IChO 1999 · Theory problem 3
The thorium decay series
One of naturally occurring radioactive decay series begins with \(\ce{^{232}_{90}Th}\) and ends with a stable \(\ce{^{208}_{82}Pb}\).
3.1 How many beta (\(\beta^-\)) decays are there in this series? Show by calculation.
3.2 How much energy in MeV is released in the complete chain?
3.3 Calculate the rate of production of energy (power) in watts (\(1\ \mathrm{W}=\mathrm{J\,s^{-1}}\)) produced by 1.00 kilogram of \(\ce{^{232}Th}\) (\(t_{½}=1.40\times10^{10}\) years).
3.4 \(\ce{^{228}Th}\) is a member of the thorium series. What volume in \(\mathrm{cm^3}\) of helium at \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) and 1 atm collected when 1.00 gram of \(\ce{^{228}Th}\) (\(t_{1/2}=1.91\) years) is stored in a container for 20.0 years. The half-lives of all intermediate nuclides are short compared to the half-life of \(\ce{^{228}Th}\).
3.5 One member of thorium series, after isolation, is found to contain \(1.50\times10^{10}\) atoms of the nuclide and decays at the rate of 3440 disintegrations per minute. What is the half-life in years?
The necessary atomic masses are :
\[ \ce{^{4}_{2}He}=4.00260\ \mathrm{u},\quad \ce{^{208}_{82}Pb}=207.97664\ \mathrm{u},\quad \ce{^{232}_{90}Th}=232.03805\ \mathrm{u}; \quad\text{and }1\mathrm{u}=931.5\ \mathrm{MeV} \]
\[ 1\ \mathrm{MeV}=1.602\times10^{-13}\ \mathrm{J} \]
\[ N_A=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}} \]
The molar volume of an ideal gas at \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) and 1 atm is \(22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}\).
Official English text of the problem.
Answers
- 3.1: \(4\) beta-minus decays.
- 3.2: \(42.67\ \mathrm{MeV}\) per complete decay chain.
- 3.3: \(2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}\), assuming secular equilibrium of the complete chain.
- 3.4: \(4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}\) of helium.
- 3.5: \(5.75\ \mathrm{years}\).
Solution
3.1
An alpha decay decreases the mass number by 4 and the atomic number by 2. A beta-minus decay leaves the mass number unchanged and increases the atomic number by 1.
Let \(a\) and \(b\) be the numbers of alpha and beta-minus decays, respectively. Conservation of mass number gives
\[ 232=208+4a \quad\Longrightarrow\quad a=6. \]
The atomic-number change therefore satisfies
\[ 82=90-2(6)+b \quad\Longrightarrow\quad \boxed{b=4}. \]
The overall nuclear equation is
\[ \ce{^{232}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 6 ^{4}_{2}He + 4 ^{0}_{-1}e} +4\bar{\nu}_e, \]
where \(\bar{\nu}_e\) denotes an electron antineutrino.
3.2
Using the given neutral-atom masses, the mass defect is
\[ \begin{aligned} \Delta m &=M(\ce{^{232}Th})-M(\ce{^{208}Pb})-6M(\ce{^{4}He})\\ &=232.03805-207.97664-6(4.00260)\\ &=0.04581\ \mathrm{u}. \end{aligned} \]
No separate beta-electron mass term is needed: the electron masses cancel when the nuclear mass balance is expressed using neutral-atom masses.
Consequently,
\[ Q=\Delta m c^2 =(0.04581\ \mathrm{u}) (931.5\ \mathrm{MeV\,u^{-1}}) =\boxed{42.67\ \mathrm{MeV}}. \]
In joules, retaining guard digits,
\[ Q=(42.672015)(1.602\times10^{-13}) =6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J}. \]
3.3
Using the full-chain energy assumes that the daughter nuclides are in secular equilibrium: the number of completed chains per second then equals the activity of the thorium-232.
The number of thorium-232 atoms is
\[ N= \frac{1000\ \mathrm{g}}{232.03805\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) =2.59526\times10^{24}. \]
Taking one year as 365 days,
\[ t_{1/2} =(1.40\times10^{10})(365)(24)(3600) =4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}. \]
The decay constant and activity are
\[ \lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}, \]
\[ A=\lambda N =\frac{(\ln2)(2.59526\times10^{24})} {4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}} =4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}. \]
Thus the total rate of nuclear energy release is
\[ \begin{aligned} P&=AQ\\ &=(4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}) (6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J})\\ &=\boxed{2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}}. \end{aligned} \]
3.4
The decrease in mass number from 228 to 208 requires
\[ a=\frac{228-208}{4}=5 \]
alpha decays per completed chain. Atomic-number balance also gives two beta-minus decays, so the overall nuclear equation is
\[ \ce{^{228}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 5 ^{4}_{2}He + 2 ^{0}_{-1}e} +2\bar{\nu}_e. \]
Each alpha particle ultimately becomes one helium-4 atom, \(\ce{^{4}He}\), SMILES [4He]. Thus each completed chain produces five helium atoms.
The fraction of thorium-228 that decays during 20.0 years is
\[ f=1-\exp(-\lambda t) =1-2^{-t/t_{1/2}} =1-2^{-20.0/1.91} =0.9992955. \]
Because the intermediate half-lives are short, we approximate each decayed thorium-228 atom as having completed its chain. Using \(M(\ce{^{228}Th})\approx228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ n_{\mathrm{He}} =5\left(\frac{1.00\ \mathrm{g}} {228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right)(0.9992955) =0.0219144\ \mathrm{mol}. \]
At the specified temperature and pressure,
\[ \begin{aligned} V_{\mathrm{He}} &=(0.0219144\ \mathrm{mol}) (22.4\times10^3\ \mathrm{cm^3\,mol^{-1}})\\ &=490.882\ \mathrm{cm^3}\\ &=\boxed{4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}}. \end{aligned} \]
3.5
For an isolated radionuclide, the activity is \(A=\lambda N\). Therefore,
\[ t_{1/2}=\frac{\ln2}{\lambda} =\frac{N\ln2}{A}. \]
Substitution gives
\[ t_{1/2} =\frac{(1.50\times10^{10})(\ln2)} {3440\ \mathrm{min^{-1}}} =3.02244\times10^6\ \mathrm{min}. \]
Converting to years,
\[ t_{1/2} =\frac{3.02244\times10^6} {60\times24\times365}\ \mathrm{years} =\boxed{5.75\ \mathrm{years}}. \]
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IChO 1999 · Theorieaufgabe 3
Die Thorium-Zerfallsreihe
Eine der natürlich vorkommenden radioaktiven Zerfallsreihen beginnt mit \(\ce{^{232}_{90}Th}\) und endet mit stabilem \(\ce{^{208}_{82}Pb}\).
3.1 Wie viele Beta-Zerfälle (\(\beta^-\)) treten in dieser Reihe auf? Zeigen Sie dies durch eine Rechnung.
3.2 Wie viel Energie wird in der vollständigen Zerfallskette in MeV freigesetzt?
3.3 Berechnen Sie die pro Zeiteinheit freigesetzte Energie (Leistung) in Watt (\(1\ \mathrm{W}=\mathrm{J\,s^{-1}}\)), die von 1.00 Kilogramm \(\ce{^{232}Th}\) (\(t_{½}=1.40\times10^{10}\) Jahre) erzeugt wird.
3.4 \(\ce{^{228}Th}\) ist ein Glied der Thorium-Zerfallsreihe. Welches Volumen an Helium in \(\mathrm{cm^3}\), gemessen bei \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) und 1 atm, wird aufgefangen, wenn 1.00 Gramm \(\ce{^{228}Th}\) (\(t_{1/2}=1.91\) Jahre) 20.0 Jahre lang in einem Behälter aufbewahrt wird? Die Halbwertszeiten aller Zwischennuklide sind im Vergleich zur Halbwertszeit von \(\ce{^{228}Th}\) kurz.
3.5 Bei einem Glied der Thorium-Zerfallsreihe wird nach seiner Isolierung festgestellt, dass es \(1.50\times10^{10}\) Atome des Nuklids enthält und mit einer Rate von 3440 Zerfällen pro Minute zerfällt. Wie groß ist die Halbwertszeit in Jahren?
Die benötigten Atommassen sind:
\[ \ce{^{4}_{2}He}=4.00260\ \mathrm{u},\quad \ce{^{208}_{82}Pb}=207.97664\ \mathrm{u},\quad \ce{^{232}_{90}Th}=232.03805\ \mathrm{u}; \quad\text{und }1\mathrm{u}=931.5\ \mathrm{MeV} \]
\[ 1\ \mathrm{MeV}=1.602\times10^{-13}\ \mathrm{J} \]
\[ N_A=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}} \]
Das molare Volumen eines idealen Gases bei \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) und 1 atm beträgt \(22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 3.1: \(4\) Beta-minus-Zerfälle.
- 3.2: \(42.67\ \mathrm{MeV}\) pro vollständiger Zerfallskette.
- 3.3: \(2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}\), unter der Annahme eines säkularen Gleichgewichts der vollständigen Zerfallskette.
- 3.4: \(4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}\) Helium.
- 3.5: \(5.75\ \mathrm{years}\).
Lösung
3.1
Bei einem Alpha-Zerfall nimmt die Massenzahl um 4 und die Ordnungszahl um 2 ab. Bei einem Beta-minus-Zerfall bleibt die Massenzahl unverändert, während die Ordnungszahl um 1 zunimmt.
Es seien \(a\) und \(b\) die Anzahlen der Alpha- bzw. Beta-minus-Zerfälle. Aus der Erhaltung der Massenzahl folgt
\[ 232=208+4a \quad\Longrightarrow\quad a=6. \]
Für die Änderung der Ordnungszahl gilt daher
\[ 82=90-2(6)+b \quad\Longrightarrow\quad \boxed{b=4}. \]
Die Gesamtgleichung der Kernumwandlung lautet
\[ \ce{^{232}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 6 ^{4}_{2}He + 4 ^{0}_{-1}e} +4\bar{\nu}_e, \]
wobei \(\bar{\nu}_e\) ein Elektron-Antineutrino bezeichnet.
3.2
Mit den angegebenen Massen neutraler Atome ergibt sich der Massendefekt zu
\[ \begin{aligned} \Delta m &=M(\ce{^{232}Th})-M(\ce{^{208}Pb})-6M(\ce{^{4}He})\\ &=232.03805-207.97664-6(4.00260)\\ &=0.04581\ \mathrm{u}. \end{aligned} \]
Ein gesonderter Term für die Masse der Beta-Elektronen ist nicht erforderlich: Die Elektronenmassen heben sich auf, wenn die Massenbilanz der Kernumwandlung mithilfe der Massen neutraler Atome formuliert wird.
Somit gilt
\[ Q=\Delta m c^2 =(0.04581\ \mathrm{u}) (931.5\ \mathrm{MeV\,u^{-1}}) =\boxed{42.67\ \mathrm{MeV}}. \]
In Joule ergibt sich unter Beibehaltung zusätzlicher Stellen zur Vermeidung von Rundungsfehlern
\[ Q=(42.672015)(1.602\times10^{-13}) =6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J}. \]
3.3
Die Verwendung der Energie der vollständigen Zerfallskette setzt voraus, dass sich die Tochternuklide im säkularen Gleichgewicht befinden: Die Anzahl der pro Sekunde abgeschlossenen Zerfallsketten ist dann gleich der Aktivität des Thorium-232.
Die Anzahl der Thorium-232-Atome beträgt
\[ N= \frac{1000\ \mathrm{g}}{232.03805\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) =2.59526\times10^{24}. \]
Mit 365 Tagen pro Jahr ergibt sich
\[ t_{1/2} =(1.40\times10^{10})(365)(24)(3600) =4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}. \]
Die Zerfallskonstante und die Aktivität sind
\[ \lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}, \]
\[ A=\lambda N =\frac{(\ln2)(2.59526\times10^{24})} {4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}} =4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}. \]
Damit beträgt die gesamte pro Zeiteinheit freigesetzte Kernenergie
\[ \begin{aligned} P&=AQ\\ &=(4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}) (6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J})\\ &=\boxed{2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}}. \end{aligned} \]
3.4
Die Abnahme der Massenzahl von 228 auf 208 erfordert
\[ a=\frac{228-208}{4}=5 \]
Alpha-Zerfälle pro abgeschlossener Zerfallskette. Aus der Bilanz der Ordnungszahlen ergeben sich außerdem zwei Beta-minus-Zerfälle, sodass die Gesamtgleichung der Kernumwandlung lautet:
\[ \ce{^{228}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 5 ^{4}_{2}He + 2 ^{0}_{-1}e} +2\bar{\nu}_e. \]
Aus jedem Alpha-Teilchen wird schließlich ein Helium-4-Atom, \(\ce{^{4}He}\), SMILES [4He]. Somit entstehen bei jeder abgeschlossenen Zerfallskette fünf Heliumatome.
Der Anteil des Thorium-228, der innerhalb von 20.0 Jahren zerfällt, beträgt
\[ f=1-\exp(-\lambda t) =1-2^{-t/t_{1/2}} =1-2^{-20.0/1.91} =0.9992955. \]
Da die Halbwertszeiten der Zwischennuklide kurz sind, nehmen wir näherungsweise an, dass bei jedem zerfallenen Thorium-228-Atom die gesamte Zerfallskette abgeschlossen ist. Mit \(M(\ce{^{228}Th})\approx228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ergibt sich
\[ n_{\mathrm{He}} =5\left(\frac{1.00\ \mathrm{g}} {228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right)(0.9992955) =0.0219144\ \mathrm{mol}. \]
Bei der angegebenen Temperatur und dem angegebenen Druck gilt
\[ \begin{aligned} V_{\mathrm{He}} &=(0.0219144\ \mathrm{mol}) (22.4\times10^3\ \mathrm{cm^3\,mol^{-1}})\\ &=490.882\ \mathrm{cm^3}\\ &=\boxed{4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}}. \end{aligned} \]
3.5
Für ein isoliertes Radionuklid beträgt die Aktivität \(A=\lambda N\). Daher gilt
\[ t_{1/2}=\frac{\ln2}{\lambda} =\frac{N\ln2}{A}. \]
Einsetzen ergibt
\[ t_{1/2} =\frac{(1.50\times10^{10})(\ln2)} {3440\ \mathrm{min^{-1}}} =3.02244\times10^6\ \mathrm{min}. \]
Die Umrechnung in Jahre ergibt
\[ t_{1/2} =\frac{3.02244\times10^6} {60\times24\times365}\ \mathrm{years} =\boxed{5.75\ \mathrm{years}}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IChO 1999 · Teori sorusu 3
Toryum bozunma serisi
Doğada bulunan radyoaktif bozunma serilerinden biri \(\ce{^{232}_{90}Th}\) ile başlar ve kararlı \(\ce{^{208}_{82}Pb}\) ile sona erer.
3.1 Bu seride kaç beta (\(\beta^-\)) bozunması vardır? Hesaplayarak gösteriniz.
3.2 Zincirin tamamında MeV cinsinden ne kadar enerji açığa çıkar?
3.3 1.00 kilogram \(\ce{^{232}Th}\) (\(t_{½}=1.40\times10^{10}\) yıl) tarafından üretilen enerjinin üretim hızını (gücü) watt (\(1\ \mathrm{W}=\mathrm{J\,s^{-1}}\)) cinsinden hesaplayınız.
3.4 \(\ce{^{228}Th}\), toryum serisinin bir üyesidir. 1.00 gram \(\ce{^{228}Th}\) (\(t_{1/2}=1.91\) yıl) bir kapta 20.0 yıl boyunca saklandığında toplanan helyumun \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) ve 1 atm'deki hacmi \(\mathrm{cm^3}\) cinsinden ne kadardır? Tüm ara nüklitlerin yarı ömürleri, \(\ce{^{228}Th}\)'nin yarı ömrüne kıyasla kısadır.
3.5 Toryum serisinin bir üyesi izole edildikten sonra, bu nüklidin \(1.50\times10^{10}\) atomunu içerdiği ve dakikada 3440 parçalanma hızıyla bozunduğu belirlenmiştir. Yarı ömrü yıl cinsinden ne kadardır?
Gerekli atom kütleleri şunlardır:
\[ \ce{^{4}_{2}He}=4.00260\ \mathrm{u},\quad \ce{^{208}_{82}Pb}=207.97664\ \mathrm{u},\quad \ce{^{232}_{90}Th}=232.03805\ \mathrm{u}; \quad\text{ve }1\mathrm{u}=931.5\ \mathrm{MeV} \]
\[ 1\ \mathrm{MeV}=1.602\times10^{-13}\ \mathrm{J} \]
\[ N_A=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}} \]
İdeal bir gazın \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) ve 1 atm'deki molar hacmi \(22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}\)'dir.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 3.1: \(4\) beta eksi bozunması.
- 3.2: Tamamlanan her bozunma zinciri başına \(42.67\ \mathrm{MeV}\).
- 3.3: Zincirin tamamının seküler dengede olduğu varsayımıyla \(2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}\).
- 3.4: \(4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}\) helyum.
- 3.5: \(5.75\ \mathrm{years}\).
Çözüm
3.1
Alfa bozunması kütle numarasını 4, atom numarasını ise 2 azaltır. Beta eksi bozunması kütle numarasını değiştirmez ve atom numarasını 1 artırır.
Alfa ve beta eksi bozunmalarının sayıları sırasıyla \(a\) ve \(b\) olsun. Kütle numarasının korunumundan şu sonuç elde edilir:
\[ 232=208+4a \quad\Longrightarrow\quad a=6. \]
Dolayısıyla atom numarasındaki değişim şu bağıntıyı sağlar:
\[ 82=90-2(6)+b \quad\Longrightarrow\quad \boxed{b=4}. \]
Toplam çekirdek tepkimesi denklemi şöyledir:
\[ \ce{^{232}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 6 ^{4}_{2}He + 4 ^{0}_{-1}e} +4\bar{\nu}_e, \]
burada \(\bar{\nu}_e\) bir elektron antinötrinosunu gösterir.
3.2
Verilen nötr atom kütleleri kullanıldığında kütle eksikliği şöyledir:
\[ \begin{aligned} \Delta m &=M(\ce{^{232}Th})-M(\ce{^{208}Pb})-6M(\ce{^{4}He})\\ &=232.03805-207.97664-6(4.00260)\\ &=0.04581\ \mathrm{u}. \end{aligned} \]
Beta elektronunun kütlesi için ayrı bir terime gerek yoktur: çekirdek tepkimesinin kütle bilançosu nötr atom kütleleriyle ifade edildiğinde elektron kütleleri birbirini götürür.
Sonuç olarak,
\[ Q=\Delta m c^2 =(0.04581\ \mathrm{u}) (931.5\ \mathrm{MeV\,u^{-1}}) =\boxed{42.67\ \mathrm{MeV}}. \]
Yuvarlama hatasını önlemek için ek basamaklar korunarak joule cinsinden,
\[ Q=(42.672015)(1.602\times10^{-13}) =6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J}. \]
3.3
Zincirin tamamında açığa çıkan enerjinin kullanılması, yavru nüklitlerin seküler dengede olduğunu varsayar: bu durumda saniyede tamamlanan zincir sayısı toryum-232'nin aktivitesine eşittir.
Toryum-232 atomlarının sayısı şöyledir:
\[ N= \frac{1000\ \mathrm{g}}{232.03805\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) =2.59526\times10^{24}. \]
Bir yıl 365 gün olarak alındığında,
\[ t_{1/2} =(1.40\times10^{10})(365)(24)(3600) =4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}. \]
Bozunma sabiti ve aktivite şöyledir:
\[ \lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}, \]
\[ A=\lambda N =\frac{(\ln2)(2.59526\times10^{24})} {4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}} =4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}. \]
Böylece nükleer enerjinin toplam açığa çıkma hızı şöyledir:
\[ \begin{aligned} P&=AQ\\ &=(4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}) (6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J})\\ &=\boxed{2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}}. \end{aligned} \]
3.4
Kütle numarasının 228'den 208'e düşmesi, tamamlanan her zincir başına
\[ a=\frac{228-208}{4}=5 \]
alfa bozunması gerektirir. Atom numarası bilançosu ayrıca iki beta eksi bozunması olduğunu gösterir; dolayısıyla toplam çekirdek tepkimesi denklemi şöyledir:
\[ \ce{^{228}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 5 ^{4}_{2}He + 2 ^{0}_{-1}e} +2\bar{\nu}_e. \]
Her alfa parçacığı sonunda bir helyum-4 atomuna, \(\ce{^{4}He}\), SMILES [4He], dönüşür. Dolayısıyla tamamlanan her zincir beş helyum atomu üretir.
Toryum-228'in 20.0 yıl boyunca bozunan kesri şöyledir:
\[ f=1-\exp(-\lambda t) =1-2^{-t/t_{1/2}} =1-2^{-20.0/1.91} =0.9992955. \]
Ara nüklitlerin yarı ömürleri kısa olduğundan, bozunan her toryum-228 atomunun zincirini tamamladığını yaklaşık olarak kabul ederiz. \(M(\ce{^{228}Th})\approx228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) kullanıldığında,
\[ n_{\mathrm{He}} =5\left(\frac{1.00\ \mathrm{g}} {228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right)(0.9992955) =0.0219144\ \mathrm{mol}. \]
Belirtilen sıcaklık ve basınçta,
\[ \begin{aligned} V_{\mathrm{He}} &=(0.0219144\ \mathrm{mol}) (22.4\times10^3\ \mathrm{cm^3\,mol^{-1}})\\ &=490.882\ \mathrm{cm^3}\\ &=\boxed{4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}}. \end{aligned} \]
3.5
İzole edilmiş bir radyonüklidin aktivitesi \(A=\lambda N\) olur. Dolayısıyla,
\[ t_{1/2}=\frac{\ln2}{\lambda} =\frac{N\ln2}{A}. \]
Değerler yerine konulduğunda,
\[ t_{1/2} =\frac{(1.50\times10^{10})(\ln2)} {3440\ \mathrm{min^{-1}}} =3.02244\times10^6\ \mathrm{min}. \]
Yıla dönüştürüldüğünde,
\[ t_{1/2} =\frac{3.02244\times10^6} {60\times24\times365}\ \mathrm{years} =\boxed{5.75\ \mathrm{years}}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1999 · Problema teórico 3
La serie de desintegración del torio
Una de las series naturales de desintegración radiactiva comienza con \(\ce{^{232}_{90}Th}\) y termina con \(\ce{^{208}_{82}Pb}\) estable.
3.1 ¿Cuántas desintegraciones beta (\(\beta^-\)) hay en esta serie? Demuéstrelo mediante un cálculo.
3.2 ¿Cuánta energía, en MeV, se libera en la cadena completa?
3.3 Calcule la tasa de producción de energía (potencia), en vatios (\(1\ \mathrm{W}=\mathrm{J\,s^{-1}}\)), producida por 1.00 kilogramo de \(\ce{^{232}Th}\) (\(t_{½}=1.40\times10^{10}\) años).
3.4 El \(\ce{^{228}Th}\) es un miembro de la serie del torio. ¿Qué volumen de helio, en \(\mathrm{cm^3}\), a \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) y 1 atm se recoge cuando se almacena 1.00 gramo de \(\ce{^{228}Th}\) (\(t_{1/2}=1.91\) años) en un recipiente durante 20.0 años? Los períodos de semidesintegración de todos los nucleidos intermedios son cortos en comparación con el período de semidesintegración del \(\ce{^{228}Th}\).
3.5 Se determina que uno de los miembros de la serie del torio, tras su aislamiento, contiene \(1.50\times10^{10}\) átomos del nucleido y se desintegra a una tasa de 3440 desintegraciones por minuto. ¿Cuál es su período de semidesintegración en años?
Las masas atómicas necesarias son:
\[ \ce{^{4}_{2}He}=4.00260\ \mathrm{u},\quad \ce{^{208}_{82}Pb}=207.97664\ \mathrm{u},\quad \ce{^{232}_{90}Th}=232.03805\ \mathrm{u}; \quad\text{y }1\mathrm{u}=931.5\ \mathrm{MeV} \]
\[ 1\ \mathrm{MeV}=1.602\times10^{-13}\ \mathrm{J} \]
\[ N_A=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}} \]
El volumen molar de un gas ideal a \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) y 1 atm es \(22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 3.1: \(4\) desintegraciones beta menos.
- 3.2: \(42.67\ \mathrm{MeV}\) por cadena de desintegración completa.
- 3.3: \(2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}\), suponiendo el equilibrio secular de la cadena completa.
- 3.4: \(4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}\) de helio.
- 3.5: \(5.75\ \mathrm{years}\).
Solución
3.1
Una desintegración alfa disminuye el número másico en 4 y el número atómico en 2. Una desintegración beta menos mantiene invariable el número másico y aumenta el número atómico en 1.
Sean \(a\) y \(b\) los números de desintegraciones alfa y beta menos, respectivamente. La conservación del número másico da
\[ 232=208+4a \quad\Longrightarrow\quad a=6. \]
Por tanto, la variación del número atómico satisface
\[ 82=90-2(6)+b \quad\Longrightarrow\quad \boxed{b=4}. \]
La ecuación nuclear global es
\[ \ce{^{232}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 6 ^{4}_{2}He + 4 ^{0}_{-1}e} +4\bar{\nu}_e, \]
donde \(\bar{\nu}_e\) representa un antineutrino electrónico.
3.2
Utilizando las masas dadas de los átomos neutros, el defecto de masa es
\[ \begin{aligned} \Delta m &=M(\ce{^{232}Th})-M(\ce{^{208}Pb})-6M(\ce{^{4}He})\\ &=232.03805-207.97664-6(4.00260)\\ &=0.04581\ \mathrm{u}. \end{aligned} \]
No se necesita un término separado para la masa de los electrones beta: las masas de los electrones se cancelan cuando el balance de masa nuclear se expresa utilizando las masas de los átomos neutros.
En consecuencia,
\[ Q=\Delta m c^2 =(0.04581\ \mathrm{u}) (931.5\ \mathrm{MeV\,u^{-1}}) =\boxed{42.67\ \mathrm{MeV}}. \]
En julios, conservando cifras adicionales para evitar errores de redondeo,
\[ Q=(42.672015)(1.602\times10^{-13}) =6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J}. \]
3.3
Utilizar la energía de la cadena completa supone que los nucleidos descendientes se encuentran en equilibrio secular: el número de cadenas completadas por segundo es entonces igual a la actividad del torio-232.
El número de átomos de torio-232 es
\[ N= \frac{1000\ \mathrm{g}}{232.03805\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) =2.59526\times10^{24}. \]
Tomando un año como 365 días,
\[ t_{1/2} =(1.40\times10^{10})(365)(24)(3600) =4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}. \]
La constante de desintegración y la actividad son
\[ \lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}, \]
\[ A=\lambda N =\frac{(\ln2)(2.59526\times10^{24})} {4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}} =4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}. \]
Por tanto, la tasa total de liberación de energía nuclear es
\[ \begin{aligned} P&=AQ\\ &=(4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}) (6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J})\\ &=\boxed{2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}}. \end{aligned} \]
3.4
La disminución del número másico de 228 a 208 requiere
\[ a=\frac{228-208}{4}=5 \]
desintegraciones alfa por cadena completada. El balance del número atómico también da dos desintegraciones beta menos, por lo que la ecuación nuclear global es
\[ \ce{^{228}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 5 ^{4}_{2}He + 2 ^{0}_{-1}e} +2\bar{\nu}_e. \]
Cada partícula alfa acaba convirtiéndose en un átomo de helio-4, \(\ce{^{4}He}\), SMILES [4He]. Así, cada cadena completada produce cinco átomos de helio.
La fracción de torio-228 que se desintegra durante 20.0 años es
\[ f=1-\exp(-\lambda t) =1-2^{-t/t_{1/2}} =1-2^{-20.0/1.91} =0.9992955. \]
Dado que los períodos de semidesintegración de los nucleidos intermedios son cortos, suponemos, como aproximación, que cada átomo de torio-228 que se ha desintegrado ha completado su cadena. Utilizando \(M(\ce{^{228}Th})\approx228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ n_{\mathrm{He}} =5\left(\frac{1.00\ \mathrm{g}} {228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right)(0.9992955) =0.0219144\ \mathrm{mol}. \]
A la temperatura y la presión especificadas,
\[ \begin{aligned} V_{\mathrm{He}} &=(0.0219144\ \mathrm{mol}) (22.4\times10^3\ \mathrm{cm^3\,mol^{-1}})\\ &=490.882\ \mathrm{cm^3}\\ &=\boxed{4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}}. \end{aligned} \]
3.5
Para un radionucleido aislado, la actividad es \(A=\lambda N\). Por tanto,
\[ t_{1/2}=\frac{\ln2}{\lambda} =\frac{N\ln2}{A}. \]
La sustitución da
\[ t_{1/2} =\frac{(1.50\times10^{10})(\ln2)} {3440\ \mathrm{min^{-1}}} =3.02244\times10^6\ \mathrm{min}. \]
Convirtiendo a años,
\[ t_{1/2} =\frac{3.02244\times10^6} {60\times24\times365}\ \mathrm{years} =\boxed{5.75\ \mathrm{years}}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IChO 1999 · 理论题 3
钍衰变系
天然放射性衰变系之一始于 \(\ce{^{232}_{90}Th}\),终于稳定的 \(\ce{^{208}_{82}Pb}\)。
3.1 该衰变系中有多少次贝塔(\(\beta^-\))衰变?请通过计算说明。
3.2 完整衰变链释放多少能量(以 MeV 为单位)?
3.3 计算 1.00 千克 \(\ce{^{232}Th}\)(\(t_{½}=1.40\times10^{10}\) 年)产生能量的速率(功率),以瓦特(\(1\ \mathrm{W}=\mathrm{J\,s^{-1}}\))为单位。
3.4 \(\ce{^{228}Th}\) 是钍系中的一种核素。将 1.00 克 \(\ce{^{228}Th}\)(\(t_{1/2}=1.91\) 年)在容器中存放 20.0 年后,收集到的氦气在 \(0\ ^\circ\mathrm{C}\)、1 atm 下的体积是多少(以 \(\mathrm{cm^3}\) 为单位)?所有中间核素的半衰期与 \(\ce{^{228}Th}\) 的半衰期相比都很短。
3.5 钍系中的一种核素经分离后,测得含有 \(1.50\times10^{10}\) 个原子,其衰变速率为每分钟 3440 次。其半衰期是多少年?
所需的原子质量如下:
\[ \ce{^{4}_{2}He}=4.00260\ \mathrm{u},\quad \ce{^{208}_{82}Pb}=207.97664\ \mathrm{u},\quad \ce{^{232}_{90}Th}=232.03805\ \mathrm{u}; \quad\text{且 }1\mathrm{u}=931.5\ \mathrm{MeV} \]
\[ 1\ \mathrm{MeV}=1.602\times10^{-13}\ \mathrm{J} \]
\[ N_A=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}} \]
理想气体在 \(0\ ^\circ\mathrm{C}\)、1 atm 下的摩尔体积为 \(22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}\)。
题目译自官方英文原文。
答案
- 3.1: \(4\) 次贝塔负衰变。
- 3.2: 每条完整衰变链释放 \(42.67\ \mathrm{MeV}\)。
- 3.3: \(2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}\),假设整个衰变链处于长期平衡。
- 3.4: \(4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}\) 氦气。
- 3.5: \(5.75\ \mathrm{years}\)。
解答
3.1
一次阿尔法衰变使质量数减少 4,原子序数减少 2。一次贝塔负衰变使质量数保持不变,原子序数增加 1。
设阿尔法衰变和贝塔负衰变的次数分别为 \(a\) 和 \(b\)。根据质量数守恒,有
\[ 232=208+4a \quad\Longrightarrow\quad a=6. \]
因此,原子序数的变化满足
\[ 82=90-2(6)+b \quad\Longrightarrow\quad \boxed{b=4}. \]
总核反应方程式为
\[ \ce{^{232}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 6 ^{4}_{2}He + 4 ^{0}_{-1}e} +4\bar{\nu}_e, \]
其中 \(\bar{\nu}_e\) 表示电子反中微子。
3.2
使用所给的中性原子质量,质量亏损为
\[ \begin{aligned} \Delta m &=M(\ce{^{232}Th})-M(\ce{^{208}Pb})-6M(\ce{^{4}He})\\ &=232.03805-207.97664-6(4.00260)\\ &=0.04581\ \mathrm{u}. \end{aligned} \]
不需要单独计入贝塔电子的质量项:使用中性原子质量表示核反应的质量收支时,电子质量相互抵消。
因此,
\[ Q=\Delta m c^2 =(0.04581\ \mathrm{u}) (931.5\ \mathrm{MeV\,u^{-1}}) =\boxed{42.67\ \mathrm{MeV}}. \]
换算为焦耳,并保留保护位数字,得
\[ Q=(42.672015)(1.602\times10^{-13}) =6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J}. \]
3.3
使用完整衰变链的能量,意味着假设子体核素处于长期平衡:此时每秒完成的衰变链数等于钍-232 的放射性活度。
钍-232 的原子数为
\[ N= \frac{1000\ \mathrm{g}}{232.03805\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) =2.59526\times10^{24}. \]
取一年为 365 天,
\[ t_{1/2} =(1.40\times10^{10})(365)(24)(3600) =4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}. \]
衰变常数和放射性活度分别为
\[ \lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}, \]
\[ A=\lambda N =\frac{(\ln2)(2.59526\times10^{24})} {4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}} =4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}. \]
因此,核能释放的总速率为
\[ \begin{aligned} P&=AQ\\ &=(4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}) (6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J})\\ &=\boxed{2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}}. \end{aligned} \]
3.4
质量数从 228 减少到 208,要求每条完整衰变链发生
\[ a=\frac{228-208}{4}=5 \]
次阿尔法衰变。由原子序数守恒还可得出有两次贝塔负衰变,因此总核反应方程式为
\[ \ce{^{228}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 5 ^{4}_{2}He + 2 ^{0}_{-1}e} +2\bar{\nu}_e. \]
每个阿尔法粒子最终成为一个氦-4 原子,\(\ce{^{4}He}\),其 SMILES 为 [4He]。因此,每条完整衰变链产生五个氦原子。
在 20.0 年内发生衰变的钍-228 所占的比例为
\[ f=1-\exp(-\lambda t) =1-2^{-t/t_{1/2}} =1-2^{-20.0/1.91} =0.9992955. \]
由于中间核素的半衰期很短,可以近似认为每个已衰变的钍-228 原子都已完成其衰变链。使用 \(M(\ce{^{228}Th})\approx228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),得
\[ n_{\mathrm{He}} =5\left(\frac{1.00\ \mathrm{g}} {228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right)(0.9992955) =0.0219144\ \mathrm{mol}. \]
在指定的温度和压力下,
\[ \begin{aligned} V_{\mathrm{He}} &=(0.0219144\ \mathrm{mol}) (22.4\times10^3\ \mathrm{cm^3\,mol^{-1}})\\ &=490.882\ \mathrm{cm^3}\\ &=\boxed{4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}}. \end{aligned} \]
3.5
对于分离出的放射性核素,其放射性活度为 \(A=\lambda N\)。因此,
\[ t_{1/2}=\frac{\ln2}{\lambda} =\frac{N\ln2}{A}. \]
代入数值得
\[ t_{1/2} =\frac{(1.50\times10^{10})(\ln2)} {3440\ \mathrm{min^{-1}}} =3.02244\times10^6\ \mathrm{min}. \]
换算为年,
\[ t_{1/2} =\frac{3.02244\times10^6} {60\times24\times365}\ \mathrm{years} =\boxed{5.75\ \mathrm{years}}. \]
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IChO 1999 · Теоретическая задача 3
Радиоактивный ряд тория
Один из природных радиоактивных рядов начинается с \(\ce{^{232}_{90}Th}\) и заканчивается стабильным \(\ce{^{208}_{82}Pb}\).
3.1 Сколько бета-распадов (\(\beta^-\)) происходит в этом ряду? Подтвердите расчётом.
3.2 Сколько энергии в МэВ выделяется в полной цепочке распадов?
3.3 Рассчитайте скорость выделения энергии (мощность) в ваттах (\(1\ \mathrm{W}=\mathrm{J\,s^{-1}}\)) для 1.00 килограмма \(\ce{^{232}Th}\) (\(t_{½}=1.40\times10^{10}\) лет).
3.4 \(\ce{^{228}Th}\) входит в радиоактивный ряд тория. Какой объём гелия в \(\mathrm{cm^3}\), измеренный при \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) и 1 атм, накопится при хранении 1.00 грамма \(\ce{^{228}Th}\) (\(t_{1/2}=1.91\) года) в контейнере в течение 20.0 лет? Периоды полураспада всех промежуточных нуклидов малы по сравнению с периодом полураспада \(\ce{^{228}Th}\).
3.5 После выделения одного из членов радиоактивного ряда тория установлено, что образец содержит \(1.50\times10^{10}\) атомов этого нуклида и распадается со скоростью 3440 распадов в минуту. Каков его период полураспада в годах?
Необходимые атомные массы:
\[ \ce{^{4}_{2}He}=4.00260\ \mathrm{u},\quad \ce{^{208}_{82}Pb}=207.97664\ \mathrm{u},\quad \ce{^{232}_{90}Th}=232.03805\ \mathrm{u}; \quad\text{и }1\mathrm{u}=931.5\ \mathrm{MeV} \]
\[ 1\ \mathrm{MeV}=1.602\times10^{-13}\ \mathrm{J} \]
\[ N_A=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}} \]
Молярный объём идеального газа при \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) и 1 атм равен \(22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 3.1: \(4\) бета-минус-распада.
- 3.2: \(42.67\ \mathrm{MeV}\) на одну полную цепочку распадов.
- 3.3: \(2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}\), при условии векового равновесия во всей цепочке распадов.
- 3.4: \(4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}\) гелия.
- 3.5: \(5.75\ \mathrm{years}\).
Решение
3.1
При альфа-распаде массовое число уменьшается на 4, а атомный номер — на 2. При бета-минус-распаде массовое число не изменяется, а атомный номер увеличивается на 1.
Пусть \(a\) и \(b\) — числа альфа- и бета-минус-распадов соответственно. Закон сохранения массового числа даёт
\[ 232=208+4a \quad\Longrightarrow\quad a=6. \]
Следовательно, изменение атомного номера удовлетворяет уравнению
\[ 82=90-2(6)+b \quad\Longrightarrow\quad \boxed{b=4}. \]
Суммарное уравнение ядерных превращений имеет вид
\[ \ce{^{232}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 6 ^{4}_{2}He + 4 ^{0}_{-1}e} +4\bar{\nu}_e, \]
где \(\bar{\nu}_e\) обозначает электронное антинейтрино.
3.2
При использовании приведённых масс нейтральных атомов дефект массы равен
\[ \begin{aligned} \Delta m &=M(\ce{^{232}Th})-M(\ce{^{208}Pb})-6M(\ce{^{4}He})\\ &=232.03805-207.97664-6(4.00260)\\ &=0.04581\ \mathrm{u}. \end{aligned} \]
Отдельное слагаемое, учитывающее массу бета-электронов, не требуется: массы электронов сокращаются, если баланс масс в ядерном превращении выражен через массы нейтральных атомов.
Следовательно,
\[ Q=\Delta m c^2 =(0.04581\ \mathrm{u}) (931.5\ \mathrm{MeV\,u^{-1}}) =\boxed{42.67\ \mathrm{MeV}}. \]
В джоулях, с сохранением дополнительных значащих цифр для промежуточных расчётов,
\[ Q=(42.672015)(1.602\times10^{-13}) =6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J}. \]
3.3
Использование энергии полной цепочки предполагает, что дочерние нуклиды находятся в вековом равновесии: тогда число завершённых цепочек в секунду равно активности тория-232.
Число атомов тория-232 равно
\[ N= \frac{1000\ \mathrm{g}}{232.03805\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) =2.59526\times10^{24}. \]
Принимая один год равным 365 суткам,
\[ t_{1/2} =(1.40\times10^{10})(365)(24)(3600) =4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}. \]
Постоянная распада и активность равны
\[ \lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}, \]
\[ A=\lambda N =\frac{(\ln2)(2.59526\times10^{24})} {4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}} =4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}. \]
Таким образом, полная скорость выделения ядерной энергии равна
\[ \begin{aligned} P&=AQ\\ &=(4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}) (6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J})\\ &=\boxed{2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}}. \end{aligned} \]
3.4
Для уменьшения массового числа с 228 до 208 требуется
\[ a=\frac{228-208}{4}=5 \]
альфа-распадов на одну завершённую цепочку. Баланс атомных номеров также даёт два бета-минус-распада, поэтому суммарное уравнение ядерных превращений имеет вид
\[ \ce{^{228}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 5 ^{4}_{2}He + 2 ^{0}_{-1}e} +2\bar{\nu}_e. \]
Каждая альфа-частица в конечном итоге превращается в один атом гелия-4, \(\ce{^{4}He}\), SMILES [4He]. Таким образом, в каждой завершённой цепочке образуется пять атомов гелия.
Доля тория-228, распадающегося за 20.0 лет, равна
\[ f=1-\exp(-\lambda t) =1-2^{-t/t_{1/2}} =1-2^{-20.0/1.91} =0.9992955. \]
Поскольку периоды полураспада промежуточных нуклидов малы, приближённо считаем, что для каждого распавшегося атома тория-228 цепочка распадов уже завершилась. Используя \(M(\ce{^{228}Th})\approx228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем
\[ n_{\mathrm{He}} =5\left(\frac{1.00\ \mathrm{g}} {228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right)(0.9992955) =0.0219144\ \mathrm{mol}. \]
При указанных температуре и давлении
\[ \begin{aligned} V_{\mathrm{He}} &=(0.0219144\ \mathrm{mol}) (22.4\times10^3\ \mathrm{cm^3\,mol^{-1}})\\ &=490.882\ \mathrm{cm^3}\\ &=\boxed{4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}}. \end{aligned} \]
3.5
Для выделенного радионуклида активность равна \(A=\lambda N\). Следовательно,
\[ t_{1/2}=\frac{\ln2}{\lambda} =\frac{N\ln2}{A}. \]
Подстановка даёт
\[ t_{1/2} =\frac{(1.50\times10^{10})(\ln2)} {3440\ \mathrm{min^{-1}}} =3.02244\times10^6\ \mathrm{min}. \]
Переводя в годы, получаем
\[ t_{1/2} =\frac{3.02244\times10^6} {60\times24\times365}\ \mathrm{years} =\boxed{5.75\ \mathrm{years}}. \]
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1999 · مسألة نظرية 3
سلسلة اضمحلال الثوريوم
تبدأ إحدى سلاسل الاضمحلال الإشعاعي الموجودة في الطبيعة بـ \(\ce{^{232}_{90}Th}\) وتنتهي بـ \(\ce{^{208}_{82}Pb}\) المستقر.
3.1 كم عدد اضمحلالات بيتا (\(\beta^-\)) في هذه السلسلة؟ بيّن ذلك بالحساب.
3.2 ما مقدار الطاقة المنطلقة بوحدة MeV في السلسلة الكاملة؟
3.3 احسب معدل إنتاج الطاقة (القدرة) بالواط (\(1\ \mathrm{W}=\mathrm{J\,s^{-1}}\)) الناتج عن 1.00 كيلوغرام من \(\ce{^{232}Th}\) (\(t_{½}=1.40\times10^{10}\) سنة).
3.4 يُعدّ \(\ce{^{228}Th}\) أحد أفراد سلسلة الثوريوم. ما حجم الهيليوم المتجمع بوحدة \(\mathrm{cm^3}\) عند \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) وضغط 1 atm عندما يُحفظ 1.00 غرام من \(\ce{^{228}Th}\) (\(t_{1/2}=1.91\) سنة) في وعاء لمدة 20.0 سنة؟ أعمار النصف لجميع النويدات الوسيطة قصيرة مقارنةً بعمر النصف لـ \(\ce{^{228}Th}\).
3.5 وُجد، بعد عزل أحد أفراد سلسلة الثوريوم، أنه يحتوي على \(1.50\times10^{10}\) ذرة من النويدة، وأنه يضمحل بمعدل 3440 تفككًا في الدقيقة. ما عمر النصف بالسنوات؟
الكتل الذرية اللازمة هي:
\[ \ce{^{4}_{2}He}=4.00260\ \mathrm{u},\quad \ce{^{208}_{82}Pb}=207.97664\ \mathrm{u},\quad \ce{^{232}_{90}Th}=232.03805\ \mathrm{u}; \quad\text{و }1\mathrm{u}=931.5\ \mathrm{MeV} \]
\[ 1\ \mathrm{MeV}=1.602\times10^{-13}\ \mathrm{J} \]
\[ N_A=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}} \]
الحجم المولي لغاز مثالي عند \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) وضغط 1 atm هو \(22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 3.1: \(4\) اضمحلالات بيتا السالبة.
- 3.2: \(42.67\ \mathrm{MeV}\) لكل سلسلة اضمحلال كاملة.
- 3.3: \(2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}\)، بافتراض الاتزان الدائم للسلسلة الكاملة.
- 3.4: \(4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}\) من الهيليوم.
- 3.5: \(5.75\ \mathrm{years}\).
الحل
3.1
يُقلّل اضمحلال ألفا العدد الكتلي بمقدار 4 والعدد الذري بمقدار 2. أما اضمحلال بيتا السالبة فيُبقي العدد الكتلي دون تغيير ويزيد العدد الذري بمقدار 1.
ليكن \(a\) و\(b\) عددَي اضمحلالات ألفا وبيتا السالبة، على الترتيب. يعطي انحفاظ العدد الكتلي
\[ 232=208+4a \quad\Longrightarrow\quad a=6. \]
ولذلك يحقق التغير في العدد الذري العلاقة
\[ 82=90-2(6)+b \quad\Longrightarrow\quad \boxed{b=4}. \]
المعادلة النووية الإجمالية هي
\[ \ce{^{232}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 6 ^{4}_{2}He + 4 ^{0}_{-1}e} +4\bar{\nu}_e, \]
حيث يرمز \(\bar{\nu}_e\) إلى ضديد النيوترينو الإلكتروني.
3.2
باستخدام كتل الذرات المتعادلة المعطاة، يكون نقص الكتلة
\[ \begin{aligned} \Delta m &=M(\ce{^{232}Th})-M(\ce{^{208}Pb})-6M(\ce{^{4}He})\\ &=232.03805-207.97664-6(4.00260)\\ &=0.04581\ \mathrm{u}. \end{aligned} \]
لا حاجة إلى حد منفصل لكتلة إلكترونات بيتا: إذ تُلغى كتل الإلكترونات عند التعبير عن موازنة الكتلة النووية باستخدام كتل الذرات المتعادلة.
وبالتالي،
\[ Q=\Delta m c^2 =(0.04581\ \mathrm{u}) (931.5\ \mathrm{MeV\,u^{-1}}) =\boxed{42.67\ \mathrm{MeV}}. \]
وبالجول، مع الاحتفاظ بأرقام إضافية لتجنب أخطاء التقريب،
\[ Q=(42.672015)(1.602\times10^{-13}) =6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J}. \]
3.3
يفترض استخدام طاقة السلسلة الكاملة أن النويدات الوليدة في حالة اتزان دائم: وعندئذ يساوي عدد السلاسل المكتملة في الثانية النشاط الإشعاعي للثوريوم-232.
عدد ذرات الثوريوم-232 هو
\[ N= \frac{1000\ \mathrm{g}}{232.03805\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} (6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) =2.59526\times10^{24}. \]
باعتبار السنة 365 يومًا،
\[ t_{1/2} =(1.40\times10^{10})(365)(24)(3600) =4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}. \]
ثابت الاضمحلال والنشاط الإشعاعي هما
\[ \lambda=\frac{\ln2}{t_{1/2}}, \]
\[ A=\lambda N =\frac{(\ln2)(2.59526\times10^{24})} {4.41504\times10^{17}\ \mathrm{s}} =4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}. \]
إذن المعدل الكلي لانطلاق الطاقة النووية هو
\[ \begin{aligned} P&=AQ\\ &=(4.07448\times10^6\ \mathrm{s^{-1}}) (6.83606\times10^{-12}\ \mathrm{J})\\ &=\boxed{2.79\times10^{-5}\ \mathrm{W}}. \end{aligned} \]
3.4
يتطلب انخفاض العدد الكتلي من 228 إلى 208 حدوث
\[ a=\frac{228-208}{4}=5 \]
اضمحلالات ألفا لكل سلسلة مكتملة. وتُعطي موازنة العدد الذري أيضًا اضمحلالَين من نوع بيتا السالبة، لذا تكون المعادلة النووية الإجمالية
\[ \ce{^{228}_{90}Th -> ^{208}_{82}Pb + 5 ^{4}_{2}He + 2 ^{0}_{-1}e} +2\bar{\nu}_e. \]
يتحول كل جسيم ألفا في النهاية إلى ذرة واحدة من الهيليوم-4، \(\ce{^{4}He}\)، وتمثيلها بصيغة SMILES هو [4He]. ومن ثم تنتج كل سلسلة مكتملة خمس ذرات هيليوم.
الكسر من الثوريوم-228 الذي يضمحل خلال 20.0 سنة هو
\[ f=1-\exp(-\lambda t) =1-2^{-t/t_{1/2}} =1-2^{-20.0/1.91} =0.9992955. \]
نظرًا إلى قصر أعمار النصف للنويدات الوسيطة، نعتبر، على سبيل التقريب، أن كل ذرة ثوريوم-228 اضمحلت قد أكملت سلسلتها. وباستخدام \(M(\ce{^{228}Th})\approx228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)،
\[ n_{\mathrm{He}} =5\left(\frac{1.00\ \mathrm{g}} {228\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right)(0.9992955) =0.0219144\ \mathrm{mol}. \]
عند درجة الحرارة والضغط المحددين،
\[ \begin{aligned} V_{\mathrm{He}} &=(0.0219144\ \mathrm{mol}) (22.4\times10^3\ \mathrm{cm^3\,mol^{-1}})\\ &=490.882\ \mathrm{cm^3}\\ &=\boxed{4.91\times10^2\ \mathrm{cm^3}}. \end{aligned} \]
3.5
بالنسبة إلى نويدة مشعة معزولة، يكون النشاط الإشعاعي \(A=\lambda N\). ولذلك،
\[ t_{1/2}=\frac{\ln2}{\lambda} =\frac{N\ln2}{A}. \]
بالتعويض نحصل على
\[ t_{1/2} =\frac{(1.50\times10^{10})(\ln2)} {3440\ \mathrm{min^{-1}}} =3.02244\times10^6\ \mathrm{min}. \]
وبالتحويل إلى سنوات،
\[ t_{1/2} =\frac{3.02244\times10^6} {60\times24\times365}\ \mathrm{years} =\boxed{5.75\ \mathrm{years}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.