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2문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

폴로늄-210의 반감기는 138일입니다. 폴로늄-210 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Polonium-210 has a half life of 138 days. What percentage of a sample of Polonium-210 decays in a day?

정답·풀이 보기

tt일 후 시료에 남아 있는 폴로늄-210의 양은 다음과 같이 주어진다는 것을 알고 있다.

Q(t)=Ce−kt여기서 C 는 시료의 처음 양이고, k 는 어떤 양의 상수이다.문제는 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 묻고 있다. t 를 일 단위로 재므로, 하루 동안 붕괴하는 양은 Q(t)−Q(t+1) 이다. 이 양이 Q(t) 에서 차지하는 퍼센트는 100Q(t)−Q(t+1)Q(t) 이다. (예를 들어 시각 t 에 2 그램이 있었고 시각 t+1 에 1 그램이 있었다면 1002−11=50 이므로, 시료의 50% 가 하루 동안 붕괴한 것이다.)식을 간단히 하기 위해 Q(t) 를 더 알맞은 식으로 나타내야 한다. 늘 그렇듯이 반감기를 이용한다.Q(138)=C2Ce−k⋅138=C2(e−k)138=12=2−1e−k=2−1138이제 Q(t) 에 대한 더 알맞은 식을 얻었다:Q(t)=C(e−k)tQ(t)=C⋅2−t138마지막으로, 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 계산할 수 있다.100Q(t)−Q(t+1)Q(t)=100C⋅2−t138−C⋅2−t+1138C⋅2−t138(1C1C)=1002−t138−2−t+11382−t138=100(2−t138−2−t+1138)2t138=100(1−2−1138)≈0.5\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{여기서 $C$ 는 시료의 처음 양이고, $k$ 는 어떤 양의 상수이다.} \\ \\ \text{문제는 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 묻고 있다. $t$ 를 일 단위로 재므로, 하루 동안 붕괴하는 양은 $Q(t)-Q(t+1)$ 이다. 이 양이 $Q(t)$ 에서 차지하는 퍼센트는 $100\dfrac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}$ 이다. (예를 들어 시각 $t$ 에 2 그램이 있었고 시각 $t+1$ 에 1 그램이 있었다면 $100\dfrac{2-1}{1}=50$ 이므로, 시료의 50\% 가 하루 동안 붕괴한 것이다.)} \\ \\ \text{식을 간단히 하기 위해 $Q(t)$ 를 더 알맞은 식으로 나타내야 한다. 늘 그렇듯이 반감기를 이용한다.} \\ Q(138)&=\frac{C}{2}\\ Ce^{-k\cdot138}&=\frac{C}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{138}&=\frac{1}{2}=2^{-1}\\ e^{-k}&=2^{-\tfrac{1}{138}} \\ \text{이제 $Q(t)$ 에 대한 더 알맞은 식을 얻었다:} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t\\ Q(t)&=C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}} \\ \text{마지막으로, 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 계산할 수 있다.} \\ 100\frac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}&=100\frac{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}-C\cdot2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}}\left(\frac{\frac{1}{C}}{\frac{1}{C}}\right)\\ &=100\frac{2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{2^{-\tfrac{t}{138}}}\\ &=100\left(2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}\right)2^{\tfrac{t}{138}}\\ &=100\left(1-2^{-\tfrac{1}{138}}\right)\approx 0.5 \end{aligned}

시료의 약 0.5%가 하루 동안 붕괴한다.

참고: 시료의 0.5퍼센트가 하루 동안 붕괴한다고 할 때, 이것은 처음 시료의 0.5퍼센트를 뜻하는 것이 아니다. 어떤 날이 시작될 때 시료가 1 마이크로그램이라면, 그 후 24시간 동안 붕괴하는 양은 (어떤 시각 t=0t=0 에 "처음" 시료가 얼마였든 상관없이) 그 1 마이크로그램의 약 0.5퍼센트이다.

특히 시료가 점점 작아지므로, 매일 붕괴하는 0.5퍼센트는 실제로 붕괴하는 원자의 수가 점점 줄어든다는 것을 뜻한다. 그래서 매일 0.5%가 붕괴하고 100×0.5=50100\times 0.5 = 50 이라고 해서, 약 100일 후에 시료의 절반(50%)이 붕괴한다고 말할 수는 없다.

원본 교재 풀이(영어)

We know that the amount of Polonium-210 in a sample after tt days is given by

Q(t)=Ce−ktwhere C is the original amount of the sample, and k is some positive constant.The question asks us what percentage of the sample decays in a day. Since t is measured in days, the amount that decays in a day is Q(t)−Q(t+1). The percentage of Q(t) that this represents is 100Q(t)−Q(t+1)Q(t). (For example, if there were two grams at time t, and one gram at time t+1, then 1002−11=50: 50% of the sample decayed in a day.)In order to simplify, we should figure out a better expression for Q(t). As usual, we make use of the half-life.Q(138)=C2Ce−k⋅138=C2(e−k)138=12=2−1e−k=2−1138Now, we have a better formula for Q(t):Q(t)=C(e−k)tQ(t)=C⋅2−t138Finally, we can evaluate what percentage of the sample decays in a day.100Q(t)−Q(t+1)Q(t)=100C⋅2−t138−C⋅2−t+1138C⋅2−t138(1C1C)=1002−t138−2−t+11382−t138=100(2−t138−2−t+1138)2t138=100(1−2−1138)≈0.5\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{where $C$ is the original amount of the sample, and $k$ is some positive constant.} \\ \\ \text{The question asks us what percentage of the sample decays in a day. Since $t$ is measured in days, the amount that decays in a day is $Q(t)-Q(t+1)$. The percentage of $Q(t)$ that this represents is $100\dfrac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}$. (For example, if there were two grams at time $t$, and one gram at time $t+1$, then $100\dfrac{2-1}{1}=50$: 50\% of the sample decayed in a day.)} \\ \\ \text{In order to simplify, we should figure out a better expression for $Q(t)$. As usual, we make use of the half-life.} \\ Q(138)&=\frac{C}{2}\\ Ce^{-k\cdot138}&=\frac{C}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{138}&=\frac{1}{2}=2^{-1}\\ e^{-k}&=2^{-\tfrac{1}{138}} \\ \text{Now, we have a better formula for $Q(t)$:} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t\\ Q(t)&=C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}} \\ \text{Finally, we can evaluate what percentage of the sample decays in a day.} \\ 100\frac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}&=100\frac{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}-C\cdot2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}}\left(\frac{\frac{1}{C}}{\frac{1}{C}}\right)\\ &=100\frac{2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{2^{-\tfrac{t}{138}}}\\ &=100\left(2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}\right)2^{\tfrac{t}{138}}\\ &=100\left(1-2^{-\tfrac{1}{138}}\right)\approx 0.5 \end{aligned}

About 0.5% of the sample decays in a day.

Remark: when we say that half a percent of the sample decays in a day, we don't mean half a percent of the original sample. If a day starts out with, say, 1 microgram, then what decays in the next 24 hours is about half a percent of that 1 microgram, regardless of what the “original" sample (at some time t=0t=0) held.

In particular, since the sample is getting smaller and smaller, that half of a percent that decays every day represents fewer and fewer actual atoms decaying. That's why we can't say that half of the sample (50%) will decay after about 100 days, even though 0.5% decays every day and 100×0.5=50100\times 0.5 = 50.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 11번
# 지수적 증가와 감소계산도전자동 분류
2.CLP-1 · 3.3절 · 11번대학 수준우리말 번역

광석 시료에 우라늄-232가 7.2±0.3 μ7.2 \pm 0.3~\mug 들어 있다고 한다. 우라늄-232의 반감기는 68.8년에서 70년 사이이다. 10년 후 이 시료에 붕괴하지 않고 남아 있는 우라늄-232의 양은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A sample of ore is found to contain 7.2±0.3 μ7.2 \pm 0.3~\mug of Uranium-232, the half-life of which is between 68.8 and 70 years. How much Uranium-232 will remain undecayed in the sample in 10 years?

정답·풀이 보기

시간 tt 에서 광석 시료에 들어 있는 우라늄-232의 양은 다음과 같다.

Q(t)=Q(0)e−kt단, 6.9≤Q(0)≤7.5 이다. Q(0) 도 정확히 알지 못하고 반감기도 정확히 알지 못하므로 Q(10) 도 정확히 알 수 없으며, 두 수 사이에 있다고만 말할 수 있다. 우리의 전략은 문제에 주어진 정보로부터 Q(10) 이 가질 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값을 구하는 것이다.10년 후 시료에 우라늄-232가 가장 많이 남으려면, 처음 양이 가장 많고 반감기가 가장 길어야 한다(가장 느리게 붕괴하는 경우이므로). 따라서 Q(0)=7.5, Q(70)=12(7.5) 로 놓는다.Q(t)=7.5e−kt12(7.5)=Q(70)=7.5e−k(70)12=(e−k)702−170=e−k따라서 이 경우,Q(t)=7.5⋅2−t7010년 후,Q(10)=7.5⋅2−1070≈6.79따라서 10년 후 시료에는 많아야 6.8 μg 이 들어 있다.이제 10년 후 남을 수 있는 우라늄-232의 가장 적은 양을 생각해 보자. 처음 양을 가능한 한 적게 잡아 Q(0)=6.9 로 하고, 시료가 빠르게 붕괴해야 하므로 반감기를 68.8년으로 한다.Q(t)=6.9e−kt126.9=Q(68.8)=6.9e−k(68.8)12=(e−k)68.82−168.8=e−k이 경우,Q(t)=6.9⋅2−t68.810년 후,Q(10)=6.9⋅2−1068.8≈6.24따라서 10년 후 시료에는 적어도 6.2 μg 이 들어 있다.\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{단, $6.9 \leq Q(0) \leq 7.5$ 이다. $Q(0)$ 도 정확히 알지 못하고 반감기도 정확히 알지 못하므로 $Q(10)$ 도 정확히 알 수 없으며, 두 수 사이에 있다고만 말할 수 있다. 우리의 전략은 문제에 주어진 정보로부터 $Q(10)$ 이 가질 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값을 구하는 것이다.} \\ \\ \text{10년 후 시료에 우라늄-232가 가장 많이 남으려면, 처음 양이 가장 많고 반감기가 가장 길어야 한다(가장 느리게 붕괴하는 경우이므로). 따라서 $Q(0)=7.5$, $Q(70)=\frac{1}{2}(7.5)$ 로 놓는다.} \\ Q(t)&=7.5e^{-kt}\\ \frac{1}{2}(7.5)=Q(70)&=7.5e^{-k(70)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{70}\\ 2^{-\tfrac{1}{70}}&=e^{-k} \\ \text{따라서 이 경우,} \\ Q(t)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{t}{70}} \\ \text{10년 후,} \\ Q(10)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{10}{70}}\approx 6.79 \\ \text{따라서 10년 후 시료에는 \textit{많아야} 6.8 $\mu$g 이 들어 있다.} \\ \\ \text{이제 10년 후 남을 수 있는 우라늄-232의 가장 적은 양을 생각해 보자. 처음 양을 가능한 한 적게 잡아 $Q(0)=6.9$ 로 하고, 시료가 빠르게 붕괴해야 하므로 반감기를 68.8년으로 한다.} \\ Q(t)&=6.9e^{-kt}\\ \frac{1}{2}6.9=Q(68.8)&=6.9e^{-k(68.8)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{68.8}\\ 2^{-\tfrac{1}{68.8}}&=e^{-k} \\ \text{이 경우,} \\ Q(t)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{t}{68.8}} \\ \text{10년 후,} \\ Q(10)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{10}{68.8}}\approx 6.24 \\ \text{따라서 10년 후 시료에는 \textit{적어도} 6.2 $\mu$g 이 들어 있다.} \\ \end{aligned}

10년 후 시료에 들어 있는 우라늄-232의 양은 6.2에서 6.8 μ\mug 사이이다.

원본 교재 풀이(영어)

The amount of Uranium-232 in the sample of ore at time tt will be

Q(t)=Q(0)e−ktwhere 6.9≤Q(0)≤7.5. We don’t exactly know Q(0), and we don’t exactly know the half-life, so we also won’t exactly know Q(10): we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of Q(10), given the information in the problem.In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take Q(0)=7.5 and Q(70)=12(7.5).Q(t)=7.5e−kt12(7.5)=Q(70)=7.5e−k(70)12=(e−k)702−170=e−kSo, in this secenario,Q(t)=7.5⋅2−t70After ten years,Q(10)=7.5⋅2−1070≈6.79So after ten years, the sample contains at most 6.8 μg.Now, let’s think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take Q(0)=6.9, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.Q(t)=6.9e−kt126.9=Q(68.8)=6.9e−k(68.8)12=(e−k)68.82−168.8=e−kIn this scenario,Q(t)=6.9⋅2−t68.8After ten years,Q(10)=6.9⋅2−1068.8≈6.24So after ten years, the sample contains at least 6.2 μg.\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{where $6.9 \leq Q(0) \leq 7.5$. We don't exactly know $Q(0)$, and we don't exactly know the half-life, so we also won't exactly know $Q(10)$: we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of $Q(10)$, given the information in the problem.} \\ \\ \text{In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take $Q(0)=7.5$ and $Q(70)=\frac{1}{2}(7.5)$.} \\ Q(t)&=7.5e^{-kt}\\ \frac{1}{2}(7.5)=Q(70)&=7.5e^{-k(70)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{70}\\ 2^{-\tfrac{1}{70}}&=e^{-k} \\ \text{So, in this secenario,} \\ Q(t)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{t}{70}} \\ \text{After ten years,} \\ Q(10)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{10}{70}}\approx 6.79 \\ \text{So after ten years, the sample contains \textit{at most} 6.8 $\mu$g.} \\ \\ \text{Now, let's think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take $Q(0)=6.9$, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.} \\ Q(t)&=6.9e^{-kt}\\ \frac{1}{2}6.9=Q(68.8)&=6.9e^{-k(68.8)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{68.8}\\ 2^{-\tfrac{1}{68.8}}&=e^{-k} \\ \text{In this scenario,} \\ Q(t)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{t}{68.8}} \\ \text{After ten years,} \\ Q(10)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{10}{68.8}}\approx 6.24 \\ \text{So after ten years, the sample contains \textit{at least} 6.2 $\mu$g.} \\ \end{aligned}

After ten years, the sample contains between 6.2 and 6.8 μ\mug of Uranium-232.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 8번
# 지수적 증가와 감소계산도전자동 분류