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1 臺 灣 輻 射 防 護 史 話 翁 寶 山 編 著 華 民 國 ㈨㈩㆓ 年 ㈩㆓ 第 ㆒ 版

2 目 錄 目 錄 序... i 目 錄... ii 第 一 章 輻 射 科 學 的 開 始 前 言 X 射 線 的 發 現 放 射 性 的 發 現 電 子 的 發 現 結 語 第 二 章 原 子 時 代 的 來 臨 前 言 丹 麥 傑 出 學 者 原 子 核 型 的 結 構 波 耳 原 子 理 論 中 子 的 發 現 原 子 核 的 分 裂 反 應 我 國 興 建 核 反 應 器 概 況 第 三 章 單 位 與 輻 防 的 量 前 言 國 際 單 位 制 計 量 單 位 的 說 明 輻 射 防 護 的 量 ICRU-60 兩 個 新 量 結 語 第 四 章 防 護 安 全 標 準 的 演 變 前 言 主 管 機 關 與 法 源 ii

3 臺 灣 輻 射 防 護 史 話 4.3 母 法 與 輻 射 防 護 防 護 標 準 的 演 變 游 離 輻 射 防 護 法 防 護 安 全 標 準 的 趨 勢 第 五 章 醫 用 放 射 學 的 發 展 前 言 發 現 X 射 線 前 的 科 技 發 展 放 射 診 斷 影 像 醫 學 及 介 入 放 射 學 輻 射 腫 瘤 學 核 子 醫 學 臺 灣 核 子 醫 學 簡 史 第 六 章 醫 用 輻 射 防 護 前 言 國 際 上 放 射 醫 學 及 輻 防 史 上 的 紀 事 我 國 放 射 醫 學 及 輻 防 史 上 的 紀 事 現 行 醫 用 輻 防 相 關 法 規 醫 用 輻 防 的 專 業 性 結 語 第 七 章 學 術 界 的 輻 防 前 言 清 華 大 學 核 能 研 究 所 同 步 輻 射 研 究 中 心 第 八 章 核 能 發 電 的 輻 防 前 言 核 能 發 電 的 進 度 核 能 營 運 現 況 未 來 核 能 發 展 核 發 處 保 健 物 理 課 核 一 廠 保 健 物 理 課 核 二 廠 保 健 物 理 課 iii

4 目 錄 8.8 核 三 廠 保 健 物 理 課 核 四 廠 保 健 物 理 課 第 九 章 輻 射 環 境 偵 測 前 言 輻 射 偵 測 中 心 放 射 試 驗 室 其 他 機 構 環 境 測 量 中 的 問 題 第 十 章 工 業 界 的 輻 防 前 言 國 際 上 的 作 法 射 源 選 擇 與 執 照 統 計 射 源 分 類 放 射 照 相 術 分 析 技 術 量 規 技 術 照 射 技 術 非 密 封 放 射 性 物 質 其 他 技 術 結 語 第 十 一 章 放 射 性 廢 棄 物 前 言 貯 存 與 處 置 核 能 電 廠 廢 棄 物 管 制 核 四 廠 放 射 性 廢 棄 物 處 理 系 統 最 終 處 置 管 制 小 產 源 放 射 性 廢 棄 物 管 制 豁 免 與 清 潔 放 射 性 廢 棄 物 管 理 的 新 觀 念 未 來 展 望 第 十 二 章 低 劑 量 生 物 效 應 前 言 iv

5 臺 灣 輻 射 防 護 史 話 12.2 確 定 效 應 與 機 率 效 應 早 期 的 生 物 效 應 原 子 彈 倖 存 者 的 輻 射 效 應 BEIR-Ⅴ 報 告 劑 量 與 致 癌 效 應 的 評 估 輻 射 激 效 生 物 效 應 機 制 核 能 發 電 的 輻 射 效 應 研 究 其 它 輻 射 效 應 的 研 究 大 眾 對 輻 射 的 恐 懼 放 射 性 污 染 鋼 筋 事 例 結 論 第 十 三 章 持 續 曝 露 的 新 建 議 前 言 持 續 曝 露 的 健 康 效 應 臺 灣 的 自 然 背 景 ICRP-82 建 議 第 十 四 章 輻 射 防 護 百 年 回 顧 前 言 西 元 1895 年 以 前 西 元 期 間 西 元 期 間 西 元 期 間 西 元 期 間 西 元 期 間 西 元 時 期 西 元 期 間 西 元 1987 年 迄 今 第 十 五 章 未 來 輻 防 的 趨 勢 前 言 游 離 輻 射 防 護 法 防 護 體 系 的 新 趨 勢 v

6 目 錄 15.4 ICRP 未 來 新 建 議 芻 議 結 語 附 錄 一 臺 灣 輻 射 工 作 人 員 的 劑 量 統 計 A1 前 言 A2 專 有 名 詞 A3 輻 射 工 作 類 別 A4 統 計 分 析 的 結 果 附 錄 二 氡 問 題 的 簡 史 B1 前 言 B2 肺 疾 病 B3 病 因 探 討 B4 鈾 礦 開 採 及 氡 子 核 作 用 B5 住 宅 內 氡 問 題 B6 術 語 匯 編 附 錄 三 游 離 輻 射 防 護 法 C1 總 則 C2 輻 射 安 全 防 護 C3 放 射 性 物 質 可 發 生 游 離 輻 射 設 備 或 輻 射 作 業 之 管 理 C4 罰 則 C5 附 則 附 錄 四 國 家 游 離 輻 射 標 準 實 驗 室 D1 前 言 D2 大 事 紀 要 年 表 D3 量 測 追 溯 體 系 D4 X 射 線 原 級 標 準 D5 銫 鈷 的 空 氣 克 馬 與 鈷 的 水 中 吸 收 劑 量 D6 校 正 服 務 D7 活 度 標 準 的 追 溯 與 應 用 D8 國 際 事 務 與 活 動 附 錄 五 有 效 等 效 劑 量 與 有 效 劑 量 的 銜 接 E1 前 言 E2 實 用 量 和 防 護 量 的 關 係 E3 結 論 與 建 議 vi

7 臺 灣 輻 射 防 護 史 話 E4 國 際 經 驗 回 饋 索 引 vii

8 臺灣輻射防護史話 第一章 輻射科學的開始 1.1 前言 在 19 世紀末自 1895 至 1898 這 3 年間 從 X 射線(又稱 X 光)的出現至天 然存在放射性元素釙 鐳的發現 人類 開始接觸到用人工方法造成的輻射(在 醫院多稱為放射線)以及天然放射性核 種 輻射科技進展的迅速 難以想像 在這段期間內 影響最深遠的首推 X 射 獨子 他 3 歲時舉家遷荷蘭 他小時 候學習並不用功 父母希望他將來成 為商人 以便繼承父輩基業 他在中 學時代因嬉戲被開除 因而在後來想 進入大專院校時 由於缺少中學文憑 而招來許多麻煩 幸虧他在中學所讀 自然科學學科的評語很好 1865 年才 能獲准進入瑞士蘇黎世工業學校 (Zürich Polytechnical School) 在機械 線 系待了 3 年 德國籍克勞修斯(Rudolf 1.2 X 射線的發現 Clausius, ) 是 他 的 物 理 老 師 1868 年畢業以後 他就在孔特 X 射線是一種短波的電磁波 具有 (August Kundt, )的建議下 很強的穿透本領 這種射線是由德國物 蘇 黎 世 仍 在 工 業 學 校 研 究 物 理 學 理 學 家 侖 琴 (Wilhelm Conrad Röntgen, 1869 年他向蘇黎世大學提出論文 同 )於 1895 年 11 月在維爾茨堡 年 6 月 22 日獲蘇黎世大學頒予博士學 (Würzburg)大學實驗室裏發現的 X 射 位後 1870 年就隨孔特到維爾茨堡大 線的發現是對陰極射線長期深入研究的 學 並 成 為 這 位 實 驗 物 理 學 家 的助 必然結果 並促進放射性和電子的發 手 後經多次輾轉 1894 年他當上維 現 因此 侖琴的這一成就具有里程碑 爾茨堡大學校長 翌年發現 X 射線 的意義 為了解 X 射線的發現過程及其 從此聞名於世 由於他的這一科學貢 對後來科學研究的深遠影響 首先有必 獻 他榮獲首屆諾貝爾物理學獎(1901 要簡要介紹一下侖琴和他新發現的歷史 年)以及許多其他的榮譽 背景 1. 在研究而非在想 侖琴的科學研究主要涉及氣體熱 學性質 光的偏振 光和電的關係 1845 年 3 月 27 日出生的侖琴是 以及電介質中的磁效應等 他一生酷 一個德國商人且為一呢絨廠負責人的 愛晶體 一直在研究晶體熱電和壓電 1

9 第 一 章 輻 射 科 學 的 開 始 現 象 可 是 他 沒 有 想 到, 正 是 他 所 喜 愛 的 晶 體, 在 他 探 討 陰 極 射 線 性 質 的 實 驗 中, 向 他 閃 爍 著 神 秘 的 螢 光, 引 導 他 去 發 現 X 射 線 這 種 看 不 見 的 東 西 侖 琴 的 科 學 研 究 態 度 極 端 認 真 嚴 謹 他 從 不 馬 虎 從 事, 凡 事 喜 歡 自 己 動 手 在 做 實 驗 時, 他 不 喜 歡 帶 個 助 手 而 是 喜 歡 獨 自 一 人, 有 條 不 紊 地 認 真 試 驗 他 為 人 謙 遜, 不 喜 作 預 言, 也 從 不 習 慣 於 聲 張 自 己 的 發 現, 且 他 總 是 無 私 地 把 自 己 的 研 究 成 果 及 時 告 知 同 業 和 朋 友 他 把 獲 得 的 諾 貝 爾 獎 金 轉 贈 給 維 爾 茨 堡 大 學, 以 促 進 科 學 研 究 的 發 展 這 位 首 屆 諾 貝 爾 物 理 學 獎 獲 得 者, 也 是 第 一 位 不 作 演 講 的 科 學 家 他 認 為 關 於 他 的 發 現 的 一 切 要 點, 都 在 他 的 有 關 的 3 篇 論 文 中 詳 述 無 遺 他 也 是 生 前 吩 咐 在 他 去 世 後 把 他 的 手 稿 全 部 焚 燒 無 遺 的 物 理 學 家 他 不 習 慣 於 詳 述 自 己 的 研 究 過 程 因 此, 有 關 他 的 重 大 發 現 的 記 載, 多 少 帶 有 臆 測 的 成 分 他 的 研 究 工 作 的 最 大 特 點 之 一, 與 英 國 籍 法 拉 第 (Michael Faraday, ) 相 似, 往 往 以 直 觀 形 式 提 出 理 論 物 理 的 問 題, 侖 琴 的 學 生 德 國 索 末 菲 (Arnold Sommerfeld, ) 形 容 他 不 需 要 數 學 的 拐 杖 1923 年 2 月 10 日 侖 琴 罹 患 腸 癌 過 世, 享 年 78 歲 2. 從 陰 極 射 線 到 X 射 線 X 射 線 的 發 現 是 對 陰 極 射 線 深 入 研 究 的 一 個 直 接 的 結 果 因 此, 有 必 要 簡 要 回 顧 一 下 在 X 射 線 發 現 前 有 關 陰 極 射 線 的 研 究 情 況 有 關 真 空 放 電 現 象 的 研 究 由 來 已 久, 法 拉 第 曾 於 1836 年 發 現 稀 薄 氣 體 的 放 電 伴 隨 著 色 彩 繽 紛 的 輝 光, 並 發 現 法 拉 第 暗 區 德 國 普 呂 克 (Julius Plücker, ) 借 助 於 較 高 真 空 度 的 放 電 管 於 1860 年 代 進 一 步 研 究 法 拉 第 暗 區, 他 發 現 與 放 電 管 陰 極 相 對 的 管 壁 上 ( 即 陽 極 哪 一 端 ) 呈 現 綠 色 螢 光, 這 個 光 斑 還 會 因 外 界 磁 鐵 的 移 動 而 改 變 位 置 後 來, 他 的 學 生 希 托 夫 (Johann Hittorf, ) 獲 得 10-5 大 氣 壓 的 高 真 空 度, 他 做 了 一 個 有 趣 的 實 驗, 即 在 陰 極 和 螢 光 斑 之 間 插 入 其 他 物 體, 這 時 就 呈 現 出 這 物 體 的 投 影, 於 是 可 以 判 斷 放 電 是 從 陰 極 而 來 的 現 象, 是 一 種 射 線 他 後 來 還 用 彎 管 做 實 驗, 從 而 判 斷 這 種 射 線 是 直 進 的 德 國 物 理 學 家 戈 德 斯 坦 (Eugen Goldstein, ) 於 1876 年 進 一 步 從 實 驗 證 實 這 種 射 線 的 直 線 傳 播 性 質 和 受 外 界 磁 場 的 影 響 將 產 生 偏 轉, 並 且 發 現, 無 論 用 什 麼 金 屬 材 料 製 成 的 陰 極, 也 不 管 陰 極 的 形 狀 如 何, 所 得 結 果 都 一 樣 他 第 一 次 把 這 種 射 線 稱 為 陰 極 射 線 1879 年, 英 國 物 理 學 家 克 魯 克 士 (William Crookes, ) 製 成 克 魯 克 士 管, 其 真 空 度 達 10-6 大 氣 壓, 並 發 現 克 魯 克 士 暗 區 他 還 做 了 個 轉 輪 實 2

10 臺灣輻射防護史話 驗 即在克魯克士管內安放一個小葉 不外是兩種不同見解 究竟陰極射線 輪如圖 1.1 所示 當陰極射線射來時 是什麼 這個問題一時難以下定論 它會轉動起來 此外他還發現陰極射 侖琴認為已有的實驗結果並沒有得到 線會使金屬箔產生熱效應 合理的解釋 而且這些實驗果真如此 這陰極射線究竟是什麼 它由什 嗎 他從不人云亦云 他要自己動手 麼所組成 歷史上 人們曾對此作出 做實驗並檢驗列納德與克魯克士等人 許多猜想 並引起激烈的爭論 直到 的實驗 這就是導致侖琴發現 X 射線 1890 年代初期 逐步形成了兩種具有 的歷史背景 因此 從陰極射線的深 代表性的看法 一種是以德國物理學 入研究導致 X 射線的發現 這是一個 家 赫 茲 (Heinrich Hertz, 科學史的必然性 ) 為 代 表 的 以 太 振 動 3. X 射線的發現過程 Rudolf 說 另一種是以英國物理學家克魯 侖琴發現 X 射線的過程 一般的 克士為代表的 粒子說 而且 大 傳說是這樣的 侖琴為探索陰極射線 部分德國科學家持前一種觀點 而大 的性質 曾經用列納德管重複赫茲和 部分英國科學家則持後一種觀點 例 列納德所做的實驗 據說列納德曾經 如 赫茲通過實驗於 1892 年認定陰極 為他提供了一支優質列納德管 實驗 射線是一種以太振動 他的學生和助 時 侖琴為保證實驗的精確性 就設 手列納德(Philipp Lenard, ) 法使放電管不受外界的影響 因而他 於 1894 年做了一支列納德管 把陰極 用錫箔和硬紙板包住放電管 當他接 射線從管內通過一個薄鋁窗引到空氣 通電流並把塗有亞鉑氰化鋇的螢光屏 中 獲得所謂列納德射線 他以此論 移近列納德管的鋁膜窗口時 他發現 斷陰極射線確實是一種以太振動 認 螢光屏上出現螢光 於是 他仔細調 為粒子是無法穿過這金屬窗口的 魏 陰極 德 曼 (Gustav Heinrich Wiedemann, )等人也支持這種看法 而 英國物理學家則堅信陰極射線是粒子 流 例如 克魯克士從他的實驗中判 高壓 斷這種射線是具有動量的 分子 流 1884 年英國物理學家舒斯特 (Arthur Schuster, )指出陰極 射線是帶負電的粒子流 可能是分子 圖 1.1 早 期 克 魯 克 士 管 ( 陰 極 射 線 管 ) 的 示 意 圖 放在射線穿行的路徑上以雲母做的馬 爾他十字架(Maltese cross) 在管子螢光屏 一端投下一陰影 或原子射束 還有其他一些分析 但 3

11 第一章 輻射科學的開始 節螢光屏和鋁窗的距離 結果確證陰 維爾茨堡醫學物理會上第一次報告自 極射線可穿透空氣幾厘米遠 然後 己的發現 他報告的論文題為 一種 他改用克魯克士管做實驗 也發現螢 新的射線 初步報告 在這個報 光 不過螢光顯得模糊不清 於是他 告 中 他 介 紹 了 實 驗 裝 置 和 實 驗方 繼續實驗 1895 年 11 月 8 日星期五 法 由於當時對這種新射線的本質尚 晚上 為了仔細觀察螢光屏上模糊的 不清楚 故稱為 X 射線 在這篇文章 螢光 也為了排除外界的一切光線干 中還指出了 X 射線的某些性質 因為 擾 他關閉實驗室不使漏光 並且檢 侖琴是德國人 所以德國科學家常把 查 克 魯 克 士 管 是 否 用 黑 紙 板 包 封嚴 X 射線稱為侖琴射線 他發現 X 射線 密 當他要著手實驗而接通高壓電源 在空氣中的射程有 2 米多而且是直線 時 突然發現在實驗臺上放在克魯克 傳播的 他發現外界磁場不會使 X 射 士管附近的小螢光晶體閃爍著螢光 線發生偏轉 他發現 X 射線來自克魯 塗 有 亞 鉑 氰 化 鋇 [barium 克士管的相對於陰極的陽極 尤其使 platinocyanide, BaPt(CN)4]的紙屏也閃 他感到驚奇的是這種射線有非常強的 爍著淺綠色的光 他驚訝極了 這種 穿 透 本 領 他 拿 上 千 頁 的 厚 書 來實 奇異現象可是從未見到也從未聽 說過 於是他急切地重複實驗 他把螢光屏移開 直到 2 米多遠 還隱約可以見到這種螢光 他似 乎意識到這不可能是陰極射線 因為列納德管引出的射線只不過 有幾厘米射程 對於這奇異現 象 他開始探索這 看不見的射 線 從此 他廢寢忘食地在實 驗室裏連續做了 6 個星期 全神 貫注探索這種奇異射線的性質 他不聲張新的發現 除非徹底查 清可能得到的一切結果 否則他 是不向外界宣布的 最後 直到 他確認這是一種聞所未聞的新射 線時 才於 1895 年 12 月 28 日在 4 圖 1.2 侖琴攝於 1895 年 左上圖為 X 光拍攝侖琴夫 人左手的照片 戒指清晰可見

12 臺灣輻射防護史話 驗 X 光透得過去 他拿幾厘米厚的 1 月中旬 德皇得悉這種發現 就宣 硬橡皮來 X 光也透得過 它還能透 召侖琴進宮 展示 X 射線的穿透本 過 2-3 厘米厚的木板或 15 毫米的厚鋁 領 並因此授予他二級普魯士勛章 板 他拿鉛板來擋 X 光 發現效果很 由於 X 射線的發現 應運而生的 好 僅 1-2 毫米的鉛板就可以擋住 X X 光醫療器械相繼出現 因濫用 X 光 光 在置換這些擋光的東西時 侖琴 而受傷害的事件更是時有發生 見表 驚訝地看到了自己手中的骨和輪廓 年 12 月 22 日 侖琴把夫人帶進 實驗室 用 X 射線拍了一張夫人的左 手照片如圖 1.2 所示 照片骨肉分明 連結婚戒指也清晰可見 這張照片的 複印件一直保留下來 印在許多書刊 表 1.1 年 早期 X 射線傷害歷史摘要 輻射傷害 負責人或涉及人員 1896 年 1 月 手皮炎 戈魯貝(Grubbe) 1896 年 3 月 眼刺痛 愛迪生(Edison) 1896 年 脫毛 丹尼爾(Daniel) 瓦耳斯(Walsh) 1897 年 體質性症狀 中 此外 侖琴還用 X 光拍攝了許多 1898 年 截癱與痙攣性肌 羅得與貝丁(Rodet and Bertin) 肉收縮 物體的照片 例如 裝天平砝碼的木 1899 年 血管內皮變性 加斯曼(Gassman) 盒 羅盤儀 繞在木軸上的紗包(金屬) 1902 年 x 射線潰瘍生癌 弗利本(Frieben) 1903 年 骨生長抑制 線 金屬塊甚至房門等 1903 年 產生不孕症 1896 年元旦 侖琴把他的(第一篇) 學 家 瓦 堡 (Emil Gabriel Warburg, 阿伯斯 宋伯 (Albers-Schönberg) 1904 年 產生血液改變 論文和 X 光照片複印文件寄給他的國 內外同行朋友 其中有德國實驗物理 伯斯(Perthes) 米斯納與莫斯 (Milchner and Mosse) 1904 年 產生白血病 海格(Heincke) 1906 年 顯示骨髓改變 瓦新(Warthin) 1912 年 二位 x 射線工作 貝克勒(Béclerè) 人員發現貧血 ) 埃克斯納(F. Exner)及彭 Poincare, 清光緒 20 年(1894)9 月 17 日在黃 法國數學家 物理學家和 海大東溝中日發生海戰 北洋海軍戰 哲學家)等人 1896 年 1 月 4 日 瓦堡 敗 翌年(1895)旅順大連保衛戰清廷海 在柏林物理學會的一次會議上展出侖 陸軍亦戰敗 同年 4 月 17 日李鴻章和 琴的幾張 X 射線照片 1896 年 1 月 5 日本伊藤博文在日本馬關春帆樓簽訂 日 奧 地 利 物 理 學 家 列 赫 爾 (Ernst 馬關條約 清庭將臺灣割讓給日本 Lecher, )的父親在維也納經 西方 X 射線熱帶來的歡愉和東方戰爭 辦的一家報社 以 聳人聽聞的發現 帶來的悲慘遂成為一強烈的對比 加 勒 (Jules Henri 的大字標題在報紙上詳細報導了侖琴 4. 深遠的影響 所發現的新射線 在國內及國外可謂 X 射線的發現 對物理學的進展 出現了真正的 X 射線熱 1896 年 和 科 學 技 術 的 進 步 產 生 了 深 遠 的影 5

13 第 一 章 輻 射 科 學 的 開 始 響 法 國 實 驗 物 理 學 家 貝 克 勒 爾 (Henri Antoine Becquerel, ) 於 1896 年 初 了 解 到 侖 琴 的 發 現, 這 引 起 他 極 大 的 興 趣 並 立 即 做 X 射 線 實 驗 在 實 驗 過 程 中, 他 發 現 了 一 種 與 X 射 線 多 少 有 些 相 似 的 現 象, 即 由 鈾 鹽 放 射 出 的 一 種 奇 異 的 鈾 射 線, 這 就 是 1896 年 3 月 貝 克 勒 爾 首 次 發 現 物 質 的 放 射 性 他 的 這 一 發 現, 為 居 里 夫 婦 發 現 放 射 性 元 素 釙 和 鐳 開 闢 了 道 路 由 於 放 射 性 發 現, 他 們 分 享 了 1903 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 英 國 物 理 學 家 湯 姆 生 (Joseph John Thomson, ) 和 他 的 學 生 拉 塞 福 (Ernest Rutherford, ) 從 事 於 氣 體 導 電 性 質 的 研 究, 也 借 助 X 射 線 作 為 工 具, 這 一 研 究 最 終 導 致 1897 年 發 現 電 子 湯 姆 生 獲 1906 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎, 拉 塞 福 獲 1908 年 諾 貝 爾 化 學 獎 勞 厄 (Max von Laue, ) 於 1912 年 揭 開 了 X 射 線 之 謎 經 由 X 射 線 在 晶 體 中 的 繞 射, 他 認 為 X 射 線 可 能 是 一 種 電 磁 波 的 預 言 終 於 被 證 實, 並 且 由 X 射 線 的 勞 厄 圖 可 以 作 晶 體 結 構 分 析, 為 晶 體 物 理 學 的 研 究 提 供 了 一 種 強 有 力 的 手 段 他 獲 得 1914 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 在 此 基 礎 上, 英 國 物 理 學 家 布 拉 格 (Bragg) 父 子 利 用 X 射 線 作 晶 體 結 構 分 析, 並 提 出 了 著 名 的 布 拉 格 公 式, 大 大 促 進 了 晶 體 物 理 學 的 發 展 這 一 對 父 子 布 拉 格 (William Henry Bragg, 和 William Lawrence Bragg, ) 共 同 榮 獲 1915 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 瑞 典 物 理 學 家 西 格 班 (Karl Manne Georg Siegbahn, ) 運 用 布 拉 格 公 式, 從 實 驗 中 發 現 許 多 X 射 線 的 譜 線, 進 而 探 明 各 元 素 的 X 光 譜, 寫 出 X 射 線 光 譜 學 一 書, 把 X 射 線 和 元 素 的 結 構 緊 密 聯 繫 在 一 起 他 獲 得 1924 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 有 關 X 射 線 光 譜 學 的 開 拓 性 的 工 作, 早 在 勞 厄 的 發 現 之 後 不 久 就 開 始 了, 這 就 是 英 國 青 年 物 理 學 家 莫 塞 萊 (Henry Gwyn Jeffreys Moseley, ) 的 工 作 這 位 才 智 超 群 的 年 輕 人 在 1913 年 就 提 出 了 莫 塞 萊 定 律, 根 據 這 個 公 式 闡 明 了 原 子 序 數 和 原 子 構 造 有 密 切 的 關 係, 這 是 一 大 發 現 可 惜 這 位 年 輕 人 在 第 一 次 世 界 大 戰 的 一 次 海 戰 中 陣 亡, 他 的 科 學 業 績 到 此 為 止, 當 時 他 才 28 歲 此 外, 英 國 物 理 學 家 巴 克 拉 (Charles Glover Barkla, ), 這 位 X 射 線 光 譜 學 的 奠 基 者 獲 得 1917 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎, 是 由 於 他 發 現 元 素 的 二 次 X 射 線 他 的 工 作 是 在 莫 塞 萊 協 助 下 進 行 的 美 國 物 理 學 家 康 普 頓 (Arthur Holly Compton, ) 的 研 究 受 巴 克 拉 的 影 響 在 北 京 清 華 大 學 吳 有 訓 教 授 ( 斯 時 為 芝 加 哥 大 學 的 研 究 生 ) 的 參 與 下, 康 普 頓 於 1923 年 前 後 發 現 6

14 臺 灣 輻 射 防 護 史 話 X 射 線 經 輕 靶 散 射 後, 產 生 波 長 移 動, 即 發 現 康 普 頓 效 應, 並 進 而 揭 示 微 觀 世 界 中 粒 子 碰 撞 過 程 依 然 遵 守 能 量 守 恒 和 動 量 守 恒 定 律 他 獲 得 1927 年 諾 貝 爾 物 理 獎 X 射 線 在 科 學 技 術 上 的 應 用, 特 別 是 在 醫 學 上 的 應 用, 那 是 人 盡 皆 知 的 近 代 的 應 用 名 目 繁 多, 尤 以 X 射 線 斷 層 掃 描 技 術 為 最 著 名 5. 以 侖 琴 命 名 的 單 位 任 何 一 門 學 域 裡, 都 有 其 專 用 術 語 與 單 位, 以 便 於 以 極 精 簡 明 確 的 文 字 或 符 號, 表 示 特 定 的 意 義 與 計 測 量 由 於 科 技 文 明 的 日 益 精 進, 這 些 術 語 也 隨 測 量 技 術 的 改 進 而 擴 充, 其 單 位 也 更 精 確 例 如 在 輻 射 劑 量 學 裡 使 用 很 廣 的 單 位 侖 琴 便 是 一 典 型 範 例 ; 侖 琴 為 X 輻 射 量 的 專 用 單 位, 係 在 空 氣 溫 度 為 0, 氣 壓 為 76 cm 汞 柱 狀 況 下, 適 量 X 射 線 與 1 cm 3 空 氣 作 用 ( 此 作 用 不 受 游 離 腔 壁 影 響 ), 其 所 產 生 的 二 次 電 子, 完 全 用 以 產 生 游 離 電 流, 而 累 積 得 一 靜 電 單 位 (esu) 的 電 荷 量 稱 為 1 侖 琴, 並 以 英 文 字 母 小 寫 r 為 代 表 符 號 在 1928 年, 以 當 時 的 測 量 技 術, 這 是 對 中 等 能 量 X 射 線 所 能 提 供 的 最 佳 曝 露 量 定 義 選 擇 空 氣 為 標 準 參 考 物 質, 不 僅 由 於 方 便 ( 全 世 界 都 有 ), 亦 由 於 空 氣 是 X 射 線 與 生 物 體 作 用 時 相 當 適 當 的 參 考 物 質 ; 因 為 就 中 等 能 量 X 射 線 而 言, 空 氣 的 有 效 原 子 序 數 與 人 體 軟 組 織 的 有 效 原 子 序 數 相 差 不 遠 但 這 定 義 並 未 明 確 的 限 定 侖 琴 為 何 種 輻 射 的 輻 射 單 位, 因 此 自 1928 年 後, 侖 琴 定 義 經 過 多 次 修 訂 1937 年 為 了 配 合 鐳 劑 量 測 定 術 的 應 用, 於 是 將 侖 琴 的 定 義 修 訂 成 侖 琴 為 X 或 γ 輻 射 量, 可 使 克 空 氣 ( 即 在 標 準 狀 態 下 1 cm 3 空 氣 的 質 量 ) 接 受 照 射 時 生 成 一 靜 電 單 位 的 正 或 負 游 離 電 荷, 並 改 以 英 文 字 母 大 寫 R 為 代 表 符 號 以 上 所 說 的 侖 琴 定 義 都 有 吸 收 劑 量 的 觀 念, 卻 忽 視 了 空 氣 對 X 或 γ 射 線 的 吸 收 劑 量 與 輻 射 的 能 量 有 關 其 實 早 在 1929 年, 梅 尼 奧 (Mayneord) 就 發 覺 了 侖 琴 的 缺 點, 他 認 為 符 合 邏 輯 的 劑 量 單 位 應 該 是 爾 格 / 體 積, 而 將 劑 量 單 位 以 游 離 方 式 表 示, 這 是 由 於 空 氣 與 人 體 組 織 對 X 或 γ 射 線 吸 收 劑 量 相 當 近 似 再 者, 侖 琴 的 有 效 量 測 方 法 必 須 為 其 游 離 所 產 生 二 次 電 子 在 電 子 平 衡 (electronic equilibrium) 條 件 下 方 能 正 確 地 進 行 然 而 在 空 氣 與 人 體 組 織 交 接 面 上, 此 種 條 件 即 不 能 達 成 由 空 氣 游 離 測 得 的 吸 收 劑 量 與 體 表 實 體 吸 收 劑 量 的 差 別 在 中 能 量 光 子 時 尚 不 嚴 重, 但 在 高 能 量 光 子 時 差 別 就 十 分 可 觀 了 因 此, 在 實 用 上, 侖 琴 負 有 雙 重 任 務, 它 不 僅 是 輻 射 曝 露 的 測 量 單 位, 同 時 亦 暗 示 此 被 測 的 輻 射 為 中 等 能 量 的 X 或 γ 射 線 由 於 測 量 技 術 的 困 難, 侖 琴 只 適 用 於 數 kev 至 3 MeV 能 量 範 圍 的 光 子 這 種 定 義 與 一 般 物 7

15 第一章 輻射科學的開始 理學所使用的單位有所不同 質量為 1 公斤的空氣產生 對於其他粒子輻射 如貝他 侖庫的電量 ICRU 認為 觀念的澄 (β) 阿伐(α)射線或中子等輻射的度 清及量的定義是基本大事 至於單位 量 侖琴這單位就更不適用 因為通 的選擇並不很重要 假若所考慮的量 常α與β的游離比度(每單位長度產 可清楚地作說明 則混淆多可避免 生的離子對)較光子高得多 故其二次 雖然專用單位亦普遍的存在於其他學 電子達到電子平衡的範圍十分小 而 門領域裡 但 ICRU 仍然在輻射劑量 實際上不易量測 為求定義一個與輻 學裡 強調專用單位不宜再增加 為 射生物效應及輻射化學效應更直接有 了承認已存在的常用單位 他們建議 關的物理量 吸收劑量(absorbed dose) 專用單位須限制使用 例如 的觀念逐漸受重視 1940 年梅尼奧建 侖琴(R) 限用於曝露量 議當一克空氣接受一侖琴曝露時的吸 雷得(rad) 限 用 於 比 授 與 能 收能量為一克侖琴(gram-roentgen) 其 (specific 值約為每立方公分空氣 84 爾格 1949 imparted) 吸收劑量 年派克(Parker)將克侖琴的單位推廣 及 克 馬 (kerma) 又 稱 至其他粒子輻射的吸收劑量單位 並 為比釋動能等 energy 定 名 為 侖 琴 物 理 當 量 [roentgen- 居里(Ci) 限用於放射活度 為 equivalent-physics 簡稱侖卜(rep)] 1 克鐳 226 每秒的蛻 其值為使人體組織產生 84 erg/cm3 吸 變數目 其值為每秒 收劑量的任何游離輻射量稱為 1 蛻變 次 rep 但一克液態人體組織對於一侖琴 照射的吸收能量並不等於 84 爾格而 約為 93 erg 故後來又將 rep 的值改為 93 erg/cm3 的人體軟組織 至 1953 年 國際輻射單位與度量委員會(ICRU)正 式推薦以雷得(rad)為物質對輻射的吸 收劑量單位 其值為任何輻射與物質 作用時 每克作用物質吸收 100 erg 能量稱為 1 rad 並重新定義 X 或γ射 線與空氣作用 使空氣產生游離的物 理現象統稱為曝露量(exposure) 而曝 露量的專用單位為侖琴(R) 其值為使 放射性的發現 1. 貝克勒爾出生於科學世家 祖父和父 親都是法國享有盛譽的物理學家 法 國科學院院士 他的家族出了許多著 名學者 貝克勒爾(圖 1.3)從小受到科 學知識的薰陶 這對他取得科學成就 是至關重要的 他起初是學工程的 擔任過工程師的職位 曾在公路橋樑 行政機構任職 1888 年他以光的吸收方面的論

16 臺灣輻射防護史話 文獲得博士學位 1892 年成為巴黎自 (SO4)2 2H2O 來做實驗 他把這鈾鹽 然史博物館教授 他也是法國科學院 院士 他的早期研究主要是光學方面 的問題 例如光的偏振及偏振面的旋 轉 光的折射率 晶體對光的吸收以 及地磁對大氣的影響等 後來 他主 要從事螢光和磷光的研究並發現物質 的 放 射 性 這 是 他 最 重 要 的 科 學發 現 榮獲 1903 年諾貝爾物理學獎 貝克勒爾怎麼會從研究螢光而發 現 放 射 性 呢 這 裡 有 一 段 有 趣 的過 程 1896 年元旦 侖琴把他發現 X 射 線的論文和一些 X 射線照片複印文件 分贈給國內外的物理同行朋友 其中 有彭加勒 彭加勒在 1896 年 1 月 20 日的法國科學院每周例會上展示這些 X 射線照片 當時 貝克勒爾也在場 看到了這些新奇的照片 他深深受到 圖 1.3 貝克勒爾教授玉照 吸引並馬上聯想到他的研究課題 他 放 在 用 黑 紙 包 封 嚴 密 的 照 相 感 光板 苦苦思索 螢光現象和 X 射線有關 上 然後放在日光下曬幾個小時 他 嗎 他在看到 X 射線照片的第二天就 這樣做是為了使鈾鹽激發螢光 並指 著手研究那些螢光物質能夠發出 X 射 望也放射 X 射線 果然 沖洗出來的 線 他把他祖父 父親和他自己研究 底片上的確感光了 他重複實驗都得 過 的 一 些 螢 光 和 磷 光 物 質 拿 來 做實 到同樣的效果 於是他認為彭加勒的 驗 經過初步試驗 他感到失望 因 設想是對的 即鈾鹽在陽光作用下發 為它們並不發射 X 射線 恰好在這不 出了像 X 射線那樣的射線 這種射線 久 彭加勒發表一篇論文 提出那些 穿透力強 透過黑紙使底片感光 1896 會發出強烈螢光的物質是否會同時發 年 2 月 29 日 他向法國科學院報告了 射螢光和 X 射線的問題 貝克勒爾受 這個結果 此後 他想進一步重複實 到啟發 於是他就在 2 月下旬拿他父 驗 當他做好實驗準備 瀝青鈾礦和 親所喜愛的鈾鹽[硫酸鈾醯鉀 照相底片都已包好只等日光曝曬 但 potassium uranyl sulfate, K2(UO2) 因天氣轉陰無法實驗 他就把這些東 9

17 第 一 章 輻 射 科 學 的 開 始 西 一 起 堆 放 在 抽 屜 裡, 可 是 一 直 不 見 天 晴 等 到 3 月 1 日, 他 多 少 有 些 發 急 了, 因 為 明 天 又 是 科 學 院 每 周 例 會, 他 原 來 打 算 在 這 次 例 會 上 宣 布 自 己 的 發 現 和 提 出 見 解 於 是, 他 不 等 日 曬, 先 取 出 一 張 底 片 沖 洗 出 來 底 片 顯 影 後 他 發 現 底 片 上 有 大 塊 黑 斑, 他 納 悶 極 了, 因 為 這 些 鈾 鹽 並 沒 有 受 日 光 誘 發 螢 光, 而 底 片 卻 受 到 強 烈 的 感 光 這 個 意 外 的 發 現 使 他 認 識 到, 底 片 感 光 與 日 照 無 關 也 與 螢 光 無 關 那 麼, 究 竟 是 什 麼 射 線 使 底 片 感 光 呢? 他 猜 想, 可 能 是 鈾 鹽 發 出 的 一 種 莫 名 的 射 線, 這 種 射 線 的 穿 透 能 力 似 乎 比 X 射 線 還 要 強 3 月 2 日, 在 科 學 院 例 會 上 他 修 正 了 原 先 的 觀 點, 並 報 告 了 自 己 的 最 新 發 現 人 們 說 不 清 這 是 一 種 什 麼 射 線, 就 管 它 叫 作 貝 克 勒 爾 射 線 在 這 個 基 礎 上, 貝 克 勒 爾 進 一 步 研 究 這 種 神 秘 射 線 的 性 質 他 很 有 步 驟 地 做 了 一 系 列 實 驗, 發 現 鈾 鹽 所 發 出 的 這 種 射 線 還 能 使 空 氣 成 為 導 體, 即 有 游 離 氣 體 的 功 效 此 外, 還 發 現 外 界 溫 度 變 化 對 它 無 影 響 1896 年 5 月 18 日, 在 科 學 院 例 會 上 他 明 確 指 出 鈾 鹽 這 種 物 質 有 放 射 性, 這 種 性 質 起 因 於 原 子 內 部 這 個 發 現 具 有 重 大 意 義, 人 們 不 僅 知 道 自 然 界 中 存 在 放 射 性 現 象, 而 且 開 始 注 意 放 射 性 與 原 子 內 部 的 關 聯 貝 克 勒 爾 當 時 還 不 可 能 知 道 鈾 射 線 的 組 成, 後 來 的 研 究 表 明, 它 是 由 三 種 射 線 組 成 的, 即 加 馬 (γ) 射 線 阿 伐 (α) 射 線 和 貝 他 (β) 射 線 γ 射 線 是 一 種 頻 率 高 於 X 射 線 的 電 磁 輻 射, 有 很 強 的 穿 透 本 領 ;α 射 線 是 氦 原 子 核 射 束 ;β 射 線 是 電 子 束 2. 鐳 的 發 現 瑪 麗 居 里 (Marie Curie, ), 世 稱 居 里 夫 人 她 原 籍 波 蘭, 出 生 於 華 沙, 原 姓 斯 可 羅 多 斯 夫 卡 (Sklodowska), 後 來, 法 國 成 為 她 的 第 二 祖 國 她 是 舉 世 公 認 偉 大 的 女 物 理 學 家 和 化 學 家 19 世 紀 下 半 葉, 她 的 祖 國 被 併 入 俄 羅 斯 帝 國, 在 沙 皇 統 治 下 強 行 俄 羅 斯 化 波 蘭 受 到 沙 俄 的 嚴 密 控 制, 對 於 波 蘭 的 私 立 學 校 也 嚴 加 監 視, 她 父 親 因 不 順 應 而 失 去 了 華 沙 中 等 學 校 教 數 學 和 物 理 的 教 職, 因 此 她 家 境 十 分 貧 寒 然 而, 她 學 習 刻 苦 努 力 進 取, 中 學 畢 業 時 還 得 到 金 質 獎 章 她 功 課 全 面 發 展, 還 學 會 俄 法 德 英 四 種 外 語 可 惜, 在 波 蘭 婦 女 沒 有 地 位, 加 以 家 境 清 苦 難 得 深 造 的 機 會 出 於 姐 妹 之 情, 瑪 麗 中 學 畢 業 後, 主 動 去 當 了 6 年 家 庭 教 師, 以 資 助 她 姐 姐 赴 法 國 習 醫 等 到 她 姐 姐 畢 業 有 了 工 作 以 後, 她 才 於 1891 年 11 月 辭 別 祖 國 和 親 人 去 法 國, 在 巴 黎 的 法 國 大 學 理 學 院 學 習 自 然 科 學 她 學 習 勤 奮, 在 1893 年 和 1894 年 這 兩 年 中 間, 她 先 後 獲 得 物 理 學 碩 士 和 數 學 碩 士 兩 個 學 位 1894 年 4 月, 她 第 一 次 會 見 皮 埃 爾 居 里 10

18 臺灣輻射防護史話 (Pierre Curie, ) 他們志同道 約 75%)渣中放出的輻射 比起礦渣中 合 翌年結婚 皮埃爾 居里早年以 預計的鈾或釷所放出的輻射強 4 倍 發現晶體壓電現象以及磁性和溫度的 她開始懷疑這裏面存在某種未知的元 關係而聞名 人們承認他是 一位著名的實驗物理學家 當居里夫人被貝克勒爾的發 現所吸引並全力以赴想去揭 開放射性現象這個謎時 居 里毅然擱下自己原先的研究 題目 全心全意和居里夫人 一起研究放射性這種既新穎 又困難的課題 他們是從 1898 年春開始合作研究放射 性的 居里夫人一開始就關心 除了鈾能夠發出射線以外 是否還有別的物質也能夠發 出類似的射線 當她聽到施 密特(Gerhard Carl Nathaniel Schmidt, )於 1898 年發現釷也有輻射的性質 圖 1.4 居里夫人約攝於 1920 年 這張皮埃爾 居里教授的玉照為居里夫人最喜歡的一張 時 就立刻做實驗核實 她還用居里 素 這種元素具有很強的放射性 雖 以前用於物理測量的儀器和方法測出 然人們把她的這種設想譏為 異想天 鈾的放射性強度與礦物中鈾的含量成 開 但是這位性格堅強的女科學家 正比的關係 而且發現這種放射性不 對此置若罔聞 仍堅定地籌劃她的實 受外界因素的影響 因此她開始猜測 驗 在居里的全力協助下 居里夫人 放射性是鈾物質本身的特性 原子的 按化學分析的程序對瀝青鈾礦渣作元 特性 她對各種氧化物等化合物做過 素分離 由於礦物中所含元素複雜 測量 也對許多礦物做測量 她檢查 而擬議中的未知新元素的含量微乎其 輝銅礦樣品 又檢查瀝青鈾礦物 經 微 因此分離工作是相當艱難的 經 過她反複檢驗 她發現了一種新奇的 過艱苦勞動和認真測量 居里夫人終 現象 瀝青鈾礦(pitchblende 含 U3O8 於在 1898 年 7 月 18 日前後 發現一 11

19 第 一 章 輻 射 科 學 的 開 始 種 新 的 放 射 性 元 素, 為 記 念 她 的 祖 國 波 蘭, 她 把 這 種 元 素 定 名 為 釙 (polonium, Po) 這 是 一 種 化 學 性 質 與 鉍 相 同 的 黑 色 放 射 性 物 質, 它 的 放 射 性 比 純 鈾 要 強 400 倍 瀝 青 鈾 礦 渣 的 強 烈 放 射 性 似 乎 不 只 是 由 於 釙 引 起 的, 因 為 釙 的 輻 射 強 度 看 來 還 不 足 以 說 明 問 題, 莫 非 這 礦 渣 中 還 含 有 放 射 性 更 強 的 物 質? 居 里 夫 婦 繼 續 他 們 的 工 作, 他 們 付 出 更 艱 巨 的 勞 力 繼 續 分 析 殘 渣 他 們 終 於 在 同 年 年 底, 又 發 現 了 另 一 種 新 的 放 射 性 元 素, 它 的 輻 射 強 度 幾 乎 比 鈾 強 二 百 多 萬 倍! 居 里 夫 婦 將 這 元 素 命 名 為 鐳 (radium, Ra) 鐳 的 發 現 是 轟 動 整 個 科 學 界 的 偉 大 事 件 他 們 是 在 1898 年 12 月 26 日 向 科 學 院 提 出 的 報 告 中 宣 告 這 一 重 大 發 現 的 儘 管 居 里 夫 婦 發 現 了 放 射 性 物 質 鐳, 但 當 時 的 一 些 保 守 學 者 仍 有 懷 疑 之 心, 他 們 要 看 到 純 鐳 才 算 數! 同 時, 居 里 夫 婦 為 了 對 這 種 新 元 素 進 行 觀 察 定 量 分 析 和 做 各 種 實 驗, 他 們 也 確 實 需 要 得 到 多 一 點 的 鐳 化 合 物, 當 然 最 好 是 純 鐳 因 此, 他 們 又 踏 上 了 人 們 難 以 想 像 的 更 加 艱 難 困 苦 的 科 學 研 究 路 途 首 先, 他 們 需 要 大 量 的 瀝 青 鈾 礦 渣, 何 處 可 覓, 經 費 何 來? 正 在 困 難 之 際, 朋 友 伸 出 了 友 誼 之 手 奧 地 利 地 質 學 家 維 也 納 科 學 院 院 長 休 斯 (Edward Suess, ) 向 奧 地 利 政 府 要 到 波 希 米 亞 (Bohemia) 的 契 審 斯 達 (Joachimsthal) 的 鈾 礦 的 殘 渣, 成 噸 的 礦 渣 雖 然 免 費, 但 運 費 要 自 理 居 里 夫 婦 高 興 極 了, 但 經 濟 負 擔 加 重 了 清 苦 的 生 活 接 著 的 問 題 是, 提 煉 礦 渣 的 地 方 在 哪 裡? 居 里 出 面 向 他 任 教 學 校 的 校 長 求 助, 希 望 借 一 間 實 驗 室, 校 長 聳 聳 肩 說, 如 果 這 房 間 可 以 用, 那 你 們 就 用 吧 其 實, 這 個 房 間 哪 裏 是 什 麼 實 驗 室, 它 是 一 間 泥 土 地 破 屋 頂 被 遺 棄 的 木 棚! 這 裡 冬 冷 夏 熱, 實 驗 條 件 極 端 惡 劣 在 發 現 鐳 的 幾 年 後, 德 國 物 理 化 學 家 唯 能 論 的 創 導 者 奧 斯 特 瓦 爾 德 (Friedrich Wilhelm Ostwald, ) 曾 來 此 參 觀, 他 形 容 這 木 棚 是 介 於 馬 廄 和 土 豆 窖 之 間 的 某 種 東 西, 假 如 我 不 是 看 到 裝 有 化 學 儀 器 的 工 作 臺, 那 我 會 以 為 是 在 和 我 開 玩 笑, 剩 下 的 問 題 當 然 是 由 這 對 夫 婦 充 當 冶 煉 工 了 他 們 的 艱 辛 工 作 不 是 我 們 所 能 形 容 的 為 了 不 中 斷 實 驗, 他 們 經 常 吃 住 在 這 世 上 罕 見 的 實 驗 室 裏, 日 以 繼 夜 疲 憊 不 堪 地 工 作 著, 一 年 二 年 直 到 第 四 個 年 頭 偉 大 的 工 作 終 於 得 出 豐 碩 的 成 果!1902 年 3 月, 他 們 終 於 從 數 噸 的 瀝 青 鈾 礦 渣 中 提 煉 出 約 0.1 克 的 純 氯 化 鐳, 這 是 一 種 如 同 食 鹽 一 般 的 白 色 粉 末 4 年 的 工 作 結 晶, 十 分 之 一 克 居 里 夫 婦 初 步 測 出 鐳 的 原 子 量 為 225 由 於 放 射 性 現 象 這 一 劃 時 代 的 發 現, 居 里 夫 婦 和 貝 克 勒 爾 共 同 獲 得 12

20 臺 灣 輻 射 防 護 史 話 1903 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 金 在 回 憶 這 段 難 以 設 想 的 艱 苦 工 作 的 日 子 時, 居 里 夫 人 說, 他 們 常 常 在 晚 餐 後 到 實 驗 室 觀 看 那 多 年 工 作 的 結 晶 當 他 們 看 到 氯 化 鐳 在 黑 暗 中 的 微 弱 閃 光 時, 總 要 引 起 新 的 激 動 和 讚 嘆 他 們 的 工 作 極 其 艱 苦, 可 是 居 里 夫 人 卻 說 在 陳 舊 不 堪 的 棚 子 裡, 度 過 了 我 們 一 生 中 最 美 好 最 幸 福 的 歲 月 他 們 的 重 大 發 現 並 沒 有 給 他 們 帶 來 富 裕, 他 們 並 不 需 要 這 些, 他 們 從 未 想 到 要 去 獲 取 專 利, 按 居 里 夫 人 的 話 說 : 這 是 元 素, 它 屬 於 整 個 世 界 她 把 多 年 獲 得 的 所 有 的 鐳, 都 奉 獻 給 大 學 實 驗 室 這 位 偉 大 的 女 科 學 家, 性 格 堅 強 吃 苦 耐 勞 生 活 清 苦 不 圖 富 貴, 對 於 榮 譽 漠 然 以 待, 她 曾 把 所 得 的 獎 章 拿 給 小 女 兒 伊 倫 娜 (Irene) 當 玩 具 愛 因 斯 坦 說, 在 所 有 著 名 人 物 中, 居 里 夫 人 是 唯 一 不 為 榮 譽 所 顛 倒 的 人 正 當 居 里 夫 婦 的 合 作 取 得 重 大 突 破 並 亟 待 作 進 一 步 研 究 時, 家 庭 卻 給 予 他 們 災 難 1906 年 4 月 19 日, 皮 埃 爾 居 里 在 巴 黎 的 一 個 十 字 路 口 喪 生 於 一 輛 大 馬 車 的 巨 輪 之 下 他 前 一 年 才 當 上 巴 黎 科 學 院 院 士, 可 是 卻 從 此 結 束 了 他 的 科 學 生 涯 居 里 夫 人 強 忍 喪 夫 的 痛 苦, 堅 韌 不 拔 地 繼 續 她 的 研 究, 還 要 帶 著 兩 個 年 幼 的 女 兒, 生 活 的 艱 難 是 可 想 而 知 的 1906 年 5 月 1 日, 居 里 所 任 教 的 巴 黎 大 學 請 她 來 擔 任 教 學 工 作, 兩 年 後 她 成 為 該 校 有 史 以 來 的 第 一 位 女 教 授 居 里 夫 人 從 未 放 鬆 對 鐳 的 研 究, 她 於 1907 年 提 煉 出 高 純 度 的 氯 化 鐳, 並 精 確 地 測 出 鐳 的 原 子 量 為 年 她 又 進 一 步 用 電 解 法 分 析 出 純 鐳 元 素, 並 測 定 它 的 各 種 物 理 和 化 學 的 性 質 後 來 她 還 測 定 氡 以 及 其 他 放 射 性 元 素 的 半 衰 期, 找 到 了 放 射 性 元 素 的 某 些 衰 變 規 律 由 於 她 在 鐳 的 研 究 中 成 績 卓 越, 特 別 是 由 於 分 離 出 純 金 屬 鐳, 她 榮 獲 1911 年 諾 貝 爾 化 學 獎 她 是 連 續 兩 次 諾 貝 爾 獎 的 第 一 位 女 科 學 家 她 逝 世 後 的 第 二 年, 她 女 兒 伊 倫 娜 居 里 和 女 婿 約 里 奧 居 里 由 於 首 次 獲 得 人 工 放 射 性 元 素 而 榮 獲 諾 貝 爾 化 學 獎 人 們 為 了 記 念 居 里 一 家 對 科 學 的 偉 大 貢 獻,1946 年 美 國 加 利 福 尼 亞 理 工 學 院 由 人 工 製 造 出 來 的 一 種 新 元 素, 元 素 周 期 表 中 的 第 96 號 元 素, 特 意 命 名 為 鋦 (curium) 鐳 的 發 現 具 有 非 常 重 大 的 意 義, 彭 加 勒 說, 偉 大 的 革 命 家 鐳 登 上 科 學 舞 臺 時, 從 根 本 上 震 撼 了 古 典 力 學 人 們 看 到 了 鐳 可 以 不 斷 地 發 出 射 線, 自 發 地 釋 放 熱 能, 它 可 以 使 空 氣 游 離, 還 能 殺 死 細 菌, 這 些 奇 異 特 性 使 人 懷 疑 物 理 學 的 既 有 定 律 是 否 仍 然 有 效, 元 素 是 否 可 以 變 化 為 別 的 什 麼 東 西? 傳 統 的 觀 念 物 理 學 的 定 律 面 臨 著 重 大 的 考 驗 1934 年 7 月 4 日, 瑪 麗 居 里 在 13

21 第一章 輻射科學的開始 法國阿爾俾斯山療養院逝世 她患惡 放 在 放 射 性 和 原 子 結 構 方 面 1899 性貧血症 長期接觸放射性物質使她 年他發現放射性物質放出兩種射 受到射線的傷害 血液病變 雙手也 線 一 種 叫 作 α 射 線 另一種叫作 β 射 線 這 一 年 貝 克勒爾發現磁 場 能 使 β 射 線 偏 轉 居里夫人判斷 它 是 帶 負 電 的 粒 子 後來貝克勒爾 測 出 其 荷 質 比 終 於 斷定β射線是 電子流 拉塞福於 1902 年利用強磁 場 使 α 射 線 偏 轉 判 斷它是帶正電 的粒子 1906 年他測出其荷質比 圖 年拉塞福的出生地紐西蘭為他發 行了一套百週年誕辰紀念郵票 並繪出 拉塞福用α粒子撞擊金箔而被撞偏的 情形 作者 年輕的化學家索迪(Frederick Soddy, ) 和 英 國 化 學 家 拉 被鐳灼傷 居里夫婦為檢驗鐳射線對 姆塞(William Ramsay, )從 人 體 生 理 的 作 用 從 而 判 斷 其 危險 光 譜 分 析 中 發 現 鐳 輻 射中含有氦譜 性 他們不惜拿射線對著自己的皮膚 線 經拉塞福和助理德國籍蓋革 作實驗 後來發展為 居里療法 (Hans Geiger, ) 的 進 一 步 放射性治療 這樣 放射性進入醫學 研 究 確 定 α 射 線 為 氦離子流 在 大大推進了醫學治療的發展 拉 塞 福 發 現 α 和 β 射 線的第二年 3. 元素自然蛻變理論 拉 塞 福 (Ernest 14 認 為 它 可 能 是 氫 和 氦 他最初的合 法 國 化 學 家 維 拉 德 (Paul Villard, Rutherford, ) 發 現 鐳 還 放 射 出 第 三 種 ) 是 英 國 物 理 學 家 ( 見 圖 射 線 稱 為 γ 射 線 它不受磁場的 1.5) 他出生於紐西蘭的一個手工業 影響 工 人 家 庭 大 學 畢 業 後 到劍橋大 拉 塞 福 在 加 拿 大 任 大 學 教 授期 學 卡 文 迪 許 實 驗 室 學 習 當湯姆生 間 於 1902 年和索迪合作 通過對鈾 的學生和助理 1898 年到加拿大任 的放射性的研究 提出了原子自然蛻 教 1907 年定居英國 任曼徹斯特 變的理論 這種理論認為 放射性現 大學教授 1918 年繼湯姆生之後任 象是原子自發蛻變的過程 在蛻變過 卡 文 迪 許 教 授 在 他 到劍橋的那一 程中 一種元素的原子放出α和(或) 年 侖琴發現 X 射線 湯姆生指導 β粒子 從而變成另一種新元素的原 一 些 助 理 從 事 這 方 面 的研究 拉塞 子 也就是說 原子是可以分割的 福 參 與 其 中 但 他 的 主要注意力卻 一種原子可變成另一種原子 這種理

22 臺灣輻射防護史話 論衝破了古典物理的陳規 促使物理 α粒子撞擊鈹等物質的實驗中發現中 學和化學的革命性變革 因此 這種 子的 他因此榮獲 1935 年諾貝爾物理 理論具有劃時代的意義 由於拉塞福 學獎 在放射性方面的研究作出卓越貢獻 他榮獲 1908 年諾貝爾化學獎 拉塞福 於 1903 年進一步闡述原子自然蛻變 理論 指出放射性物質是不穩定的 它將在放射某種射線的同時衰變為其 他元素 並不斷進行下去 直至成為 穩定元素 他發現放射性物質的衰變 方程式 dn = λn dt 1. 湯姆生的生平 湯 姆 生 (Joseph John Thomson, ) 是 英 國 物 理 學 家 ( 見 圖 1.6) 電子的發現者 他出生在英國曼 徹斯特郊區 父親是書商和出版商 他 14 歲時到歐文學院學習工程 1876 年他進入劍橋大學三一學院 在他獲 (1.1) 得學位之前他父親就去世了 他只好 靠獎學金維持學業 他的數學修養很 式中的 N 表示 t 時刻的原子數 λ表 示單位時間的衰變機率 是放射性物 質常數 這個方程式反映了放射性物 質 的 放 射 強 度 隨 時 間 按 指 數 規 律衰 減 1913 年前後 索迪發現鐳 鈾 釷等放射性物質的放射性轉化物最終 都是鉛 這就為元素原子自然蛻變理 論提供了有力的證據 高 獲 得 第 二 名 甲 等 數 學 優 等 生稱 號 並獲得史密斯獎學金 後來他在 卡文迪許實驗室工作 在瑞利的指導 下 研究電磁理論和克魯克士的陰極 射線 1884 年瑞利辭去劍橋大學卡文 迪許實驗室主任的職務 28 歲的湯姆 生被選為第三任卡文迪許實驗室主任 (首任是麥克斯韋 第四任是拉塞 拉塞福不僅在放射性而且在原子 結構方面的研究都作出了卓越貢獻 1911 年他根據α粒子的大角度散射 實驗提出原子有核模型 1919 年他用 釙放出的α粒子撞擊氮 獲得氧的同 位素 實現了歷史上第一次人工核反 應 1920 年他預言原子核內存在某種 不帶電的粒子 即存在中子 這一預 言於 1932 年由他的學生 英國物理學 家 查 德 威 克 (James 1.4 電子的發現 Chadwick, 福) 這位年輕的科學家的中選使競選 者吃驚 許多人感到意外 但是 人 們對他智慧超群是普遍敬佩的 他主 持卡文迪許實驗室工作一開始就顯示 出非凡的管理才能 他重視實驗室設 備的更新 不斷引進先進設備 採用 新 的 實 驗 方 法 和 技 術 他 重 視 系統 的 有重點的研究工作 設立研究院 他最重視的莫過於人才的培養 他的 門生中有一批傑出的物理學家 在湯 )所證實 查德威克是在用 15

23 第一章 輻射科學的開始 姆生的領導下 卡文迪許實驗室碩果 2. 陰極射線是帶負電的粒子流 累累 成就巨大 成為舉世矚目的物 1890 年前後 湯姆生身為卡文迪 理實驗中心 在他任職期間所培養的 許實驗室主任 他既要關心實驗室的 科學家中 有 55 人成為教授 7 位諾 全盤工作 但又明確選定了陰極射線 這個研究課題 他著手重複赫 茲和麥克斯韋做過的實驗 測 量電脈衝沿著導體的傳播速 度 也測量電脈衝在低壓真空 管中的傳播速度 他特製了一 支 15 米長的真空管 並且用旋 轉鏡來測定時間 測得電脈衝 在真空管中的速度約為 m s-1 後來他又用這種辦 圖 1.6 湯姆生約於 1895 年攝於英國劍橋大學卡文迪許 實驗室 值為 m s-1 實驗結果 貝爾獎獲得者 他自己最重要的成績 使他懷疑陰極射線的傳播是電磁輻射 是發現電子並測出其荷質比 他科學 的說法 後來他更用磁場偏轉的方法 成果卓著 為表彰他在氣體放電的理 證實陰極射線是帶負電的 論和實驗研究方面的巨大貢獻 他榮 獲 1906 年諾貝爾物理學獎 3. 到處都有電子 自湯姆生於 1897 年發現電子以 在發現電子後 湯姆生進而探索 後 人 們 理 解 了 帶 電 物質由 微粒 原子的結構 提出了所謂 湯姆生原 (corpuscle) 組成 因而就比較容易 子模型 這個模型後來被他的學生 在 許 多 現 象 中 感 覺 到 它的存在 在 拉塞福的有核原子模型所取代 他還 那 個 時 期 拉 塞 福 所 發現的β射線 研究氣態氖的分離 光學 電磁學 被 查 實 為 帶 負 電 的 粒 子射線 貝克 放射性 光電現象和熱離子 他的理 勒爾於 1900 年利用磁場和電場偏轉 論促使 熱離子管 的發明 他也研 的 方 法 進 一 步 測 出 β 射線粒子的荷 究 X 射線散射 這位物理大師曾經這 質比 他得到 e m esu g 與 樣描寫他十分幸運的一生 我有好 電子荷質比同一數量級 後來查實這正 的雙親 好的教師 好的同事 好的 是電子射束 門生 好的朋友 許多好的機會和好 運氣以及健壯的體魄 16 法測得陰極射線的速度 測量 1899 年 湯姆生對光電效應所產 生的光電粒子作測量 他用鋅板作陰

24 臺灣輻射防護史話 極 與陽極板相隔 1 厘米左右平行放 而現代物理學的建立和發展 三大 置 當紫外光從鋅板擊出光電子後 發現 卻是現代物理的催生婆和助產 經加速電場而到達陽極 此時 若用 士 外磁場使粒子偏轉 並適當調節磁場 1.5 結語 強度 就可使光電粒子作圓弧運動 在 19 世紀末葉 歐洲科學家們很 若圓弧不觸及陽極板 則光電子回到 陰極 於是光電流就消失 這樣 湯 姆生測得這種光電粒子的荷質比 e m esu g 也與電子荷質比 同數量級 於是 可以認為光電流也是 電子流 他還用同樣的辦法測量熾熱金 屬發出的帶電粒子流也是電子流 湯姆 生以大量實驗結果闡明電子的普遍存 在 陰極射線 β射線和光電流等都是 電子流 電場可以激發出電子 紫外光 可從金屬中擊出電子 加熱的金屬可發 射電子 放射性物質鐳還可以自發地發 射出電子 由此可見 電子是原子的組 成部分 而且比原子小得多 它是帶電 物質的最小荷電體 4. 電子的發現具有劃時代意義 積極地從事陰極射線的研究 德國科學 家侖琴乃於 1895 年 11 月 8 日發現 X 射線 次年 法國科學家貝克勒爾發現 天然的鈾化合物會發出一種不同於 X 射線 但也具有穿透能力能使照相底片 感光的射線 稱它為鈾射線 兩年後 1898 年 7 月在法國巴黎 居里夫婦兩 人首次自瀝青鈾礦渣中提煉出一種新 元素 命名為釙 同年 12 月又成功地 分離出另一種新元素鐳 這兩種元素都 會自發放出輻射 居里夫人稱這種自然 界自發產生輻射的現象為放射性 (radioactivity) 在 短 短 人們必將衝破千百年來認為原子是組 成物質的最小單元的陳舊觀念 而去 了解物質結構更深的層次 因此 這 一發現 連同 X 射線和放射性的發 現 極大地震動了古典物理學 把物 理學帶到了變革的邊緣 成為新物理 學革命的前奏曲 人們曾為 19 世紀末 的 三大發現 即原子可再分割 X 年 間 ( ) 人工輻射 X 射線與天然 放射性核種先後問世 確為一大盛事 此處核種係指原子的種類 電子的發現 說明原子並非 不 可分割 原子必然存在內部結構 3 從輻射防護的觀點 X 射線可藉時 間(T) 屏蔽(S) 距離(D)所謂 TSD 原則 作防護 放射性核種則利用其下列特性 作防護 1. 放射性核種能自發地放出輻射 並衰 變 成 另 一 種 核 種 例 如 α 214 β 214 Po 82 Pb 83 Bi 放出的輻 射 常見的有α β γ等 2. 放射性核種具有一定的半衰期(T1/2) 所謂半衰期是指某放射性核種的原子 射線及放射性 憂喜均有 疑信參半 17

25 第一章 輻射科學的開始 數目衰減到它初始值一半所需要的時 間 通常以 T1/2 來表示 每一種放射 性核種都具有一定的半衰期 它不隨 外界條件以及元素的物理 化學狀態 而變 如 238U 的半衰期為 45 億年 60Co 的半衰期為 5.27 年 198Au 的半衰期 為 2.69 天等 3. 放射性核種的原子數目隨時間呈指數 衰減 一般可用公式 N N0e-λ t 表示 此即為式(1.1)的積分結果 式中 N0 為放射性核種初始的原子數目 N 為 放射性核種經過時間 t 衰變後所剩下 的原子數目 λ為衰變常數 半衰期 (T1/2)與衰變常數(λ)的關係為 T1/ /λ 參考文獻 1. 蘭宜申譯 館 原子科學史 藝文印書 臺北板橋(1991) 2. 郭 奕玲 沈慧君 文化事業公司 3. 郭奕玲 異出版社 4. 翁寶山 有限公司 6. 馬 文 蔚 凡異 新竹市(1996) 沈慧君 物理學演義 凡 新竹市(1996) 原 子 科學家列傳 原子能委員會 5. 翁寶山 物理通史 行政院 臺北市(1996) 原子科學導論 茂昌圖書 臺北市(1998) 周玄之 周永平 發展史上的里程碑 物理學 凡異出版社 新竹市(1999) 7. 閻紫宸 18 從發現 X 射線的侖琴說起 核醫會訊 6(1) (2000)

26 臺灣輻射防護史話 第二章 原子時代的來臨 2.1 前言 現代原子論的創始人首推波耳 (Niels Henrik David Bohr, ) 他 是 繼 德 國 普 朗 克 (Max Karl Ernst Ludwig Planck, ) 美籍德人 愛因斯坦(Albert Einstein, )之 後的又一位量子理論奠基人 這位丹麥 科學家早期的傑出科學成就是創立波 耳原子理論 這也是他最主要的學術貢 獻 他發展了量子概念 揭示了原子物 了原子時代的象徵 他於 1913 年提出 關於氫原子的論文 宣告現代原子理論 的誕生 他是近代物理學史中最著名 最重要的科學家之一 現代原子論的創 始人 他也是一位大思想家 哥本哈根 (Copenhagen)學 派 的 領 袖 他 於 1922 年榮獲諾貝爾物理學獎 表彰他在原子 結構和原子輻射的研究中所作出的貢 獻 他從此聞名世界 圖 2.1 為波耳的 肖像 理學的新途徑 他所提出的原子模型成 2.2 丹麥傑出學者 波耳在 1936 年提出原子核的 液 滴 模 型 以 後 又 和 惠 勒 (William Morton Wheeler, )建立核分裂 理論 這些都很出名 他還參與過美國 曼哈頓(Manhattan)計畫的原子彈製造作 為顧問 化名貝克(Baker) 波耳傑出的 成就在國際上贏得崇高聲譽 這不僅由 於他的個人學術成就突出 也不僅由於 他的科學認識論獨特 而且還由於他在 自己的祖國建立舉世矚目的國際物理學 研究中心 物理學的 聖地 哥本 哈根大學理論物理研究所 這所研究所 成立於 1921 年 3 月 3 日 後來 為記念 圖 2.1 留存於美國普林斯頓大學檔案中的波耳 照片 波耳 80 誕辰 於 1965 年將其正式改名 19

27 第二章 原子時代的來臨 為波耳研究所 拉塞福在放射性和原子結構方面 波耳出生於書香門第 父親是哥本 的研究有卓越成就 1897 年他從鐳輻 哈根大學生理學教授 母親出身於教師 射中發現α射線和β射線 1902 年提 家庭 他的弟弟哈拉德(Harald)是著名數 出了自然蛻變理論 改變了原子不可分 學家 他的四子奧格(Aage)也是著名物 割的陳舊觀念 引起物理學和化學的革 理學家 波耳一生生活幸福 事業順利 命性變革 他於 1906 年前後 在研究 家庭和睦 子孫滿堂 這恰與愛因斯坦 射線對物質作用時 發現有一種莫名的 形成鮮明的對照 他交友廣闊 待人誠 散射現象 他後來於 1909 年指導他的 懇 為人謙遜 前蘇聯科學家蘭道 助 理 德 國 籍 蓋 革 (Hans ( )曾經問過波耳 你是怎麼 ) 和 學 生 馬 斯 登 (Ernest 把那麼多有才華的青年人團結在身邊 Marsden, ) 著重去觀測α射 的 他風趣地回答說 因為我不怕 線的大角度散射實驗 他們把α射線射 在青年人面前承認自己知識的不足 不 向極薄的金屬箔 然後觀測硫化鋅屏上 怕承認自己是傻瓜 波耳謙虛好學是 的α粒子的閃爍 在大量的實驗觀測 他在科學上取得重大成就的一個主要原 中 他們意外地發現了數目可觀的大角 因 1911 年他獲得哥本哈根大學哲學博 度α散射 而這種現象是無法用湯姆生 士學位 以後曾到劍橋的卡文迪許 原子模型來解釋的 拉塞福為此冥思苦 (Cavendish)實驗室向湯姆生求教 幾個 想 他認定α粒子的大角度散射是受到 月後到曼徹斯特(Manchester)向拉塞福 一種很強的電場斥力引起的 祇有當正 學習 拉塞福的工作給他很大啟發 1913 電荷集中在一個很小的區域內時才能 年他是一位年輕的講師 給醫學院學生 產生這種強電場 這個小區域只有原子 上物理課 就是在這一年 他提出了氫 直徑的萬分之一 好像一個大教堂裡 原子結構的新觀點 創立波耳原子理論 的一隻蒼蠅 他在理論計算時把原子 Geiger, 內的正電荷 看成是集中在一點 然 2.3 原子核型的結構 拉塞福這位湯姆生的學生 1908 年 諾貝爾化學獎獲得者 終於在前人思想 的啟發下和在自己實驗的基礎上提出了 著名的有核原子模型(即拉塞福核型原 子) 他的原子模型的實驗依據是α粒子 大角散射現象的發現 後對α粒子施予電場力 使之在單次碰 撞 過 程中畫出一條雙曲線軌道 1911 年 他在 哲學雜誌 上發表題為 物 質對α β粒子的散射和原子構造 的 論文 詳細闡述了蓋革和馬斯登的實驗 以及他的理論推導和結論 他的理論認 為原子內存在一個帶正電的核 這個核 稱為原子核 帶負電的電子圍繞這原子 20

28 臺灣輻射防護史話 核轉動 整個原子呈電中性 這種原子 福核型原子模型無法回答原子穩定性 結構和太陽系結構相似 人們把這種原 問題 這是古典概念在原子模型中所反 子模型稱為拉塞福有核模型 後來 蓋 映出來的根本弱點 波耳為了克服這一 革和馬斯登在拉塞福的建議下 做了一 弱點 認為唯一正確出路就是借助於量 些實驗 檢驗拉塞福核型原子理論計算 子條件 因此 他提出的原子模型最基 的結果 他們終於在 1913 年由實驗證 本的構思就是拉塞福核型原子加量子 實了拉塞福的理論 從此 核型原子取 條件 他自己形容這個模型是一個 小 代了湯姆生原子模型 型機械系統 它一些主要特點像我們的 行星系 不過電子運行規律受量子條 2.4 波耳原子理論 件的制約 波耳在拉塞福有核原子模型的基礎 波耳於 1911 年完成關於電子論的 博士論文後 就到 電子發源地 劍橋 大學卡文迪許實驗室向湯姆生學習 幾 個月後 於 1912 年他轉到曼徹斯特大 學拉塞福實驗室 參與α射線的實驗 這個時期 拉塞福已提出有核原子模 型 並且正在從實驗作進一步論證 波 耳相信這位導師的原子模型是正確 的 因此他到這實驗室來就不僅僅是研 究α和β射線在物質中的穿透本領方 面的理論 而是開始專注於原子結構的 研究 他返回哥本哈根後 於 1913 年 根據拉塞福核型原子模型提出氫原子 結構的新觀點 在拉塞福的直接幫助 下 他的論文 論原子和分子的結構 終於在 哲學雜誌 上發表(1913 年 7 月 9 月和 11 月連續發表三篇論文) 這三篇論文融合了普朗克 愛因斯坦和 拉塞福的思想 並且把光譜學和量子論 結合起來 形成獨具一格的波耳原子理 論 這些論文具有劃時代的意義 拉塞 上 提出兩條基本假設 第一 原子中 電子在庫侖力作用下 在一些許可的軌 道上運動 僅當電子的軌道角動量(L) 為 L=n h 2π (2.1) (其中 n 1,2,3,,h 是普朗克常數) 這 些軌道才是許可軌道 電子在這些軌道 上運動不會發射電磁波 也就是說這是 一系列定態 第二 當電子在這些許可 軌道之間躍遷時 就會發出相對應頻率 的光波 也就是說電子軌道躍遷將產生 光輻射 波耳在接受 1922 年度諾貝爾 物理學獎時 在他的講演中指出 其 實 第一條假設指出了原子的普遍穩定 性 第二條假設指出了銳線光譜的存 在 波耳當時只有 27 歲 他取得如此巨 大的科學成就 固然有種種客觀原因 但是就主觀素質而言 他不受古典著作 的約束 他思想大膽創新 他在科學探 21

29 第二章 原子時代的來臨 索的道路上敢於改革 富有革命性 因 型 此 不是普朗克而是波耳 成了原子力 按照這個模型 人們十分關心的 學的創建人 近代原子論的奠基者和 是 原子核電荷有多少 它和核外電子 量子理論家 的真正領導人 不過 數有什麼關係 波耳的原子理論也並非一帆風順 開始 首先 對原子核結構提出設想的是 時人們並不都贊成 視之為 令人驚異 居里夫人 即瑪麗 居里 她在 1913 的雜交品種 然而 波耳的導師拉塞 年布魯塞爾國際科學會議上提出 原子 福雖有懷疑 但卻真摯地支持和協助 核應由帶正電的粒子和電子所構成 他 相信他會成功 還有像索末菲這位 的 這個設想 能夠解釋放射性物質既 慕尼黑大學的理論物理權威 當時就認 能放出α粒子 又能放出β射線的事 真閱讀波耳的論文 並表示非常贊賞 實 例如 此後 索末菲又把這一理論向前推進了 一大步 成為後人所稱呼的波耳-索末菲 原子理論 Ra Rn + 2 He(α ) 可見 鐳( Ra )進行一次α衰變後變成 2.5 中子的發現 電子 放射性和 X 射線的發現 就 像給人類一把 金鑰匙 打開了通往 微觀世界的大門 拉塞福提出的 原子 氡( Rn ) 相當於它的原子序數減少 2 在元素周期表上的位置移前二個位 60 Co )的β衰變 如 置 還有鈷( Co Ni + 1 e(β ) 有核模型 開創了人們正確認識原子 結構的新紀元 量子論 相對論和量子 力學的建立為人類認識微觀世界的運動 規律提供了科學的理論基礎 20 世紀的 物理學 已經超出了古典物理的範疇 並以穩健的步伐跨進了微觀世界的腹 地 許多令人振奮的發現接踵而來 根據拉塞福的原子模型 原子有 核 核外有電子 核電荷數與核外電子 的電荷數相等 電子就像太陽系的行星 那樣沿著各自的軌道繞核旋轉 所以 拉塞福的原子有核模型也稱為 行星模 22 鈷進行一次β衰變 使它的原子序數增 加 1 它在元素周期表上的位置移後一 位 顯然 這種放射性元素的α或β衰 變只能在原子核內發生 所以 居里夫 人的設想在當時就得到不少物理學家的 支持 其次是質子的發現 許多科學家對 於原子核的電荷發生濃厚的興趣 就是 說原子核中荷電的是什麼東西 早在 1886 年 德 國 的 物 理 學 家 戈 德 斯 坦 (Eugen Goldstein, )在研究陰

30 臺灣輻射防護史話 極射線時發現了一種 奇怪的射線 還沒有在實驗中找到過中子 這種射線是來自陽極 它和陰極射線的 隨著科學技術的發展 在 1930 年 方向相反 如果在陰極上開個小孔 那 兩 位 德 國 的 物 理 學 家 博 思 (Wahher 麼這種射線還會穿透出來 後來 這個 Wihelm Georg Bothe, )和貝克 現象在 1907 年被湯姆生稱為 陽極射 爾(H.Becker)用α粒子撞擊金屬鈹時 發 線 這種 陽極射線 的進一步研究 現了一種特別的輻射 這種輻射具有很 表明 它在磁場中會發生偏轉(說明它帶 強的穿透能力 甚至幾厘米厚的鉛板都 有電荷) 並且是粒子流 它的電荷和質 能穿透 當時人們已經知道γ射線具有 量正好等於氫的正離子 即和氫原子核 很強的穿透本領 並且在磁場中不會發 相同 1914 年拉塞福綜合了實驗事實 生偏轉 博思把這種 輻射 放在磁場 後 提出了這種粒子就是氫原子核 叫 和電場中試驗 結果發現 它既不受磁 做質子 場的作用 也不受電場的影響 所以 這個令人鼓舞的發現 促使當時的 物理學界接受了原子核結構的 質子- 博思和貝克爾以為 他們發現的輻射是 γ射線 並公布於眾 電子 模型 按照這個模型可以估算出 當時 約里奧-居里(F. Joliot-Curie, 原子核內的質子數和電子數 例如 鈉 ) 和 他 的 妻 子 伊 倫 娜 居 里 原子 它的原子序數為 11 其核內有 22 (Irene Joliot-Curie, )對博思的 個質子 11 個電子 顯然這個核所帶的 實驗很感興趣 並且認真地重複了博思 正電荷為 ll e (e 為電荷單位 為 1.6 的實驗 還加以發展 他們讓這種 輻 庫侖) 從整體上來說 鈉原子呈中 性 但卻無法符合 自旋的理論 這樣一來 質子-電子 模型受到 了嚴重的挑戰 由於這種難於調和的矛 盾 促使勇於探索自然秘密的人們轉而 注意 1920 年拉塞福提出的設想 拉塞福 在第二次貝克講座中 提出可能存在質 量和質子相仿的中性粒子 他認為 這 個中性粒子是由於庫侖引力的作用 使 質子和電子結合而產生的 1921 年美國 的 一 位 化 學 家 哈 金 斯 (William Darper Harkins, )把這個粒子命名為 圖 2.2 約里奧-居里夫婦攝於 1934 年 中子 這僅是一個猜想 因為當時 23

31 第二章 原子時代的來臨 射 去作用石蠟 發現有粒子被打出 居里夫婦的實驗進行了更加深入的研 他們經過仔細的檢驗 發現這個粒子原 究 他認為γ射線是沒有質量的 根本 來是從氫化合物中釋放出來的氫核 不可能從石蠟中打出質子 他用博思發 質子 可是 對於γ射線來說 儘管它 現的這種 輻射 與硼作用 發現產生 的穿透能力很強 但不可能從石蠟中打 了新的原子核 查兌克通過測定 發現 出質子的 約里奧-居里夫婦(見圖 2.2) 新原子核的質量增加了 並且證實這個 公布了這個研究結果 他們離發現中子 增加的質量幾乎和質子的質量相等 這 已經不遠了 遺憾的是 他們失掉了一 樣就可以斷定 博思發現的 輻射 實 次機會 際上是質量與質子相等的粒子流 查兌 約里奧-居里夫婦的研究結果 引起 克讓這些粒子流通過電磁場 沒有發現 任何的偏轉現象 說明它們是呈現電中 性的 經過艱苦的實驗和探索 查兌克 (見圖 2.3)認為這些粒子流就是中子 並 於 1932 年 2 月 17 日寫了封信寄給 自 然 雜誌 發表了這一結果 這樣 人 們尋找已久的中子終於被發現了 查兌 克也就因為發現中子而獲得了 1935 年 的諾貝爾物理學獎 中子的發現具有深遠的意義 首先 海 森 伯 (Werner Karl Heisenberg, )立 即 提 出 質 子 -中 子 模 型 代替了 質子-電子 的模型 這 樣 人類才認識到原子核是由質子和中 子組成的 其次 人們對於原子量與原 子序數的關係 以及原子核的自旋 原 子核的穩定性等問題 有了新的認識 第三 人類對於中子的研究和應用 推 圖 2.3 查兌克玉照 了拉塞福實驗室的密切關注 拉塞福的 年輕學生 英國的物理學家查兌克 (James Chadwick, )對約里奧- 24 動了核子物理的飛躍發展 開創著新的 時代 2.6 原子核的分裂反應 二十世紀上半葉電能已經廣泛應

32 臺 灣 輻 射 防 護 史 話 用, 成 為 一 系 列 新 興 工 業 的 能 源 基 礎 與 此 同 時, 在 能 源 開 發 方 面 也 正 在 發 生 深 刻 的 革 命, 即 人 類 掌 握 核 能 的 時 代 到 來 了! 根 據 愛 因 斯 坦 的 質 能 關 係 : 2 E = mc (2.2) 式 中 的 m 為 物 體 的 質 量,c 為 光 速 ( 米 / 秒 ) 質 能 關 係 式 是 從 理 論 上 預 言 了 發 掘 強 大 能 源 的 可 能 性 但 是, 人 類 真 正 掌 握 核 能 的 開 發 技 術, 卻 經 歷 了 艱 難 曲 折 的 過 程 1. 原 子 核 反 應 的 發 現 原 子 核 反 應 比 之 人 們 熟 悉 的 化 學 反 應 有 著 許 多 新 的 特 點, 是 人 類 一 個 嶄 新 的 課 題 最 早 從 事 這 方 面 工 作 的 是 英 國 科 學 家 拉 塞 福 他 用 α 粒 子 撞 擊 原 子, 才 認 識 了 原 子 的 結 構 他 用 α 粒 子 撞 擊 氮 核, 發 現 氮 原 子 核 轉 變 成 氧 原 子 核 ( 同 位 素 17), 同 時 釋 放 出 一 個 質 子 ( 氫 原 子 核 ), 即 N+ 2He 8O+ 1H 14 顯 然, 這 一 過 程 的 發 生 不 是 原 子 的 反 應, 而 是 原 子 核 的 反 應, 即 由 於 核 的 相 互 作 用 導 致 了 新 原 子 核 的 形 成 ( 氮 核 和 氦 核 作 用 後 變 成 了 氧 核 和 氫 核 ) 拉 塞 福 在 1919 年 的 這 一 發 現, 是 人 類 第 一 次 實 現 了 原 子 核 的 人 工 蛻 變 這 個 人 工 蛻 變 和 以 往 的 自 然 蛻 變 ( 天 然 放 射 過 程 ) 完 全 不 同, 具 有 深 遠 的 意 義 隨 著 人 們 對 原 子 核 反 應 的 繼 續 探 索, 許 多 類 似 的 核 反 應 不 斷 被 發 現 在 這 中 間, 約 里 奧 - 居 里 夫 婦 發 現, 用 α 粒 子 撞 擊 硼 和 鋁, 可 以 獲 得 人 工 放 射 性 元 素 氮 和 磷 這 是 他 們 的 首 次 發 現, 取 得 了 決 定 性 的 一 步 反 應 方 程 式 如 下 : B+ 2He 7N Al+ 2He 15 P+ 此 式 中 的 13 N n 1 0 n 30 7 和 15 P 都 是 放 射 性 同 位 素 當 停 止 α 射 線 的 撞 擊 後, 它 們 還 能 繼 續 保 持 著 放 射 性, 但 持 續 的 時 間 不 13 長 氮 的 同 位 素 ( 7 N ) 放 出 一 個 正 電 子 後 轉 變 為 碳, 大 約 經 過 10 分 鐘 的 時 間, 放 射 性 強 度 減 小 一 半 ( 即 半 衰 期 ); 磷 的 同 位 30 素 ( 15 P ) 放 出 一 個 正 電 子 後 轉 變 為 矽, 其 半 衰 期 為 2.2 分 鐘 約 里 奧 - 居 里 夫 婦 用 人 工 蛻 變 的 方 法 產 生 了 放 射 性 同 位 素, 這 一 發 現 為 人 類 探 索 和 研 究 核 反 應 開 闢 了 一 個 嶄 新 的 領 域 他 們 由 此 而 獲 得 了 1935 年 的 諾 貝 爾 化 學 獎 然 而, 利 用 α 粒 子 撞 擊 氮 核 硼 核 和 鋁 核, 由 此 引 起 的 核 反 應 的 能 力 和 效 率 不 高, 因 而 很 難 顯 示 出 核 反 應 過 程 中 所 蘊 藏 的 巨 大 能 量 這 一 個 劃 時 代 的 問 題 怎 樣 解 決 呢? 當 英 國 物 理 學 家 查 兌 克 發 現 中 子 以 後, 引 起 了 許 多 物 理 學 家 的 重 視, 特 別 是 義 大 利 年 輕 的 物 理 學 家 費 米 (Enrico Fermi, ) 立 即 採 用 中 25

33 第二章 原子時代的來臨 子來產生放射性元素 鑒於中子是電 )和奧地利的女物理學家邁 中性的 它不受靶核的靜電排斥 所 特娜(Lise Meitner, )相信他 以中子肯定比α粒子(帶正電荷)容易 們能夠找出這種 新的放射性物 打進靶核而引起反應 尤其是引起一 質 因而在柏林進行實驗工作 開 些重元素的核反應 費米(見圖 2.4)基 展了鈾核分裂的重大課題研究 他們 於上述的考慮 他和他的合作者們 合作得非常成功 阿 瑪 爾 迪 達 戈 斯 蒂 諾 哈恩(見圖 2.5)生於 1879 年 誕 (O.d Agostino) 拉賽蒂(Franco Rasetti, 生地是德國的法蘭克福 少年時的哈 1902-) 和 埃 米 利 奧 賽 格 雷 (Emilio 恩並不是非常優秀的學生 但他酷愛 Segre) 後 來 還 有 龐 德 科 伏 科學實驗 特別是化學實驗 他考入 (B.Pontecorvo) 用 鈹 和 鐳 作 為 中 子 源 進行了三年的研究工作 首批發 現了約 40 種新的放射性物質 同 位素 取得了可喜的成就 1934 年 費米等人在一次偶然的 機 會 中 發 現 通 過 石 蠟 過 濾 後 的中 子 它產生的核反應要比直接從鐳 鈹 的 射 源 所 產 生 的 核 反 應 要 有 效得 多 這一現象 一經確認 費米就天 才地提出了解釋 即中子通過石蠟 由 於 彈 性 碰 撞 的 緣 故 使 其 放 慢 了速 度 這種慢中子 在產生某種核反應 上 它比快中子的能力將是成百倍地 提 高 費 米 抓 住 這 個 慢 中 子 不 放 進行了專門的研究 創造了中子 慢化的數學理論 為開拓原子核物理 方面作出了重大貢獻 費米因此而獲 得了 1938 年的諾貝爾物理獎 在 1934 年 費米等人已開始用中 子撞擊鈾的實驗 發現反應物中存在 26 圖 2.4 美國於 2001 年發行的費米紀念郵票 一種新的放射性物質 但沒有檢測出 馬爾堡大學 又轉入慕尼黑大學 他 來 德 國 化 學 家 哈 恩 (Otto Hahn, 當過威廉 拉母賽(William Ramsay,

34 臺灣輻射防護史話 他在 1904 年 因發現惰 年逃離德國 到斯德哥爾摩避難 她 性氣體獲得諾貝爾化學獎) 艾米爾 和哈恩共同工作的結果 是製定了一 費 歇 爾 (Emil Fischer, 套新的放射化學的實驗方法 正是這 他得過諾貝爾化學獎)和 種方法使得哈恩和他的助理斯特拉斯 拉塞福(1908 年的諾貝爾化學獎獲得 曼(Fritz Strassmann, 1902-)在梅特娜 者)的助理 他曾經發現過放射性釷和 逃亡後的幾個月內成功地發現了鈾分 錒 又 和 邁 特 納 一 起 發 現 了 放 射性 裂 取得了這項震驚世界的科研成果 鏷 於 1928 年被任命為柏林皇家化學 哈恩和斯特拉斯曼用中子撞擊原 Hermann 研究所所長 梅特娜(見圖 2.6) 是奧地利人 她是一位傑出的 具有猶太血統的女 科學家 她是普朗克的助手 爾後在 柏林皇家研究所成為一名科學家 她 子序數為 92 的鈾 發現得到了原子序 數為 56 的鋇 和原子序數為 36 的氪 這個分裂的反應方程式如下 * n U 92 U 56 Ba + 36 Kr n 在核物理方面作出過許多重要貢獻 1938 年 12 月 哈恩等人把這個結果 她和哈恩一起從事鈾核分裂的研究工 寄給德國 自然科學 發表 並獲 1944 圖 2.5 哈恩教授約攝於 1950 年 作 由於希特勒的瘋狂排猶 儘管哈 恩作了許多努力 她不得不於 1938 圖 2.6 梅特娜教授玉照 年諾貝爾化學獎 梅特娜在瑞典得悉這個消息後 27

35 第 二 章 原 子 時 代 的 來 臨 指 出 : 它 揭 開 了 人 類 歷 史 的 新 紀 元 她 和 侄 子 弗 里 希 (Otto Robert Frisch, 1904-) 一 起 進 行 重 核 分 裂 的 研 究 他 們 在 英 國 自 然 雜 誌 上 發 表 文 章, 給 哈 恩 的 實 驗 作 了 正 確 的 解 釋, 並 算 出 約 有 200 MeV 的 能 量 釋 放 出 來 1939 年 1 月 16 日, 他 們 又 在 同 一 雜 誌 上 發 表 文 章 指 出 : 中 子 引 起 的 鈾 分 裂 : 新 型 核 反 應 他 們 對 鈾 核 分 裂 的 物 理 圖 像 分 裂 的 機 制 分 裂 的 產 物, 作 出 了 準 確 的 分 析, 特 別 是 釋 放 的 能 量 估 算 比 較 準 確, 並 指 出 : 在 核 分 裂 的 過 程 中 有 一 部 分 質 量 按 照 愛 因 斯 坦 的 質 能 關 係 式 轉 變 為 能 量, 因 此, 重 核 分 裂 的 過 程 一 定 伴 隨 著 巨 大 能 量 的 釋 放 2. 鏈 反 應 的 產 生 控 制 和 核 反 應 堆 匈 牙 利 物 理 學 家 西 拉 德 (Leo Szilard, ) 是 最 早 考 慮 到 實 現 鏈 反 應 ( 核 分 裂 反 應 ) 的 可 能 性 他 首 先 從 理 論 上 進 行 探 討, 設 想 一 個 中 子 引 起 一 個 原 子 核 的 分 裂, 在 核 反 應 的 產 物 中 又 會 產 生 一 個 以 上 的 中 子, 使 核 的 分 裂 反 應 繼 續 維 持 下 去, 這 樣 一 來, 原 子 核 的 分 裂 反 應 就 像 一 根 鏈 條 一 樣, 一 環 一 環 地 持 續 下 去 西 拉 德 的 設 想, 就 是 當 時 關 於 鏈 反 應 的 雛 型 哈 恩 和 斯 特 拉 斯 曼 發 現 了 鈾 核 分 裂 後, 受 到 西 拉 德 設 想 的 啟 發, 也 很 快 意 識 到 實 現 鏈 反 應 的 可 能 性 哈 恩 在 1939 年 的 新 原 子 雜 誌 上, 指 出 : 根 據 計 算, 一 個 鈾 原 子 取 得 一 個 中 子, 它 的 質 量 數 ( 即 核 內 質 子 與 中 子 的 總 和 ) 是 236, 分 裂 後 產 生 鋇 和 氪, 它 們 最 穩 定 同 位 素 的 質 量 數 分 別 是 136 和 86, 兩 者 之 和 為 222, 因 此 從 鈾 分 裂 為 鋇 和 氪 的 過 程, 多 出 了 12 個 中 子 按 照 費 米 的 理 論, 引 起 鈾 核 分 裂 的 中 子 並 不 需 要 快 中 子 ( 高 能 量 ), 那 麼 由 鈾 核 分 裂 的 產 物 中 子, 就 可 以 繼 續 引 起 其 他 鈾 核 分 裂, 以 至 出 現 鏈 反 應 當 時 已 經 從 意 大 利 移 居 美 國 的 費 米, 也 清 楚 地 看 到 了 實 現 這 種 鏈 反 應 的 可 能 性 理 論 上 提 出 鏈 反 應 的 可 能 性 是 十 分 重 要 的, 而 實 驗 則 是 檢 驗 理 論 正 確 與 否 的 唯 一 標 準 1939 年 約 里 奧 - 居 里 等 人, 通 過 實 驗 找 到 了 鈾 核 分 裂 的 產 物 中 確 有 中 子 存 在, 並 且 證 實 了 一 個 中 子 引 起 一 個 鈾 核 ( 235 U) 分 裂 的 過 程 會 同 時 釋 放 出 2 到 3 個 中 子 這 個 分 裂 過 程 表 示 如 下 : * ( 慢 中 子 ) + U ( 複 合 核 ) 1 0 n U ( 鍶 ) + Xe( 氙 ) 3 n( 中 子 ) Sr 54 + 這 個 實 驗 的 意 義 很 大, 它 證 實 了 哈 恩 的 基 本 設 想, 就 是 說 利 用 慢 中 子 撞 擊 鈾 核 後, 分 裂 會 持 續 下 去 它 使 人 類 獲 得 核 分 裂 的 鏈 反 應 有 了 實 現 的 基 礎 這 樣, 鈾 核 分 裂 的 鏈 反 應 的 圖 像 已 經 變 得 非 常 清 晰 核 的 分 裂 開 0 28

36 臺 灣 輻 射 防 護 史 話 始 後, 就 由 一 個 中 子 引 起 一 個 鈾 核 ( 235 U) 分 裂, 而 鈾 核 分 裂 產 生 的 2 到 3 個 中 子, 它 們 分 別 引 起 兩 個 鈾 核 分 裂, 使 鈾 核 分 裂 的 數 目 不 斷 地 急 劇 增 加 一 個 鈾 核 分 裂 後, 可 以 釋 放 出 約 200 MeV 的 能 量, 而 且 鏈 反 應 的 倍 增 時 間 ( 從 一 個 鈾 核 分 裂 到 它 放 出 中 子 再 引 起 另 一 個 鈾 核 分 裂 的 時 間 ) 一 般 平 均 不 到 50 億 分 之 一 秒 理 論 計 算 表 明,1 克 鈾 核 分 裂 釋 放 的 能 量 相 當 於 燃 燒 3 噸 煤 釋 放 的 能 量, 況 且 這 麼 多 的 能 量 要 在 非 常 短 的 時 間 裡 集 中 釋 放 出 來, 所 以 它 具 有 十 分 強 大 的 爆 炸 能 力 分 裂 的 鏈 反 應 有 如 此 巨 大 的 能 量 產 生, 是 人 類 開 發 核 能 的 基 礎 但 是, 人 類 要 應 用 核 能, 就 不 僅 僅 要 獲 得 鏈 反 應, 還 要 控 制 鏈 反 應, 而 且 要 有 生 產 高 純 度 核 燃 料 的 能 力 這 個 偉 大 目 標 的 實 現, 是 以 世 界 上 第 一 座 原 子 核 反 應 堆 (pile) 的 建 成 和 正 常 投 入 運 轉 為 重 要 標 誌 的 1939 年 初, 波 耳 把 歐 洲 完 成 核 分 裂 的 消 息 帶 到 美 國 後, 引 起 了 移 居 美 的 費 米 與 西 拉 德 的 強 烈 回 響 西 拉 德 認 為, 鈾 核 分 裂 的 鏈 反 應 可 能 被 用 於 製 造 新 式 炸 彈, 如 果 希 特 勒 掌 握 了 這 種 武 器 後, 那 將 會 給 全 世 界 造 成 可 怕 威 脅 所 以, 西 拉 德 和 原 籍 匈 牙 利 的 物 理 學 家 威 格 納 (Eugne Paul Wigner, 1902-) 和 泰 勒 (Edward Teller, ) 一 起 去 找 愛 因 斯 坦 他 們 的 觀 點 得 到 了 愛 因 斯 坦 的 支 持 1939 年 8 月 2 日, 用 愛 因 斯 坦 的 名 義 寫 了 一 封 致 美 國 總 統 羅 斯 福 的 信 件 ( 由 西 拉 德 等 起 草 ) 信 中 的 主 要 內 容 如 下 : 我 通 過 未 經 發 表 的 文 件 獲 知 費 米 和 西 拉 德 最 近 的 一 些 工 作 這 使 我 預 料 鈾 這 種 元 素 在 不 久 的 將 來 可 能 變 成 一 種 新 的 重 要 能 源 對 於 這 一 新 情 況 的 某 些 方 面, 看 來 政 府 應 當 引 起 重 視, 並 在 必 要 時 迅 速 採 取 行 動 所 以 我 覺 得 有 責 任 提 請 您 注 意 如 下 事 實 及 建 議 : 過 去 四 個 月 裡, 由 於 約 里 奧 在 法 國 所 作 的 工 作 以 及 費 米 與 西 拉 德 在 美 國 所 作 的 工 作, 已 經 產 生 了 這 種 希 望, 就 是 有 可 能 在 大 量 的 鈾 當 中 引 起 原 子 核 的 鏈 反 應, 並 由 此 產 生 巨 大 的 能 量 以 及 大 量 類 似 鐳 的 新 元 素 現 在 看 來 在 不 久 的 將 來 實 現 這 一 點, 幾 乎 是 確 定 無 疑 的 了 這 一 新 現 象 也 可 以 用 於 製 造 炸 彈, 而 且 可 以 想 像, 這 樣 製 造 出 來 的 將 是 威 力 極 強 的 新 式 炸 彈, 一 顆 這 樣 的 炸 彈 在 一 個 港 口 爆 炸, 就 很 可 能 將 整 個 港 口 連 同 部 分 周 圍 地 區 一 起 摧 毀 鑒 於 上 述 情 況 您 當 會 認 為, 政 府 與 在 美 國 研 究 鏈 反 應 的 一 批 物 理 學 家 之 間 保 持 某 種 經 常 性 的 聯 繫 是 合 適 的 我 獲 悉 德 國 實 際 上 已 停 止 出 售 29

37 第 二 章 原 子 時 代 的 來 臨 它 占 領 捷 克 斯 洛 伐 克 鈾 礦 所 出 產 的 鈾 柏 林 的 威 廉 皇 家 研 究 所, 目 前 正 重 複 進 行 美 國 關 於 鈾 的 一 些 研 究 羅 斯 福 收 到 信 件 後, 於 1939 年 10 月 11 日 下 令 組 織 鈾 顧 問 委 員 會 美 國 總 統 羅 斯 福 於 1941 年 12 月 6 日 ( 珠 港 事 件 發 生 的 前 一 天 ) 批 准 了 研 製 原 子 彈 的 曼 哈 頓 工 程 計 畫, 並 由 此 出 現 了 保 健 物 理 術 語 這 項 工 程 由 美 國 新 成 立 的 軍 事 政 策 委 員 會 領 導 該 委 員 會 由 國 防 研 究 委 員 會 主 席 布 希 (V.Bush) 博 士 任 主 席, 成 員 有 哈 佛 大 學 校 長 科 南 特 (J.B. Cobant), 海 軍 少 校 帕 內 耳 (W.R.E. Purnel), 陸 軍 後 勤 部 參 謀 長 史 泰 爾 少 將 (W.D.Styer) 和 陸 軍 工 程 總 負 責 人 戈 羅 夫 斯 准 將 (L.R.Groves) 為 了 驗 證 鏈 反 應 的 實 際 條 件, 美 國 決 定 建 立 一 座 原 子 反 應 堆, 並 委 任 費 米 為 技 術 負 責 人 1941 年 12 月, 費 米 來 到 芝 加 哥, 領 導 一 批 物 理 學 家 在 芝 加 哥 大 學 斯 塔 格 運 動 場 的 西 看 臺 下, 開 始 建 造 世 界 上 第 一 座 原 子 反 應 堆 當 時 美 國 儲 存 的 鈾 非 常 地 少, 滿 足 不 了 需 要 為 了 解 決 這 個 緊 迫 問 題, 美 國 愛 阿 華 (Iowa) 大 學 承 擔 了 這 個 責 任, 具 體 由 斯 佩 丁 (F.H.Spedding, 1902-) 領 導 並 成 立 專 門 研 究 小 組 他 們 採 用 離 子 樹 脂 交 換 法 提 純 鈾, 到 1942 年 已 分 離 出 純 鈾 二 噸, 為 實 現 曼 哈 頓 工 程 提 供 了 最 基 本 的 條 件 在 鏈 反 應 中, 235 U 在 慢 中 子 作 用 下 有 85% 以 上 的 分 裂 機 率, 而 238 U 則 吸 收 慢 中 子 放 出 β 粒 子, 並 不 發 生 分 裂, 所 以 要 採 取 特 殊 方 法 把 天 然 的 238 U( 占 99.3%) 和 235 U( 僅 占 0.7%) 分 離 出 來 由 於 238 U 和 235 U 的 性 質 相 同, 很 難 用 化 學 方 法 把 它 們 分 開 這 個 難 題 是 由 美 國 化 學 家 尤 里 (Harold Clayton Urey, ) 採 用 氣 體 擴 散 法 解 決 的 這 個 方 法 的 要 點 是 根 據 238 U 和 235 U 的 氟 化 物 ( 氣 體 ) 的 原 子 質 量 相 差 1.3% 的 特 點, 使 它 們 的 氣 體 分 子 擴 散 速 度 發 生 差 異, 讓 它 們 通 過 5000 道 濾 壁 後, 得 到 體 235 U 的 濃 縮 氣 但 是, 這 種 氣 體 擴 散 法 太 花 錢 又 費 時, 要 獲 得 足 夠 的 可 分 裂 材 料, 必 須 另 闢 途 徑 1940 年, 美 國 的 年 輕 物 理 助 理 教 授 麥 克 米 蘭 (E.M.McMillan, 1907-) 在 檢 測 分 裂 碎 片 時, 發 現 有 一 種 半 衰 期 為 2.3 天 的 物 質, 經 過 鑒 別, 確 認 為 原 子 序 數 為 93 的 新 元 素 命 名 為 錼 ( Np ) 這 種 錼 的 生 成 是 由 鈾 238 捕 獲 一 個 中 子, 又 經 β 衰 變 後 產 生 的 同 年, 勞 倫 斯 (Ermest Orlando Lawrence, ) 主 持 的 加 州 伯 克 萊 研 究 所 的 席 博 (G.T.Seaborg, ) 等 人 發 現, 經 β 衰 變 可 以 轉 239 變 成 鈽 ( 94 Pu ) 1943 年 3 月, 他 們 成 功 地 製 造 了 鈽, 並 證 實 鈽 239 是 很 好 的 可 分 裂 材 料 因 此, 祇 要 把 238 U 捕 獲 一 個 30

38 臺灣輻射防護史話 中子經過兩次β衰變 即可得到鈽 它是一個很好的材料 金屬鎘棒對於 U 轉 中子有很大捕獲截面 它能夠大量地 變為寶 對加快原子彈的製造起了很大 吸收中子 這樣 可以把金屬鎘棒插 的作用 入反應堆中 讓它大量吸收中子 使 這是一個重大發現 它使大量的 有了核燃料以後 集中目標解決 中子的增殖係數小於 1 致使核反應 的是控制鏈反應進行的問題 前面說 停止或者不能發生 改變金屬鎘棒插 過 要使鏈反應產生 慢中子要比快 入反應堆的位置 使中子的增殖係數 中子更好 分裂的機率更高 所以需 等於 1 則核反應就自持進行下去 要中子的緩和劑 開始時 約里奧- 拿出金屬鎘棒 使中子的增殖係數大 居里用重水(D2O)的氘核作緩和劑 這 於 1 則核反應激烈地進行 及至發 種重水既不吸收中子 又有很好的減 生爆炸 速作用 不過當核反應激烈時重水有 在費米的領導下 經過一年的努 被蒸發的危險 針對這個缺點 費米 力 世 界 上 第 一 座 原 子 反 應 堆 建成 等人主要採用石墨作中子緩和劑 效 了 這個反應堆是石墨層和鈾層相間 果也很好 要使鏈反應產生 除了有 堆砌而成的 共計 57 層 它的高約 235 U)有一定 6.5 米 寬 9 米 長 10 米 1942 年 12 的體積 這個體積的大小與鏈反應密 月 2 日 在費米的指揮下 開始抽出 切相關 這是因為鈾的體積越大 在 插入鈾堆中的鎘棒 經過一些時間 反應中產生的中子被另一個鈾核吸收 中子的增殖係數達到 1 使核反應處 的機率也就越大 否則中子還未擊中 在自持階段 這座反應堆的功率祇有 鈾核時就逃逸出鈾塊之外 造成了中 200 瓦 但是 它已經說明人類掌握 子的損失 使鏈反應無法進行 維持 了原子核能的秘密 它標誌著原子核 鏈反應進行的最小鈾塊的體積 叫做 能的光輝時代已經到來了 慢中子外 還要求濃縮鈾( 臨 界 體 積 這 個 臨 界 體 積 和鈾 (235U)的濃度有關 現在 有了核燃料 又有了緩和 劑 石墨 還掌握了維持鏈反應的 條件 臨界體積 除此之外 還必 須嚴格控制中子的增殖速度 否則分 裂的鏈反應必然是破壞性的爆炸 為 2.7 我國興建核反應器概況 我國興建核反應器始於民國 48 年 (1959) 先後興建 14 座 其中一座停用 兩座還在興建 兩座已除役 其興建的 時間順序列於表 2.1 表中清華係指清華 大學 核研所係指核能研究所 此目的 費米等人發現 採用金屬鎘 (Cd)棒作為控制中子增殖速度來說 31

39 第二章 原子時代的來臨 表 2.1 編號 我國興建核反應器的時序 名 臨界或商業運轉 (民國) 稱 1 清華水池式反應器 核研所微功率反應器 核研所臺灣研究用反應 器 4 清華阿岡諾反應器 清華移動教學反應器 第一核能發電廠一號機 第一核能發電廠二號機 第二核能發電廠一號機 第二核能發電廠二號機 核研所水鍋式反應器 除役或停用 (民國) 77 年停用 82 年除役 86 年除役 第三核能發電廠一號機 第三核能發電廠二號機 第四核能發電廠一號機 獲建廠執照 14 第四核能發電廠二號機 獲建廠執照 參考文獻 1. 翁寶山 獅書店 2. 郭 奕 玲 原子能研究的新發展 幼 臺北市(1969) 林木欣 沈慧君 理發展中的著名實驗 近代物 凡異出版社 新竹市(1996) 3. 楊昭義 學 歐陽敏盛 水牛圖書公司 4. 翁寶山 行政 臺北市(2000) 臺灣核能史話 子能委員會 32 臺北市(1997) 原子時代的小故事 院原子能委員會 5. 翁寶山 核能發電工程 臺北市(2001) 行政院原

40 臺灣輻射防護史話 第三章 單位與輻防的量 3.1 前言 歷史上 根據不同的需要 曾建立 過許多種單位制 多種單位制的併存給 科學技術 貿易和教育帶來了很大的困 擾和麻煩 1948 年第 9 屆國際計量大 過協調各國的計量科學研究工作人員 不斷地更新 充實和完善 包括基本單 位在內的單位定義和復現方法 國際單 位制也將不斷地修改 充實和完善 1. 國際單位制的基本單位(見表 3.1) 表 3.1 會(CGPM)決定採用米(m) 千克(kg) 秒(s) 安培(A) 克耳文( K )和新燭光 (cd)等 6 個單位為所要建立的新單位制 的基本單位 1956 年國際計量委員會 (CIPM)把由上述 6 個基本單位為基礎 而命名為 國際單位制 1960 年第 11 屆 CGPM 正式定名為國際單位制 量的名稱 國際單位制的基本單位 單位名稱 單位符號 長度 米 (公尺) 質量 千克 (公斤) kg 時間 秒 s 電流 安 [培] A 熱力學溫度 克耳文 K 物質的量 克分子(莫耳) mol 發光強度 新燭光 cd m 註 括弧和方括弧的說明見表 3.2 其國際符號為 SI(法文) 當時的國際單 位制包括 6 個基本單位 12 個詞頭 計量單位的說明 個輔助單位和 27 個導出單位 1967 年 1. 計量單位的符號 第 13 屆 CGPM 將熱力學溫度單位克耳 對單位的符號 CGPM 有統一的 文( K )的符號改為(K) 1971 年第 14 規定 一般原則上採用了這些符號 屆 CGPM 將 物 質 的 量 的 單 位 克 分 子 稱為國際符號 符號的形式如長度單 (mole 符號 mol)增加為國際單位制的 位的 m 表示質量單位的 kg 等 另一 第 7 個基本單位 同時 CGPM 還陸續 種是附於數字右上角的符號 例如表 增加了幾個詞頭和導出單位 並對一些 示平面角的度 ( ) 分 (') 秒 (") 等 導出單位賦予專門名稱 單位的中文符號由單位和詞頭的 簡稱構成 例如 安培 的中文符號 3.2 國際單位制 隨著計量科學技術的不斷進步 準 確度不斷地提高 國際計量局(BIPM)通 是 安 皮法拉(pF) 的中文符 號是 皮法 等 2. 基本單位 33

41 第三章 單位與輻防的量 基本單位是指單位制中 選定作 定電流時 若導線間相互作用力在 為構成其它單位基礎的單位 在國際 每米長度上為 牛頓 則每 單位制中 以米 千克 秒 安培 根導線中的電流為 1 安培 見圖 克 耳 文 (kelvin) 克 分 子 和 新 燭 光 3.4 (candela)等 7 個單位為基本單位 這 些單位都有嚴格的理論定義 它們都 能以目前科學技術所能達到的最高精 度來復現和保存 1米 玻璃罩 39 mm 1/ 秒 圖 mm 長度單位米示意圖(1983 年) 由 CGPM 通過的 7 個基本單位的 最新定義如下 圖 3.2 (1) 米 千克原器示意圖(1901 年) 光在真空中於 1/ 秒時間間隔內所經路徑的長度稱 為米 又稱公尺 見圖 3.1 (2) 千克 千克是質量單位 等於國際千 克原器的質量 又稱公斤 見圖 圖 3.3 秒定義示意圖(1967 年) 安培 (3) 秒 秒是與銫 133 原子基態的兩 力 牛頓 個超精細能階間躍遷所對應的輻 1米 射的 個周期的持續 時間 見圖 3.3 1米 1 安培 (4) 安培 安培是電流單位 在真空中 截面積可忽略的兩根相距 1 米的 無限平行圓直導線內通以等量恒 34 圖 3.4 安培定義示意圖(1948 年) (5) 克耳文

42 臺灣輻射防護史話 克耳文是熱力學溫度單位 是 赫茲的單色輻射 且在 水 的 三 相 點 熱 力 學 溫 度 的 此方向上的輻射強度為 1/683 瓦特 1/ 見圖 3.5 每球面度 100 水沸點 0.01 水三相點 0.00 水冰點 絕對零度 F 赫茲 K K K 1/683 瓦特每球面度(1979 年) 0.00 K 圖 3.7 圖 3.5 克耳文定義示意圖(1967 年) 新燭光定義示意圖 3. 輔助單位 CGPM 把表示平面角的單位以及 kg 12 C 表示立體角的單位另列為一類 稱為 輔助單位 它們既可以用 1 表示如 1 = 60 1 = 60 也可以用給出的專 門名稱 弧度 和 球面度 在實 際使用平面角和立體角的單位時 根 圖 3.6 據不同場合下的需要 既可用純數來 克分子定義示意圖(1971 年) (6) 克分子 表示它們 也可以用專門名稱來表示 它們 克分子是一系統的物質的 1980 年 CIPM 決定把國際單位制 量 該系統中所包含的基本單元數 中的輔助單位解釋為無因次的導出單 與 千克碳 12 的原子數目相 位 對此 CGPM 允許在國際單位制 等 使用克分子時 基本單元應予 導出單位詞組中使用或不使用弧度和 指明 可以是原子 分子 離子 球面度的自由 電子及其它粒子 或是這些粒子的 特定組合 克分子又稱為莫耳 見 圖 3.6 (7) 新燭光 4. 導出單位 凡是由 7 個基本量通過函數關 係 導 出 的 量 都 稱 為 導出量 導出 量 的 單 位 都 是 導 出 單 位 例如速度 新燭光是一光源在給定方向 的 單 位 是 米 每 秒 密 度的單位是千 上的發光強度 該光源發出頻率為 克 每 立 方 米 等 在 大 量的導出單位 35

43 第三章 單位與輻防的量 中 有 19 個經 CGPM 認定給予了專 單位的倍數單位和分數單位不可分割 門 的 名 稱 稱 為 具 有 專門名稱導出 的部分 表示該單位增大或縮小的倍 單位 數 因此 詞頭既不是數 也不是詞 5. 主單位 它不能單獨使用 只有加在 SI 單位或 在國際單位制中 凡是沒有加詞 其它一些單位之前有意義 頭的單位(千克除外) 都是主單位 加詞頭後則是 SI 單位的十進倍數或 分數單位 (質量的主單位千克是個例 外 分數 倍數單位是在 g 前加 k 以外的詞頭構成 g 也是分數單位 ) 主單位 包括基本單位和導出單位 都是獨立定義的單位 在 SI 單位中 單位間關係式中的 係數都等於 1 即滿足一貫性原則 例如 1 J 1 N m 1 Pa m3 1 W s 1 V A s 1 Wb A 1 C V 1 kg m2s-2 (3.1) 對於 SI 單位的分數 倍數單位 以上的關係就不再成立 即出現非 1 的係數 例如 1 J 100 N cm (3.2) 6. 十進倍數和分數單位 在國際單位制中 單位都是十進 的 一切倍數和分數單位 無例外地 只能由詞頭加在主單位之前構成 而 不應另給專門名稱 由詞頭加在 SI 單 位之前構成的單位叫做 SI 單位的十 進倍數和分數單位 SI 單位的詞頭原有 16 個 1991 年第 19 屆 CGPM 上通過又增加了 4 個詞頭(見表 3.2) SI 詞頭是整個 SI 36 表 3.2 用於構成十進倍數和分數單位的詞頭 所表示的因數 詞頭名稱 約它(Yotta) 塞它(Zetta) 艾[可薩] 百京(exa) 拍[它](peta) 太[拉] 兆 萬億(tera) 吉[咖](giga) 百萬(mega) 千(kilo) 百(hecto) 十(deka) 分(deci) 厘(centi) 毫(milli) 微(micro) 納[諾] 輕 奈(nano) 皮[可] 漠(pico) 飛[母托] 毫漠(femto) 阿[托] 微漠(atto) 塞波托(zepto) 約科托(yocto) 詞頭符號 Y Z E P T G M k h da d c m μ n p f a z y 註 周 月 年(年的符號為 a)為一般常用的 時間單位 [ ]內的字 是在不致混淆的情況下 可以 省略的字 角度單位度 分 秒的符號不處於數字後 時 用括弧 升的符號用 L 小寫字母 l 為備用符號 r 為 轉 的符號 如轉每分(r/min) 人民生活和貿易中 質量習慣稱為重量 公斤為千克的通稱 公里為千米的通稱 符號為 km 104 稱為萬 108 稱為億 1012 稱為萬億或 兆 這類數詞的應用不受詞頭名稱的影 響 但不應與詞頭混淆 上述詞頭中譯尚未統一

44 臺灣輻射防護史話 3.4 輻射防護的量 等效劑量(dose equivalent)指發生生 物效應之游離輻射劑量 就數值 在早期由行政院原子能委員會公布 的游離輻射防護安全標準 關於輻射防 護的量不及後來修訂者明確 下列係依 照公布的時間先後 說明輻射防護量的 演變 並區分為第一版本 第二版本等 1. 第一版本 我國 游離輻射防護安全標準 係於民國 59(1970)年 7 月 29 日由行政 院公布實施 當時的標準係依據國際 放 射 防 護 委 員 會 (International Commission on Radiological Protection, ICRP)1959 年的第二號建議(ICRP-2) 暨 1966 年的第 9 號建議(ICRP-9)所建 議的輻射防護哲理 並參考國際原子 能 總 署 (International Atomic Energy Agency, IAEA)1967 年發行的輻射防 護基本安全標準(安全叢書第 9 號 IAEA-9)及美 日等先進國家的防護標 準訂定而成 時正值我國原子能的學 術與應用由萌芽進入蓬勃發展的關鍵 時期 本標準在輻射防護安全管制上 發揮了相當大的功能 使國內原子能 的研究與應用得以在安全中求進步 對國家經濟發展與社會繁榮的促進 貢獻良多 輻射防護的量如下 吸收劑量(absorbed dose)指受游離 輻射照射特定部位之單位質量所接 受游離粒子之能量 吸收劑量之單 位為雷得(rad) 1 公克質量接受 100 爾格能量為 1 雷得 言 為吸收劑量 射質因數(quality factor) 劑 量 分 配 因 數 (dose distribution factor)與其他必要調整 各因數之乘積 就游離輻射防護之 目的言 吸收劑量與射質因數相乘 之積 已足以表示人員曝露於各種 游離輻射後所接受之等效劑量 用於游離輻射防護之射質因數之數 值見該版本附錄(二)第一 二 三 表 等效劑量之單位為侖目(rem) 千分 之一侖目為毫侖目 居里(Ci)指放射度之單位 一定量 之放射性核種在一秒鐘內發生衰變 次 者 其放射度為一居 里 千分之一居里為毫居里 百萬 分之一居里為微居里 中子通率(neutron flux)指在一秒鐘 內落入於截面積為一平方公分之球 面上中子之數目 劑量積存(dose commitment)指由於 侵入體內之放射性物質在五十年內 對一器官或一組織所產生之總劑 量 遺傳劑量(genetic dose)指一地人口 影 響 遺 傳 之 年 劑 量 (annual genetically significant dose)與平均 生育年齡之乘積 本標準暫定平均 生育年齡為三十年 影響遺傳之年 劑量指對一地人口每年影響遺傳之 37

45 第三章 單位與輻防的量 劑量 為個人生殖腺劑量之加權平 量接受一焦耳能量為一戈雷(一戈 均值 加權因數為曾受照射預期之 雷等於一百雷得) 等效劑量 指人體組織之吸收劑量 子女數 與射質因數之乘積 用於輻射防護 2. 第二版本 射質因數由原子能委員會公告之 1977 年 ICRP 提出了關於輻射 等效劑量之單位為西弗(Sv)(一西弗 防 護 標 準 新 建 議 ( 第 26 號 建 議 等於一百侖目) 千分之一西弗為毫 ICRP-26) 並於 1979 年發表了依據 西弗 百萬分之一西弗為微西弗 ICRP-26 所訂定體內曝露管制限度的 深 部 等 效 劑 量 (deep dose 建議(第 30 號建議 ICRP-30) 隨後國際上各先進國家亦針對 ICRP 此項建議陸續修正發布其 眼球等效劑量 0.3 公分 國家的輻射防護標準或法規 我 國主管機關行政院原子能委員 深部組織 會亦因應此一趨勢 依據 外表死組 ICRP-26 暨 ICRP-30 的建議 觀 淺部組織 察多年來執行輻射防護管制的 實務經驗 考量輻射防護相關科 學知識與技術發展成果 參考 深部等效 劑量 淺部等效劑量 IAEA 於 1982 年發行的輻射防 護基本安全標準(安全叢書第 9 號 IAEA-9 修訂版)暨美 日等 β 先進國家的標準 將游離輻射防 護安全標準修正為現行標準 並 報請行政院於民國 80 年(1991)7 γ β 月 10 日公布施行 輻射防護的 劑量 量如下 γ 劑量 指被物質吸收之輻射能 公分 量 吸收劑量 指單位質量物質 38 1 公分 圖 3.8 深部及淺部等效劑量 接受輻射之平均能量 吸收 equivalent) 適用於全身之體外曝 劑量之單位為戈雷(Gy) 一公斤質 露 指身體一公分深處之等效劑

46 臺 灣 輻 射 防 護 史 話 量 全 身 指 包 括 頭 部 身 體 軀 幹 手 肘 以 上 之 手 臂 膝 蓋 以 上 之 腿 部 等 部 位 淺 部 等 效 劑 量 (shallow dose equivalent): 適 用 於 皮 膚 或 四 肢 之 體 外 曝 露, 指 公 分 深 處 組 織 之 等 效 劑 量 眼 球 等 效 劑 量 (eye dose equivalent): 適 用 於 眼 球 水 晶 體 之 體 外 曝 露, 指 0.3 公 分 深 處 組 織 之 等 效 劑 量 上 述 三 種 等 效 劑 量 如 圖 3.8 所 示 有 效 等 效 劑 量 (effective dose equivalent): 指 人 體 中 受 照 之 各 器 官 或 組 織 之 平 均 等 效 劑 量 與 其 加 權 因 數 乘 積 之 和, 加 權 因 數 由 原 子 能 委 員 會 公 告 之 約 定 等 效 劑 量 (committed dose equivalent): 指 單 次 攝 入 放 射 性 物 質 於 體 內 後 對 某 一 器 官 或 組 織 在 五 十 年 內 將 累 積 之 等 效 劑 量 約 定 有 效 等 效 劑 量 (committed effective dose equivalent): 指 體 內 受 曝 露 器 官 或 組 織 之 約 定 等 效 劑 量 與 加 權 因 數 乘 積 之 和 集 體 劑 量 (collective dose): 指 特 定 人 口 曝 露 於 某 輻 射 源, 群 體 所 受 劑 量 之 總 和, 單 位 為 人 西 弗 ( 人 侖 目 )(man-sv, man-rem) 3. 第 三 版 本 ( 未 公 布 實 施 ) 現 行 標 準 施 行 迄 民 國 87 年, 於 此 期 間 各 事 業 單 位 在 落 實 本 標 準 過 程 中 發 現 本 標 準 仍 難 免 有 所 闕 漏 或 窒 礙 難 行 之 處 等 問 題 亟 待 改 進 另 隨 社 會 民 主 化 與 多 元 化 程 度 日 益 升 高, 社 會 大 眾 的 權 利 意 識 高 漲, 對 原 子 能 科 技 應 用 所 衍 生 的 輻 射 安 全 問 題 日 益 殷 切 此 外,ICRP 亦 在 1991 年 再 度 提 出 更 新 的 輻 射 防 護 標 準 的 建 議, 國 內 環 保 人 士 對 儘 早 施 行 此 項 最 新 建 議, 亦 賦 予 高 度 期 待 近 年 來, 主 管 機 關 除 對 現 行 標 準 的 疏 漏 詳 加 檢 討 外, 並 就 立 即 實 施 ICRP-60 的 可 行 性 進 行 了 深 入 且 廣 泛 的 評 估 在 審 慎 考 量 事 業 單 位 作 業 與 主 管 機 關 管 制 實 施 的 需 求 社 會 上 民 意 的 期 待 暨 輻 射 防 護 安 全 標 準 發 展 趨 勢 等 主 客 觀 形 勢 並 經 廣 徵 意 見 後, 主 管 機 關 決 定 依 下 列 原 則 對 現 行 標 準 為 適 當 的 修 正, 並 於 民 國 87 年 6 月 30 日 定 稿 (1) 在 不 影 響 輻 射 安 全 暨 維 持 本 標 準 的 穩 定 性 的 前 提 下 修 正 標 準 的 規 定, 俾 免 因 修 正 幅 度 過 大 造 成 事 業 單 位 調 適 困 難 反 而 對 輻 射 防 護 品 質 造 成 負 面 影 響 (2) 針 對 現 行 標 準 疏 漏 與 規 定 不 明 確 之 處 予 以 補 充 或 修 正, 使 法 規 內 容 更 加 周 延 與 完 整, 符 合 實 際 需 要 (3) 關 於 ICRP-60 建 議 的 採 納, 鑒 於 該 項 建 議 與 ICRP-26 相 比, 變 動 幅 度 甚 大 ( 例 如 : 輻 射 工 作 人 員 劑 量 限 度 管 制 周 期 由 1 年 變 5 年 ), 且 部 分 理 論 架 構 尚 未 發 展 完 備, 例 如 : 39