.0\times10^8\) سنة. يتكوّن اليورانيوم الطبيعي من 99.28 % من \(\ce{^{238}U}\) و0.72 % من \(\ce{^{235}U}\).
i) احسب النسبة بين معدّلي اضمحلال هذين النظيرين لليورانيوم في U الطبيعي.
ii) يحتوي معدن على يورانيوم بنسبة 50 بالمئة وزناً. احسب معدّل اضمحلال \(\ce{^{238}U}\) في 1.0 kg من هذا المعدن.
8.4 لدينا سلسلة الاضمحلال الإشعاعي التالية:

أعمار النصف: \(\ce{^{97}Ru}\): 2.7 يوم؛ \(\ce{^{97}Tc}\): \(2.6\times10^6\) سنة
عند \(t=0\)، يكون معدّل اضمحلال مصدر مشع يحتوي فقط على \(\ce{^{97}Ru}\) مساوياً لـ \(1.0\times10^9\) Bq.
i) ما معدّل الاضمحلال الكلي للمصدر عند \(t=6.0\) أيام؟
ii) ما معدّل الاضمحلال الكلي للمصدر عند \(t=6000\) سنة؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 8.1(i): \(8\) اضمحلالات \(\alpha\) و\(6\) اضمحلالات \(\beta^-\).
- 8.1(ii): اليورانيوم-234، \(\ce{^{234}U}\).
- 8.2: الزركونيوم-97، \(\ce{^{97}_{40}Zr}\).
- 8.3(i): \(R_{238}/R_{235}\approx21\)، أو نحو \(21:1\).
- 8.3(ii): \(R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(i): \(R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days})=2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}\).
- 8.4(ii): \(R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}\).
الحل
8.1(i)
يُنقص اضمحلال \(\alpha\) العدد الكتلي بمقدار \(4\) والعدد الذري بمقدار \(2\). أما اضمحلال \(\beta^-\) فيُبقي العدد الكتلي دون تغيير ويزيد العدد الذري بمقدار \(1\).
ومن ثم فإن عدد اضمحلالات \(\alpha\) هو
\[ n_\alpha=\frac{238-206}{4}=\boxed{8}. \]
العدد الذري لليورانيوم هو \(92\)، والعدد الذري للرصاص هو \(82\). لذلك،
\[ 92-2n_\alpha+n_{\beta^-}=82, \]
مما يعطي
\[ n_{\beta^-}=82-92+16=\boxed{6}. \]
المعادلة النووية الصافية هي
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{206}_{82}Pb + 8 ^{4}_{2}He + 6 ^{0}_{-1}e} +6\bar{\nu}_e, \]
حيث يرمز \(\bar{\nu}_e\) إلى ضديد النيوترينو الإلكتروني المنبعث في كل اضمحلال \(\beta^-\).
8.1(ii)
بعد أي عدد \(k\) من اضمحلالات \(\alpha\)، يجب أن يكون العدد الكتلي
\[ A=238-4k. \]
بما أن اضمحلال \(\beta^-\) لا يغيّر \(A\)، فإن كل نويدة في سلسلة الاضمحلال هذه تحقق \(A\equiv2\pmod4\). ومن بين النويدات العشر المذكورة، تحقق \(\ce{^{234}U}\) وحدها هذا الشرط.
وتنتج عبر السلسلة
\[ \ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}, \]
\[ \ce{^{234}_{90}Th -> ^{234}_{91}Pa + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e, \]
\[ \ce{^{234}_{91}Pa -> ^{234}_{92}U + ^{0}_{-1}e} +\bar{\nu}_e. \]
إذن الإجابة هي اليورانيوم-234، \(\ce{^{234}U}\).
8.2
من حفظ العدد الكتلي نحصل على
\[ 235+1=137+A_X+2, \]
ومن ثم
\[ A_X=97. \]
العدد الذري للتيلوريوم هو \(52\). ومن حفظ الشحنة النووية نحصل على
\[ 92=52+Z_X, \qquad Z_X=40. \]
العنصر ذو العدد الذري \(40\) هو الزركونيوم. إذن \(X\) هو الزركونيوم-97، ومعادلة الانشطار الموزونة هي
\[ \boxed{\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{137}_{52}Te + ^{97}_{40}Zr + 2 ^{1}_{0}n}}. \]
8.3(i)
معدّل اضمحلال نظير مشع، أو نشاطه الإشعاعي، هو
\[ R=\lambda N=\frac{\ln2}{T_{1/2}}N. \]
باعتبار الوفرات النظيرية المعطاة كسوراً ذرية،
\[ \frac{R_{238}}{R_{235}} = \frac{N_{238}}{N_{235}} \frac{T_{1/2,235}}{T_{1/2,238}} = \frac{0.9928}{0.0072} \frac{7.0\times10^8}{4.5\times10^9} =21.45. \]
لذلك،
\[ \boxed{R_{238}:R_{235}\approx21:1}. \]
8.3(ii)
كتلة اليورانيوم في المعدن هي
\[ m_U=(1.0\,\mathrm{kg})(0.50)=0.50\,\mathrm{kg}=500\,\mathrm{g}. \]
بتقريب الكتل المولية للنظائر إلى أعدادها الكتلية، يكون متوسط الكتلة المولية لهذا اليورانيوم
\[ \overline M_U = [0.9928(238)+0.0072(235)]\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
وبالتالي فإن عدد ذرات \(\ce{^{238}U}\) هو
\[ N_{238} = 0.9928\, \frac{500\,\mathrm{g}}{237.9784\,\mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}) = 1.2561\times10^{24}. \]
باستخدام \(1\,\mathrm{year}=365\times24\times3600\,\mathrm{s}\)،
\[ R_{238} = \frac{(\ln2)(1.2561\times10^{24})} {(4.5\times10^9)(365)(24)(3600)\,\mathrm{s}} = 6.1354\times10^6\,\mathrm{s^{-1}}. \]
بما أن \(1\,\mathrm{Bq}=1\,\mathrm{s^{-1}}\)،
\[ \boxed{R_{238}=6.1\times10^6\,\mathrm{Bq}}. \]
هذا هو النشاط الإشعاعي لـ \(\ce{^{238}U}\) نفسه.
8.4 — معادلات الاضمحلال المستخدمة في كلا الجزأين
لتكن \(\lambda_R\) و\(\lambda_T\) ثابتَي اضمحلال \(\ce{^{97}Ru}\) و\(\ce{^{97}Tc}\)، على الترتيب:
\[ \lambda_R = \frac{\ln2}{2.7(86400)\,\mathrm{s}} = 2.9713\times10^{-6}\,\mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda_T = \frac{\ln2}{(2.6\times10^6)(365)(86400)\,\mathrm{s}} = 8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}. \]
يقابل النشاط الإشعاعي الابتدائي \(R_0=1.0\times10^9\,\mathrm{Bq}\) عدداً قدره
\[ N_0=\frac{R_0}{\lambda_R}=3.3655\times10^{14} \]
من ذرات الروثينيوم.
يخضع عدد أنوية النظير الأم وعدد أنوية النظير الوليد للمعادلتين
\[ \frac{dN_R}{dt}=-\lambda_RN_R, \qquad \frac{dN_T}{dt}=\lambda_RN_R-\lambda_TN_T. \]
مع \(N_R(0)=N_0\) و\(N_T(0)=0\)، يكون نشاطاهما الإشعاعيان
\[ R_R(t)=R_0e^{-\lambda_Rt}, \]
\[ R_T(t)= R_0\frac{\lambda_T}{\lambda_R-\lambda_T} \left(e^{-\lambda_Tt}-e^{-\lambda_Rt}\right). \]
لأن \(\ce{^{97}Mo}\) مستقر،
\[ R_{\mathrm{total}}(t)=R_R(t)+R_T(t). \]
8.4(i)
بعد \(6.0\) أيام، يكون النشاط الإشعاعي للروثينيوم
\[ R_R = (1.0\times10^9)\,2^{-6.0/2.7} = 2.1431\times10^8\,\mathrm{Bq}. \]
أما النشاط الإشعاعي للنظير الوليد المحسوب من التعبير أعلاه، فلا يتجاوز
\[ R_T=2.2354\,\mathrm{Bq}. \]
ويمكن إهماله عند مستوى دقة المعطيات المقدمة. ومن ثم
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6.0\,\mathrm{days}) =2.1\times10^8\,\mathrm{Bq}}. \]
8.4(ii)
بعد \(6000\) سنة، يكون الروثينيوم الأصلي قد اضمحل كله تقريباً. وبما أن اضمحلاله لم يستغرق سوى بضعة أيام، فإن عدد ذرات التكنيتيوم يُعطى، بدقة ممتازة، بالعلاقة
\[ N_T(t)\simeq N_0\,2^{-t/T_{1/2,T}}. \]
والكسر المتبقي منه هو
\[ 2^{-6000/(2.6\times10^6)}=0.99840. \]
لذلك،
\[ \begin{aligned} R_{\mathrm{total}} &\simeq \lambda_TN_0\,2^{-6000/(2.6\times10^6)}\\ &=(8.4537\times10^{-15}\,\mathrm{s^{-1}}) (3.3655\times10^{14})(0.99840)\\ &=2.8406\,\mathrm{Bq}. \end{aligned} \]
إذن
\[ \boxed{R_{\mathrm{total}}(6000\,\mathrm{years})=2.8\,\mathrm{Bq}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.