原 子 物 理 學 ( 一 ) 輻 射 和 放 射 性 5.1 輻 射 和 放 射 性 X- 射 線 X- 射 線 是 一 種 致 電 離 高 穿 透 力 短 波 長 的 電 磁 輻 射 當 快 速 電 子 撞 擊 到 重 金 屬 靶 子 時 便 發 射 出 X- 射 線 α β 和 γ 輻 射 α β 和 γ 輻 射 的 由 來 和 性 質 就 以 下 的 性 質 比 較 α β 和 γ 輻 射 : 穿 透 能 力 射 程 致 電 離 能 力 在 電 場 和 磁 場 中 的 偏 轉 和 在 雲 室 中 的 徑 跡 等 放 射 衰 變 在 不 穩 定 核 素 中 發 生 的 放 射 衰 變 放 射 衰 變 的 無 規 特 性 樣 本 的 放 射 強 度 和 未 衰 變 原 子 核 的 數 目 之 間 的 正 比 例 關 係 半 衰 期 的 定 義 從 放 射 性 同 位 素 的 衰 變 曲 線 或 數 據 紀 錄 決 定 其 半 衰 期 解 釋 涉 及 半 衰 期 的 問 題 輻 射 檢 測 使 用 感 光 底 片 和 蓋 革 - 彌 勒 計 數 器 檢 測 輻 射 用 蓋 革 - 彌 勒 計 數 器 量 度 輻 射, 並 以 計 數 率 為 表 達 單 位 輻 射 安 全 問 題 本 底 輻 射 的 主 要 來 源 使 用 單 位 希 沃 特 表 達 輻 射 劑 量 的 大 小 致 電 離 輻 射 的 潛 在 危 險 性 和 減 低 吸 收 輻 射 劑 量 的 方 法 處 理 放 射 源 的 安 全 措 施 1
1. X 射 線 (X-ray) i) X 射 線 的 性 質 高 頻 率 的 電 磁 波 波 長 :10-8 m 10-10 m 穿 透 能 力 很 強 致 電 離 能 力 較 弱 ii) 顯 示 X 射 線 波 動 性 質 的 證 據 X 射 線 在 晶 體 內 的 繞 射 現 象 iii) 人 工 產 生 X 射 線 當 電 流 流 經 燈 絲 時, 燈 絲 受 熱 而 發 射 電 子 這 個 過 程 稱 為 熱 離 子 發 射 電 子 會 由 陰 極 加 速 射 向 陽 極 由 於 兩 極 之 間 的 電 壓 極 高, 電 子 的 速 率 ( 動 能 ) 也 極 高 當 這 些 高 能 量 的 電 子 撞 擊 到 鎢 製 的 陽 極 時, 會 急 劇 地 減 速, 部 分 能 量 會 轉 化 為 X 射 線 2
2. 貝 克 勒 耳 (Becquerel) 實 驗 貝 克 勒 耳 在 1896 年 發 現 某 些 物 質 ( 如 鈾,Uranium) 能 夠 發 射 出 某 種 不 可 見 的 輻 射, 能 在 黑 暗 中 使 照 片 底 片 曝 光 而 變 黑 放 射 性 物 質 (radioactive substances) 是 指 一 些 能 釋 放 穿 透 性 輻 射 的 物 質 放 射 現 象 (radioactivity) 是 指 放 射 性 物 質 釋 放 出 輻 射 的 現 象 3
3. 輻 射 的 性 質 和 特 質 i) 三 種 輻 射 的 性 質 a) α 粒 子 輻 射 : 氦 核 (Helium nucleus) b) β 粒 子 輻 射 : 高 速 運 動 電 子 (a fast moving electron) c) γ 射 線 輻 射 : 波 長 極 短 的 電 磁 波 (electromagnetic wave) 有 些 放 射 源 同 時 放 射 三 種 不 同 輻 射, 但 有 些 則 放 射 一 至 二 種 ii) 輻 射 性 質 總 結 α 粒 子 β 粒 子 γ 射 線 輻 射 本 質 氦 原 子 核 電 子 電 磁 波 電 荷 +2-1 0 射 出 時 的 速 度 約 光 速 的 十 分 之 一 約 光 速 的 十 分 之 九 等 於 光 速 雲 室 徑 跡 粗 而 且 筆 直 幼 細 而 曲 折 徑 跡 並 不 明 顯 致 電 離 能 力 強 中 弱 (ionizing power) 空 氣 中 的 射 程 幾 厘 米 幾 米 幾 百 米 (range in air) 電 場 中 的 偏 轉 微 小 大 不 偏 轉 磁 場 中 的 偏 轉 微 小 大 不 偏 轉 穿 透 能 力 弱 中 強 (penetrating power) 阻 隔 物 料 紙 張 薄 鋁 片 厚 鉛 板 4
iii) 雲 室 徑 跡 (cloud chamber tracks) a) α 輻 射 的 雲 室 徑 跡 : 產 生 筆 直, 清 楚 而 短 粗 的 徑 跡 原 因 : 強 致 電 離 能 力 b) β 輻 射 的 雲 室 徑 跡 : 產 生 較 細 的 曲 折 (twisted) 徑 原 因 : 弱 致 電 離 能 力 c) γ 輻 射 的 雲 室 徑 跡 : 產 生 更 曲 折 及 斷 續 的 徑 跡 ( 或 徑 跡 並 不 明 顯 ) 原 因 : 非 常 弱 致 電 離 能 力 5
iv) 直 角 分 叉 徑 跡 (right-angled fork track) α 粒 子 在 充 有 氦 氣 的 雲 室 中 成 直 角 的 徑 跡 表 明,α 粒 子 和 氦 核 具 有 相 同 質 量 這 意 味 著 α 粒 子 就 是 氦 核 v) 在 電 場 中 的 偏 轉 (electric deflection) vi) 在 磁 場 中 的 偏 轉 (magnetic deflection) 6
vii) 貫 穿 能 力 (penetration power) ( α 粒 子 的 穿 透 能 力 最 弱 ( 這 是 由 於 α 粒 子 的 致 電 離 能 力 最 大, 在 空 氣 中 前 進 時 會 不 斷 電 離 空 氣 分 子, 其 動 能 不 斷 減 少, 故 一 張 薄 紙 已 可 把 它 阻 擋 ( β 粒 子 的 穿 透 能 力 較 α 粒 子 強 要 完 全 阻 檔 盧 粒 子, 需 用 一 塊 5 mm 厚 的 鋁 片 ( 鉛 板 不 能 用 作 阻 隔 β 粒 子 因 為 β 粒 子 射 到 鉛 板 後, 鉛 板 會 放 出 另 一 種 射 線 -X 射 線 ( γ 射 線 的 穿 透 能 力 是 三 種 射 線 中 最 強 的 用 一 塊 厚 2 cm 的 鉛 板, 才 可 以 把 γ 射 線 的 強 度 減 弱 一 半 ; 而 一 塊 厚 8 cm 的 鉛 板, 才 可 以 把 γ 射 線 的 強 度 減 弱 90% 7
4. 放 射 衰 變 (radioactive decay) i) 核 蛻 變 (nuclear disintegration) a) α 衰 變 (alpha decay) A Z X A z 4 2 Y + 4 2 He 例 : 92 U + 238 4 2 He b) β 衰 變 (beta decay) A Z X z A + Y + 0 1 1 e 例 : Pa + 234 0 91 1 e β 衰 變 中, 原 子 核 內 的 其 中 一 個 中 子, 會 變 成 一 個 質 子 和 一 個 電 子, 電 子 隨 即 放 射 出 去, 而 質 子 則 留 在 原 子 核 內 n p + 1 1 0 0 1 1 e 子 核 (daughter nucleus) 會 比 母 核 (parent nucleus) 多 了 一 個 質 子, 而 少 了 一 個 中 子 8
c) γ 衰 變 (gamma decay) 發 射 出 一 個 α 粒 子 或 β 粒 子 後, 子 核 通 常 處 於 一 個 受 激 狀 態 (excited state), 即 子 核 有 過 剩 能 量 ( 下 方 公 式 有 * 表 示 ) 它 將 會 發 射 γ 射 線 而 失 去 它 所 過 剩 能 量 A Z Y A z Y + 0 0γ 在 γ 衰 變 中, 質 量 數 目 和 原 子 數 都 不 會 改 變, 衰 變 的 產 物 將 是 與 母 核 相 同 的 元 素 相 反, 在 α 和 β 衰 變 中, 母 核 和 子 核 不 再 屬 於 同 一 元 素 ii) 衰 變 系 (decay series) 衰 變 後 產 生 的 子 核 若 不 穩 定, 會 繼 續 衰 變, 直 至 穩 定 為 止 這 一 連 串 的 衰 變, 稱 為 衰 變 系 下 頁 圖 中, 鉀 24l 發 生 β 衰 變 後 產 生 一 個 不 穩 定 的 子 核 鎇 241, 它 接 著 會 作 α 衰 變 而 產 生 鎿 237 如 是 者, 不 穩 定 的 原 子 核 會 繼 續 衰 變, 直 至 變 成 穩 定 的 鉍 209 為 止 9
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衰 變 系 可 用 中 子 數 與 原 子 序 數 的 圖 線 ( 即 N-Z 圖 線 ), 或 質 量 數 與 原 子 序 數 的 圖 線 ( 即 A-Z 圖 線 ) 表 示 11
5. 本 底 輻 射 (background radiation) i) 簡 介 即 使 附 近 沒 有 放 射 源,GM 計 數 器 仍 記 錄 到 一 個 低 讀 數 這 就 是 本 底 輻 射 ii) 本 底 輻 射 的 形 成 原 因 a) 外 太 空 的 宇 宙 線 (cosmic radiation from space) b) 石 和 壤 中 的 天 然 放 性 物 質 (radioactive substances in the earth) c) 核 試 的 污 染 (radioactive pollutions from weapon testings) d) 工 業 上 的 輻 射 泄 漏 (industrial leakages) iii) 計 算 在 進 行 量 度 輻 射 之 前, 我 們 必 需 先 量 度 出 本 底 輻 射 才 可 以 獲 得 正 確 的 計 數 率 例 如 : 使 用 GM 管 測 出 本 底 輻 射 的 讀 數 = 58 次 / 分 鐘 放 射 源 X 的 輻 射 讀 數 = 210 次 / 分 鐘 放 射 源 X 的 正 確 的 輻 射 讀 數 = (210-58) = 152 次 / 分 鐘 12
6. 衰 變 的 無 規 性 (random nature) i) 單 位 放 射 性 物 質 每 秒 鐘 放 射 的 次 數, 稱 為 放 射 強 度 放 射 強 度 的 單 位 為 貝 克 勒 耳 (Bq),1 Bq 表 示 放 射 性 物 質 每 秒 鐘 放 射 一 次, 即 1 Bq = l s -1 ii) 衰 變 的 無 規 性 我 們 雖 然 無 法 確 定 哪 個 原 子 核 會 何 時 發 生 衰 變, 但 若 放 射 性 物 質 中 的 原 子 核 數 目 很 多, 則 可 以 預 測 在 某 段 時 間 之 後, 將 會 有 特 定 數 目 的 原 子 核 發 生 衰 變 換 言 之, 我 們 只 能 推 測 數 目 龐 大 的 原 子 核 的 統 計 性 行 為 由 於 放 射 衰 變 的 無 規 性 (randomness), 每 次 我 們 以 蓋 革 - 彌 勒 計 數 器 量 度 放 射 性 物 質 的 放 射 強 度 時, 所 錄 得 的 讀 數 都 會 有 差 異 放 射 性 元 素 衰 變 的 速 率 很 穩 定, 跟 原 子 所 處 的 物 理 狀 態 或 化 學 狀 態 無 關, 故 不 會 受 溫 度 壓 強 或 濕 度 等 外 界 因 素 所 影 響 13
iii) 衰 變 曲 線 (decay curve) 若 以 修 正 後 的 計 數 率 ( 扣 除 本 底 輻 射 的 計 數 率 ) 為 縱 坐 標, 時 間 為 橫 坐 標, 所 畫 出 的 圖 線, 稱 為 衰 變 曲 線 iv) 半 衰 期 (half-life) 放 射 元 素 的 半 衰 期, 是 這 元 素 的 一 半 原 子 核, 發 生 衰 變 所 需 的 時 間 半 衰 期 也 是 放 射 元 素 的 放 射 強 度 減 半 所 需 的 時 間 半 衰 期 愈 短 的 元 素, 其 衰 變 速 率 愈 快 下 圖 中, 以 氡 222 為 例, 其 半 衰 期 為 3.8 天, 即 每 過 3.8 天, 就 會 有 一 半 的 氡 原 子 核 發 生 衰 變 若 開 始 時 共 有 2000000 個 氡 原 子 核, 經 過 3.8 天 後, 會 有 1000000 個 衰 變 了, 剩 下 1000000 個 再 經 過 3.8 天, 會 剩 下 500000 個 14
7. 輻 射 的 用 途 i) 放 射 性 示 蹤 物 (radioactive tracer) 將 微 量 的 弱 放 性 同 位 素 置 於 一 系 統 之 中, 用 檢 測 器 可 探 測 出 它 在 系 統 中 的 蹤 跡 這 樣, 放 射 性 同 位 素 就 成 了 指 示 蹤 跡 的 示 蹤 物 一 般 來 說, 示 蹤 物 的 半 衰 期 較 短, 輻 射 的 後 遺 症 較 弱 常 見 的 示 蹤 物 a) 示 蹤 物 在 醫 療 上 的 應 用 很 廣 如 探 測 血 塊 的 位 置 將 納 25(Na-25) 注 入 人 循 環 系 統 中, 用 蓋 革 一 彌 勒 計 數 器 (GM 計 數 器 ) 探 測 放 射 性 同 位 素 在 甚 麼 地 方 受 阻, 這 就 是 血 塊 所 在 的 位 置 向 體 內 注 注 入 放 射 性 碘 131(I-131), 根 據 其 吸 收 情 況, 可 診 斷 狀 腺 疾 病 用 鎝 99(Tc-99) 獲 得 腦 部 掃 描 用 診 斷 腦 部 疾 病 b) 在 農 業 上, 在 肥 料 中 摻 入 少 量 的 磷 30(P-30), 可 用 於 研 究 植 物 的 吸 收 情 況, 進 一 步 確 定 農 作 物 所 需 要 的 肥 料 數 量 15
ii) 放 射 治 療 (radiotherapy) 鈷 60(Co-60) 釋 出 的 γ 射 線 可 殺 死 癌 或 惡 性 腫 瘤 的 細 胞 γ 射 線 源 以 腫 瘤 部 位 為 中 心 作 圓 周 運 動 這 樣 γ 射 線 集 中 在 腫 瘤 部 位, 能 夠 殺 死 癌 細 胞, 而 周 圍 健 康 的 細 胞 接 受 的 輻 射 微 乎 其 徹, 因 而 不 會 受 到 損 害 iii) 消 毒 殺 菌 (sterilization) γ 射 緩 可 用 於 食 物 殺 菌, 或 醫 院 儀 器 的 消 毒 由 於 γ 射 線 的 能 量 高, 穿 透 能 力 強, 因 此 可 以 穿 過 食 物 或 儀 器 的 包 裝 進 行 消 毒 這 種 先 包 裝 後 消 毒 的 方 法, 可 避 免 包 裝 過 程 中 對 食 物 或 儀 器 的 污 染 利 用 放 射 線 殺 菌 的 方 法, 對 於 一 些 會 因 加 熱 消 毒 而 被 熱 力 破 壞 的 物 料 特 別 有 效 iv) 厚 度 監 控 (thickness control) β 輻 射 可 用 於 量 製 成 品 的 厚 度 是 否 標 準 我 們 衹 需 測 量 通 製 成 品 後 到 達 GM 計 數 器 的 蘆 輻 射 的 強 度 可 監 測 紙 張 的 厚 度 16
v) 泄 漏 監 控 (leakage detector) 往 輸 油 或 輸 氣 管 道 注 中 人 放 射 性 同 位 素, 人 們 就 容 易 判 斷 出 管 道 上 泄 漏 點 的 位 置, 而 不 必 把 管 道 全 都 挖 出 來 檢 查 用 於 這 種 探 測 的 放 射 性 同 位 素 是 β 放 射 源, 它 的 半 衰 期 應 該 在 若 干 小 時 至 幾 天 之 間, 這 樣 的 放 射 源 一 方 面 給 我 們 足 夠 的 探 測 時 間, 另 一 方 面 又 不 致 存 留 太 久 而 成 安 全 問 題 vi) 年 代 鑑 定 (carbon dating) 空 氣 中 的 二 氧 化 碳 包 括 兩 種 同 位 素 : 穩 定 的 碳 12 和 含 放 射 性 的 碳 14 碳 14 雖 然 會 不 斷 衰 變, 但 每 當 宇 宙 射 線 裏 的 中 子 撞 擊 氮 原 子 核 時, 會 產 生 碳 14, 故 空 氣 中 碳 14 和 碳 12 的 比 例 會 保 持 穩 定 1 14 7 N + 0n 6C + 14 1 1 H 活 植 物 既 吸 收 也 放 出 二 氧 化 碳, 植 物 的 組 織 中 有 含 有 的 碳 -14 的 比 例 是 不 變 的 在 植 物 死 去 之 後, 其 所 含 的 碳 14 開 始 放 出 β 射 線 並 發 生 衰 變, 半 期 為 5600 年 C N + 14 14 0 6 7 1 e 測 定 己 死 的 植 物 碳 14 放 射 強, 可 以 確 定 植 物 生 長 的 年 代 這 種 方 法 為 碳 14 年 代 測 定 法 考 古 學 家 是 用 這 種 方 法 測 定 古 代 遺 物 的 年 代 的 17
8. 探 測 放 射 現 象 的 方 法 (methods of detection) i) 感 光 底 片 (photographic film) 輻 射 物 質 可 使 密 封 (sealed) 的 照 相 底 片 曝 光 而 變 黑 曝 露 (exposure) 於 輻 射 愈 久, 底 片 變 黑 的 程 度 愈 高 此 方 法 可 用 來 探 測 α,β 及 γ 輻 射 ii) 擴 散 雲 室 (Diffusion Cloud Chamber) 在 雲 室 中 可 看 到 輻 射 的 徑 跡 (tracks) 可 用 來 採 測 α,β 及 γ 輻 射 18
iii) 蓋 革 - 彌 勒 計 數 器 (Geiger-Muller Counter, GM Counter) 蓋 革 一 彌 勒 計 數 器 ( 簡 稱 蓋 革 計 數 器 或 GM 計 數 器 ), 是 一 種 靈 敏 的 輻 射 探 測 器, 由 蓋 革 一 彌 勒 管 ( 簡 稱 蓋 革 管 或 GM 管 ) 連 接 脈 衝 計 數 器 (scaler) 或 定 率 計 (ratemeter) 組 成 脈 衝 計 數 器 及 定 率 計 可 顯 示 每 秒 脈 衝 計 數, 即 計 數 率 (counter rate) 可 用 來 比 較 各 種 輻 射 樣 本 的 相 片 輻 射 強 度 它 可 用 來 探 測 β 和 γ 輻 射 及 高 能 量 的 α 輻 射 19
9. 輻 射 的 有 害 影 響 (harmful effects) i) 過 度 暴 露 (over-exposure) 於 輻 射 中 a) 會 殺 死 生 物 細 胞 b) 增 加 了 使 正 常 生 物 細 胞 轉 化 為 癌 細 胞 (cancer cells) 的 可 能 性 c) 影 響 細 胞 核 中 的 遺 傳 密 碼 (genetic codes), 此 遺 傳 應 會 在 受 輻 射 者 的 下 一 代 身 上 表 現 出 來 d) 皮 膚 灼 傷, 眼 晴 白 內 障 (eye cataracts) 及 壞 血 病 ii) 比 較 三 種 輻 射 的 潛 在 危 險 a) α 粒 子 在 空 氣 中 的 射 程 短 且 穿 透 能 力 弱 它 是 危 害 性 最 小 的 輻 射, 除 非 它 被 吞 下 b) γ 射 線 具 有 非 常 強 的 穿 透 能 力, 它 是 最 危 險 的 輻 射 20
10. 安 全 措 施 (safety precautions) i) 輻 射 劑 量 和 有 效 劑 量 要 估 計 某 一 劑 量 的 輻 射 對 人 體 的 危 害, 可 計 算 它 的 有 效 劑 量 或 等 效 劑 量 (H) 有 效 劑 量 = 吸 收 劑 量 x 輻 射 加 權 因 數 x 組 織 加 權 因 數 單 位 : 希 沃 特 (Sv) 或 毫 希 沃 特 (msv) 吸 收 劑 量 (D) 是 指 人 體 每 單 位 質 量 所 吸 收 的 輻 射 能 量 若 不 同 的 輻 射 向 人 體 釋 放 的 能 量 相 同, 它 們 的 輻 射 劑 量 便 會 一 樣 單 位 : J kg -1 或 Gy 輻 射 加 權 因 數 是 指 不 同 輻 射 (α β 或 γ 輻 射 ) 對 人 體 的 傷 害 程 度 組 織 加 權 因 數 是 指 不 同 的 人 體 組 織 對 同 一 種 輻 射 的 敏 感 度 21
ii) 輻 射 防 護 放 射 源 應 儲 存 在 鉛 容 器 內 放 射 源 在 貯 存 地 與 實 驗 室 之 遷 移 時, 放 射 源 應 放 在 容 器 內 應 該 用 夾 子 (tongs) 或 鑷 子 (forceps) 取 起 放 射 源 放 射 源 應 保 持 離 使 用 者 30 cm 以 上, 並 遠 離 人 體 放 射 源 在 空 氣 中 暴 露 的 時 間 (exposure time) 應 盡 可 能 短 在 儲 存 放 射 源 時 的 地 方, 應 貼 下 面 的 標 誌 22