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Questão 166 caderno azul ENEM 2013

Em setembro de 1987, Goiânia foi palco do maior acidente radioativo ocorrido no Brasil, quando uma amostra de césio-137, removida de um aparelho de radioterapia abandonado, foi manipulada inadvertidamente por parte da população. A meia-vida de um material radioativo é o tempo necessário para que a massa desse material se reduza à metade. A meia-vida do césio-137 é 30 anos e a quantidade restante de massa de um material radioativo, após t anos, é calculada pela expressão M(t) = A · (2,7)kt, onde A é a massa inicial e k é uma constante negativa.

Considere 0,3 como aproximação para log10 2.

Qual o tempo necessário, em anos, para que uma quantidade de massa do césio-137 se reduza a 10% da quantidade inicial?

A) 27

B) 36

C) 50

D) 54

E) 100

🧠 Tema Geral: Funções Exponenciais – Decaimento Radioativo

📚 Matérias Necessárias:

  • Função Exponencial
  • Propriedades de Logaritmos
  • Modelos Matemáticos de Decaimento
  • Mudança de Base de Logaritmos

📈 Nível da Questão:

Difícil, pois envolve a aplicação de um modelo de decaimento exponencial com logaritmos e exige interpretação da equação exponencial com uma constante desconhecida.

✔️ GABARITO: Alternativa E


✅ PASSO 1 — Análise do Comando e Objetivo

📌 Comando Essencial:
“Qual o tempo necessário, em anos, para que uma quantidade de massa do césio-137 se reduza a 10% da quantidade inicial?”

📌 O que está sendo pedido?
Calcular quantos anos são necessários para que apenas 10% da massa original do césio-137 ainda permaneça.

📌 Objetivo Cristalino:
Aplicar a equação exponencial M(t)=A⋅(2,7)^kt com a informação de meia-vida e de 10% da massa restante para determinar o tempo.

📌 Dica:
Como a meia-vida é 30 anos, podemos usá-la para encontrar o valor da constante k antes de resolver a equação.

💬 Possíveis Armadilhas:
Muitos alunos pensam que 10% da massa significa subtrair 90% da fórmula inicial — mas o correto é manter a equação como proporção:

  • M(t)=0,1⋅A

Pergunta de Atenção:
Você sabe como transformar uma equação exponencial em uma equação logarítmica para isolar o tempo?


✅ PASSO 2 — Explicação de Conceitos e conteúdos Necessários

📌 Decaimento Exponencial

A massa de um material radioativo que decai com o tempo é representada pela função:

  • M(t)=A⋅b^t

Onde:

  • M(t): massa restante no tempo ttt,
  • A: massa inicial,
  • b: base da exponencial (menor que 1),
  • t: tempo em anos.

📌 Meia-vida

A meia-vida é o tempo necessário para a massa cair à metade do valor inicial:

  • M(t)=A/2 ⇒ M(30) = A/2

A partir disso, podemos descobrir a constante k na equação dada:

  • M(t)= A⋅(2,7)^kt

📌 Propriedade de Logaritmos

Quando temos uma equação na forma:

  • a=b^x

Podemos aplicar logaritmo dos dois lados:

  • log ⁡a= x ⋅ log⁡ b ⇒ x = log ⁡a/log⁡ b

📌 Dado Importante:

  • Aproximação: log⁡2≈0,3

✅ PASSO 3 — Tradução e Interpretação do Texto

Queremos saber quando a massa será apenas 10% da original, ou seja:

  • M(t)=0,1⋅A

Sabemos que:

  • A fórmula é M(t)=A⋅(2,7)^kt
  • Meia-vida = 30 anos ⇒ M(30) =A/2

Nosso plano será:

  1. Usar a meia-vida para encontrar k;
  2. Substituir o valor de k na equação com M(t)=0,1A
  3. Resolver para t.

✅ PASSO 4 — Desenvolvimento de Raciocínio

Sabemos que:

  • A2=A⋅(2,7)^30k

Dividindo os dois lados por A:

  • 1/2=(2,7)^30k

Aplicando logaritmo dos dois lados:

  • log⁡12=30k⋅log⁡(2,7)

Sabemos que:

  • log⁡ 1/2=−log⁡2≈−0,3

Logo: −0,3=30k⋅log⁡(2,7)

Agora precisamos estimar log⁡(2,7). Sabemos que:

  • log⁡(10)=1, log⁡(2)=0,3, log⁡(3)≈0,48 ⇒ log⁡(2,7) ≈ 0,43

Substituindo:

  • −0,3=30 k ⋅ 0,43⇒k=−0,3/30⋅0,43=−0,3/12,9 ≈ −0,02326

✅ Etapa 2 – Calcular o tempo t para M(t)=0,1A

Começamos com:

  • 0,1A=A⋅(2,7)^kt ⇒ 0,1=(2,7)^kt

Aplicando log dos dois lados:

  • log⁡(0,1)= kt ⋅ log⁡(2,7) ⇒ −1= kt⋅0,43 ⇒ t=−1/k⋅0,43​

Substituindo k≈−0,02326

  • t=−1/ – 0,02326 ⋅ 0,43 ≈ 1/0,01 =100

✅ PASSO 5 — Análise das Alternativas

A) 27
❌ Muito pouco tempo. Ainda teríamos mais que 50% da massa.

B) 36
❌ Aproximadamente 60% da massa, ainda longe dos 10%.

C) 50
❌ A massa seria cerca de 25%.

D) 54
❌ A massa seria um pouco abaixo de 25%, ainda longe dos 10%.

E) 100
✅ CORRETA. Após 100 anos, restam aproximadamente 10% da massa original.


✅ PASSO 6 — Conclusão e Justificativa Final

Para que a massa de césio-137 se reduza a 10% da quantidade original, é necessário que se passem 100 anos. Essa conclusão foi obtida usando a equação do decaimento exponencial, relacionando a meia-vida e aplicando logaritmos para isolar o tempo.

Gabarito confirmado: Letra E

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