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지수적 증가와 감소

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-1 · 3.3절 · 9번대학 수준우리말 번역

라듐-221의 반감기는 30초이다. 처음 시료의 0.01%만 남기까지 얼마의 시간이 걸리는지 구하세요.

영어 원문 보기

Radium-221 has a half-life of 30 seconds. How long does it take for only 0.01% of an original sample to be left?

정답·풀이 보기

시료에 들어 있는 라듐-221의 양은 다음과 같다.

Q(t)=Ce−kt여기서 C 는 시각 t=0 에서 시료의 양이고, k 는 어떤 양의 상수이다. 이 동위원소의 반감기를 알고 있으므로 e−k 를 구할 수 있다:C2=Q(30)=Ce−k⋅3012=(e−k)302−130=e−k따라서,Q(t)=C(e−k)t=C⋅2−t30처음 시료의 0.01% 만 남았을 때 Q(t)=0.0001C 이므로:0.0001C=Q(t)=C⋅2−t300.0001=2−t30log⁡(0.0001)=log⁡(2−t30)log⁡(10−4)=−t30log⁡2−4log⁡10=−t30log⁡2t=120⋅log⁡10log⁡2≈398.6\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{여기서 $C$ 는 시각 $t=0$ 에서 시료의 양이고, $k$ 는 어떤 양의 상수이다. 이 동위원소의 반감기를 알고 있으므로 $e^{-k}$ 를 구할 수 있다:} \\ \frac{C}{2}=Q(30)&=Ce^{-k\cdot 30}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{30}\\ 2^{-\tfrac{1}{30}}&=e^{-k} \\ \text{따라서,} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t=C\cdot2^{-\tfrac{t}{30}} \\ \text{처음 시료의 0.01\% 만 남았을 때 $Q(t)=0.0001C$ 이므로:} \\ 0.0001C=Q(t)&=C\cdot 2^{-\tfrac{t}{30}}\\ 0.0001&=2^{-\tfrac{t}{30}}\\ \log(0.0001)&=\log\left(2^{-\tfrac{t}{30}}\right)\\ \log\left(10^{-4}\right)&=-\frac{t}{30}\log2\\ -4\log 10&=-\frac{t}{30}\log2\\ t&=120\cdot\frac{\log10}{\log2}\approx 398.6 \end{aligned}

시료의 0.010.01%만 남고 모두 붕괴하는 데 약 398.6초(즉, 대략 6분 30초)가 걸린다.

참고: 여기서도 현실성 검토를 한 번 더 할 수 있다. 반감기는 30초이다. 6분 30초는 반감기 13번에 해당한다. 따라서 시료는 13번 반으로 줄어든다: (12)13≈0.00012=0.012%\left(\tfrac{1}{2}\right)^{13}\approx 0.00012=0.012\%. 그러므로 이 13번의 반감기가 지나면 시료는 처음 양의 약 0.01%로 줄어들며, 이는 구하려던 결과와 일치한다.

원본 교재 풀이(영어)

The amount of Radium-221 in a sample will be

Q(t)=Ce−ktwhere C is the amount in the sample at time t=0, and k is some positive constant. We know the half-life of the isotope, so we can find e−k:C2=Q(30)=Ce−k⋅3012=(e−k)302−130=e−kSo,Q(t)=C(e−k)t=C⋅2−t30When only 0.01% of the original sample is left, Q(t)=0.0001C:0.0001C=Q(t)=C⋅2−t300.0001=2−t30log⁡(0.0001)=log⁡(2−t30)log⁡(10−4)=−t30log⁡2−4log⁡10=−t30log⁡2t=120⋅log⁡10log⁡2≈398.6\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{where $C$ is the amount in the sample at time $t=0$, and $k$ is some positive constant. We know the half-life of the isotope, so we can find $e^{-k}$:} \\ \frac{C}{2}=Q(30)&=Ce^{-k\cdot 30}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{30}\\ 2^{-\tfrac{1}{30}}&=e^{-k} \\ \text{So,} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t=C\cdot2^{-\tfrac{t}{30}} \\ \text{When only 0.01\% of the original sample is left, $Q(t)=0.0001C$:} \\ 0.0001C=Q(t)&=C\cdot 2^{-\tfrac{t}{30}}\\ 0.0001&=2^{-\tfrac{t}{30}}\\ \log(0.0001)&=\log\left(2^{-\tfrac{t}{30}}\right)\\ \log\left(10^{-4}\right)&=-\frac{t}{30}\log2\\ -4\log 10&=-\frac{t}{30}\log2\\ t&=120\cdot\frac{\log10}{\log2}\approx 398.6 \end{aligned}

It takes about 398.6 seconds (that is, roughly 6 and a half minutes) for all but 0.010.01% of the sample to decay.

Remark: we can do another reality check here. The half-life is 30 seconds. 6 and a half minutes represents 13 half-lives. So, the sample is halved 13 times: (12)13≈0.00012=0.012%\left(\tfrac{1}{2}\right)^{13}\approx 0.00012=0.012\%. So these 13 half-lives should reduce the sample to about 0.01% of its original amount, as desired.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.3절 · 7번우리말 번역

1그램의 라듐-226이 들어 있는 시료를 100년 전에 실험실에 보관했는데, 지금은 이 시료에 라듐-226이 0.9576그램만 남아 있습니다. 라듐-226의 반감기를 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

100년 전을 시각 t=0t=0 이라 하자. 시료에 들어 있는 라듐-226의 양을 Q(t)Q(t) 라 하면 Q(0)=1Q(0)=1 이고,

Q(t)=e−kt어떤 양의 상수 k 에 대해 성립한다. t=100 일 때 남은 라듐-226의 양은 0.9576그램이므로0.9576=Q(100)=e−k⋅100=(e−k)100e−k=0.95761100이로부터 다음을 알 수 있다.Q(t)=0.9576t100따라서 라듐-226이 처음 양의 절반만큼 남아 있으려면12=0.9576t100log⁡(12)=log⁡(0.9576t100)−log⁡2=t100log⁡(0.9576)t=−100log⁡2log⁡0.9576≈1600\begin{aligned} Q(t)&=e^{-kt} \\ \text{어떤 양의 상수 $k$ 에 대해 성립한다. $t=100$ 일 때 남은 라듐-226의 양은 0.9576그램이므로} \\ 0.9576=Q(100)&=e^{-k\cdot 100}=\left(e^{-k}\right)^{100}\\ e^{-k}&=0.9576^{\tfrac{1}{100}}\\ \text{이로부터 다음을 알 수 있다.} \\ Q(t)&=0.9576^{\tfrac{t}{100}} \\ \text{따라서 라듐-226이 처음 양의 절반만큼 남아 있으려면} \\ \frac{1}{2}&=0.9576^{\tfrac{t}{100}}\\ \log\left(\frac{1}{2}\right)&=\log\left(0.9576^{\tfrac{t}{100}}\right)\\ -\log 2&=\frac{t}{100}\log(0.9576)\\ t&=-100\frac{\log 2}{\log 0.9576}\approx 1600 \end{aligned}

따라서 라듐-226의 반감기는 약 1600년이다.

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