放射性

Posted on 2014/12/26 in 原子核物理, 物理, 近代物理學的簡介 Introductory Modern Physics with 沒有迴響 8,998 views

放射性 (Radioactivity)
國立臺灣大學物理系101級鍾豪

圖一
圖片出處：維基百科。

何謂放射性

不穩定的元素，從原子核自發性地向外噴發出放射線，衰變為穩定的元素而停止放射，該現象稱為「放射性」。不同的元素有不同的衰變類型，如圖一，不同顏色代表不同的衰變類型，而黑色代表穩定的元素，亦為衰變最終產物。

放射性強度的單位是「貝克 \((\mathrm{Bq})\)」，因次為 \(s^{-1}\)，代表每秒中原子衰變的次數。例如，一克的鐳（Ra）放射性大小有 \(3.7\times 10^{10}~\mathrm{Bq}\)。

容易與貝克混淆的是「西弗 \((\mathrm{Sv})\)」，西弗的因次為 \(m^2s^{-2}\) 或 \(J/kg\)，代表每公斤所受的輻射能量。貝克描述的是放射性物質本身的特質和活性，而西弗描述的是人體健康的危害程度。貝克僅受放射性物質的狀態影響，而西弗則受放射性物質的強度、與放射性物質的距離、有無屏蔽、風向等環境因素影響。

常見的放射線

放射線的來源可分為自然與人工。自然放射線來自不穩定的元素衰變或太空中的宇宙射線。

人工放射線指的是將穩定的元素以某種射線或粒子去撞擊，使其原子核變成不穩定而發出放射線。人工放射線可依需求製造不同的射線，且能控制強度與能量，而且不需要時也能隨時停機。常見的人工放射線來源是粒子加速器和核子反應爐。核子反應爐在進行核反應時，會產生大量射線，故在反應爐上開設一個小孔，便可得到一束放射線，缺點是射線種類複雜。

常見的天然放射線有 \(\alpha\) 射線、\(\beta\) 射線、\(\gamma\) 射線。\(\alpha\) 射線是氦原子核 \((^2_4\mathrm{He})\)，穿透能力差，大約一張紙即可將其隔絕。\(\beta\) 射線是高速電子束 \((e^{-})\)，穿透能力較 \(\alpha\) 射線強，大約一公分的鋁板可將其隔絕。\(\gamma\) 射線是高能光子束，穿透能力最強，需要原子序高和密度高的元素構成的材料，如銅、鉛等，才能將其隔絕。

放射性的應用

放射性物質的衰變有固定的半衰期，不受環境的影響而改變。而生物死後便停止與外界交換物質，因此，計算放射性物質的剩餘量和半衰期比較，便可估算出生物存活的年代。應用上，\(^{14}_{~~6}\mathrm{C}\) 的半衰期為 \(5730\) 年，長度適中，經常用來估算古生物化石的年齡，是為「放射性碳定年法」。

放射性物質也廣泛應用在醫療領域。例如利用 \(\beta^{+}\) 衰變產生的正電子射線，可用來進行正電子發射斷層掃描（PET），是一種非侵入式探測腫瘤的方法。又例如利用鈷-60做為放射源，照射癌化的部位，破壞癌細胞，達到治療的效果。

放射性對人體的危害

放射性對人體的危害可分為慢性和急性。若長期暴露在放射性的環境中，會傷害染色體，導致細胞分裂異常、無法再生，造成白內障、貧血、不孕、癌症等，是為慢性傷害。若短時間大量接受放射線，將立即產生潰瘍、水泡、免疫系統失能、造血機制停止等症狀，若無適當治療，數日內可能死亡。

放射性的測量

平時在電影或電視影集經常可看到，科學家拿著一台發出「答、答、答」的探測器找尋放射性物質，這是「蓋格計數器（Geiger counter）」，它因為使用方便、價格便宜，故廣泛被使用在醫學、工業領域。但蓋格計數器僅能計算放射線的數量，無法測量種類和能量大小。例如一顆低能的氦原子核與一顆高能的電子，蓋格計數器同樣計數一次或發出「答」一聲，無法區分二者，但不同種類和不同能量的放射線，對人體有不同的影響。

例如：中子極易與水發生反應，而人體含有大量的水，因此中子射線較其它射線更容易被人體吸收，也更危險。因此，要完整測量放射性物質，需使用矽（Si）、鍺（Ge）或閃爍體（Scintillation）等，搭配光電倍增管，才能完整得知放射線的種類與能量。

參考文獻