關於輻射,我有了更進一步的了解 以前的我只聽國中的物理老師常常提到輻射這玩意兒 但我卻不了解輻射到底是什麼! 我就只知道輻射就像是光,這次仔細的查了資料才知道 輻射，像光一樣，是一種能量，就像 r 射線等的電磁波，與如電子等的高速粒子的形態傳送。 還有一些有關於輻射對人體的危害,我也都有更深入的認識! 讓我收穫很多。 97年10月22號綜一庚8號洪宇生 輻射 輻射，像光一樣，是一種能量，它以如加馬 (γ) 射線等的電磁波，與如電子等的高速粒子的形態傳送。通常我們依它能量的高低或游離物質的能力，分成非游離輻射和游離輻射兩大類： 非游離輻射：指能量低無法離生游離的輻射，例如太陽光、燈 光、紅外線、微波、無線電波、雷達波等。 游離輻射：指能量高能使物質產生游離作用的輻射。 游離輻射又區分為：(1)電磁波輻射，(2)粒子輻射。 　　一般所謂的輻射或放射線，都是指游離輻射而言。 我們生存的大自然裡，輻射和陽光、空氣、水同時存在，因為它無色、無味、無臭，人體無法直接感應，使得大家對於輻射有莫名的恐懼感。前一陣子有關輻射安全的新聞報導 接連刊登，人人幾乎聞輻色變。 　　人類在一百多年前發現輻射以來，就嘗試應用於許多層面，如X光照射、農產品保鮮與飛機結構檢測等，皆帶給了我們許多的方便。事實上日常生活中已經少不了輻射的應用。 　　我們應該深入了解輻射是什麼，能利用它的優點，而避開它的危險性，不再只是莫名的害怕。 　最早在1895年11月，德國物理學教授侖琴 (Roentgen) 發現一種眼睛看不見但能穿透物質的射線。因不知其名，故稱為X射線，一般俗稱X光。隨後不久發現X射線會使空氣游離而導電。 在了解輻射之前我們先看看原子的構造 　原子的中心為原子核，內含質子和中子，體積很小但質量很大。原子核的外面有電子，像行星繞太陽一般，循著固定的軌道繞著原子核旋轉。 　　我們把原子核內質子數和中子數的總和稱作質量數，例如鈷 60，記成 60Co，它有27個質子和33個中子，其質量數為60。 偉大的原子科學家-湯姆生 在1884年湯姆生年僅28歲，就擔任英國劍橋大學卡文的斯(Cavendish)實驗室的主任。這位被稱為「年輕小伙子」自己也感到十分驚訝，想不到這位年輕人卻使設備簡陋的實驗室轉變成為世界上最負盛名的實驗核子物理重鎮。 　　湯姆生和他的學生拉塞福是最早證實空氣被X射線游離。從這游離現象推導出游離輻射 (放射線)，也就是由原子釋出能量範圍廣大的電磁波和粒子輻射。湯姆生最負盛名的貢獻是探討陰極射線的性質，也就是電子的性質。他藉著電場以偏轉陰極射線;在過去是用磁場使原子偏轉。他終於證實電子為帶負電的粒子。接著他又測定電子的質量，約為氫原子核的二千分之一。在當時原子是被視為最小的粒子。 　　電子是屬於次原子級的粒子，湯姆生是證明次原子級粒子存在的第一位，從此打開了次原子級的門戶，導致他的高足拉塞福在核子物理領內的貢獻。後來湯姆生證實電子和物質相互作用的結果會產生X射線，而X射線和物質相互作用的結果卻會產生電子。 　　第一個原子模型也要歸功於湯姆生，也就是聞名的「葡萄乾布丁模型」。他繪出原子為一球形，充滿了正電荷，同時也有相同數目的負電荷(電子)。在1906年湯姆生因在電子和氣體導電兩方面的卓越成就，獲得諾貝爾物理獎。 同位素是 (isotope) 什麼？ 　　質子的數目決定元素的名稱和它的性質。若某一元素含有不同的中子數目，則稱為該元素的同位素。例如鈷的同位素有五種分別是 ，，，，，這中間除了 是穩定同位素(無放射性)外，其餘都具有放射性。 　　我們常聽說放射性同位素，就是具有放射性的同位素，例如氚 (3H) ，碳14 (14C) ，鈷60 (60Co) ，鉀40 (40K) ，鈾235 (235U) ，鈾238 (238U) 。目前已知天然存在的同位素約有330種，其中大約270種是穩定同位素，其餘是不穩定的放射性同位素。 輻射是誰發現的? 　 原子的中心為原子核，內含質子和中子，體積很小但質量很大。原子核的外面有電子，像行星繞太陽一般，循著固定的軌道繞著原子核旋轉。 　　我們把原子核內質子數和中子數的總和稱作質量數，例如鈷 60，記成 60Co，它有27個質子和33個中子，其質量數為60。 緊接著在1896年2月，法國科學家貝克勒爾 (Becquerel) 發現鈾的化合物會發出一種不同於X射線，但也具有穿透能力使照相底片感光的射線，稱它為鈾放射線。他是第一位發現放射性的人。 　　1897年英國物理學家湯姆遜 (Joseph John Thomson) 在從事陰極射線的實驗中發現帶負電的電子(electron)。 　　次年，1898年7月在法國巴黎，居里 (Curie) 夫婦兩人首次自瀝青鈾礦中提煉出一種新元素，命名為釙 (Po) 以紀念居里夫人的祖國波蘭。同年12月又成功地分離出另一新元素鐳 (Ra) 。「放射性」(radioactivity)這個名詞就是居里夫人所創的。 貝克勒爾 居里夫人　 同在1898年，威廉韋恩發現了帶正電的質子，1899 年原籍紐西蘭的拉塞福 (Rutherford) 發現了帶2個正電單位的α粒子，稱為阿伐射線，且證明帶一個負電單位的貝他 (β) 射線就是電子。在1900年韋拉特 (Villard) 發現另一種電磁波射線，能量比X射線還高，命名為加馬(γ)射線。不帶電的中子是最後被發現的，遲至1932年2月才由查兌克 (Chadwick) 發現。至此人類對原子核裡面的構造，才有較清楚的瞭解。 輻射是怎麼產生的???? 1. 來自放射性同位素 　　不穩定的原子核就好像脾氣不好的人，需要一種發洩的管道，以便將他的怒氣消弭，此時原子核就是為了回復到穩定狀態，必須釋放出能量，而以電磁波或粒子的形態射出，這就稱為輻射（俗稱放射線）。 　　以鈷60為例，它先放出一個貝他粒子轉變成鎳60，但此時鎳60原子核仍很不穩定，它又迅速放出兩道加馬射線，才形成穩定的鎳60同位素。所以，一個鈷60原子自發性地蛻變時，會放出一個貝他粒子和二道加馬射線。 　　空氣中天然存在的放射性同位素氡222，它射出帶二個正電荷的阿伐粒子，形成釙218： (二個α粒子) 　　釙218也具有放射性，會繼續蛻變下去。 2. 來自產生輻射的機具 　　我們定期作胸部X光檢查時，不禁要問這X光到底是怎麼產生的？原來當高速運動的電子撞擊重原子核時（例如鎢元素）就會產生X射線，在醫學上的用途非常大。另外，當高能軌道的電子跳回低能軌道時，也會產生X射線，可應用在金屬元素的定性和定量分析工作上。 3. 來自核反應 　　如核能發電廠、宇宙射線等。 輻射有哪些特性???? 輻射有四個重要的特性是大家必須要認識的： 1.放射性蛻變是自發性的反應 　　放射性同位素（另稱放射性核種）的蛻變是自發性的，無法以物理或化學的手段去改變它。 2.輻射受電磁場影響 　　輻射若帶有電荷，則其行進時會受電磁場影響而偏轉，加馬射線因不帶電荷，故其行進軌跡不會受電場影響 。 3.輻射強度隨時間的增加而遞減 　　放射性同位素的蛻變率（或輻射強度）會隨時間的增加而遞減。輻射強度每減少一半所需要的時間稱為半衰期。各放射性同位素的半衰期都是固定，而且都不相同，有如人的指紋一般。例如國內發現的輻射鋼筋內所含60Co的半衰期為5.26年，空氣中氡222的半衰期為3.82天。 4.不同的輻射有不同的穿透能力 　　阿伐射線的穿透能力最弱，一張紙就可以全部把它擋住。貝他射線的穿透能力稍為強一點點，它能穿透普通的紙張，但無法穿透鋁板。加馬或X射線的穿透力最強，需要適當厚度的混凝土或鉛板才能有效地阻擋。 　　因此，屏蔽X射線或加馬射線的材料，需要密度高的金屬材質為佳。用鉛做鈷60射源的容器，其厚度最小，鐵則需要厚些，混凝土要再厚些。若用水做屏蔽，則需更厚才能達到相同的屏蔽效果。 　輻射撞到物質時，與物質產生游離或激發的反應，把輻射本身的能量轉移給物質。右圖為一個原子被輻射游離或激發的過程。由於阿伐射線因為帶正電，非常容易和物質產生游離作用，而快速地將其本身的能量傳給物質，因此阿伐射線的穿透力很弱。相反地，X與γ射線不易和物質起作用，也就是不易將能量傳給物質，所以X與 γ射線的穿透力很強。 　　 黑體輻射（blackbody radiation）對量子理論發展的影響 十九世紀，科學家們普遍認為古典力學的理論已趨於完備，然而對於黑體輻射(blackbody radiation)存在現象，卻無法用古典理論於予解釋，對於黑體輻射所衍生的問題，在科學家的努力下漸漸揭開其神秘面紗，在揭開其神秘面紗的同時也引領我們進入另一全新的領域－量子力學。 　　1859年，德國物理學家Kirchhoff輻射定律（law of radiation）指出物體在已知溫度下，對輻射能之放射率或吸收率與物體表面之性質有關。而黑色物質對輻射能具有較大的吸收能力。如果一個物體在任何溫度下能吸收任何頻率的輻射能，那麼這個物體便稱為黑體。事實上，完全黑體並不存在，研究黑體輻射時，常以人工製成一完全黑體討論之。如圖所示，當外界輻射能經由小孔射於空腔時，此輻射能經過多次反射後，幾乎無機會再由小孔出現，故可視為輻射能被空腔所完全吸收，而稱之以完全黑體。若加熱此物體至某一溫度，觀察由小孔輻射出之光譜其光譜與在同一溫度之黑體（blackbody）所吸收輻射者，完全相同。 1879年由Josef Stefan提出輻射的總能量（E）和絕對溫度（T）的四次方成正比，即所謂的Stefan-Boltzmann law( )。 1884年，Boltzmann應用熱力學觀點空腔輻射能之研究，他取此空腔為圓柱行具有反射性質之壁沿，且期末端至一可移動支活塞，空腔內部之輻射能對其四周施以壓力，應用Carnot cycle之一連串膨脹及壓縮過程可導出此壓力及功之關係，因輻射能密度與壓力成正比，若壓力以知，則能量密度亦能輕易導出。 1893年Wien更進一步研究輻射能移動之活塞反射後，所引起都卜勒效應，而計算出輻射能波長之變化，發現波長之變化與溫度成正比，若再引Stefan-Boltzmann law，及絕熱過程公式，可得Wien displacement law，T 。 從上面的圖可觀察到下列顯著之特性： (a)黑體輻射之光譜與物體的材料無關。 (b) T固定時，在波長l至l+dl間之輻射能密度ρ，先隨著波長之減短而增加至某一最大值，後在隨波長之減短而減少。 (c) 對固定之波長或平率而 dl值隨T同時增加。 (d) 曲線之最大值(表示在固定溫度下?有最大輻射能之波長)隨溫度之增加而向短波端位移。因溫度上升時，若 表最大輻射能之波長，則 與T成比： constant。此關係稱Wien displacement law。短波端位移。因溫度上升時，若 表最大輻射能之波長，則 與T成反比： constant。此關係稱Wien displacement law。 後來更精細和全面的實驗表明，Wien公式並非與所有實驗數據都符合那樣好，幾位實驗物理學家指出，在長波長波段，Wien公式與實驗有明顯的偏離，這促使Planck去改進Wien公式，即 ，當Planck改進Wien公式後，便開始著手研究其理論，並提出能量量子化的假設， ，n=0、1、2、3…，利用Boltzmann分布函數與量子化的假設可推導出Planck的輻射公式，即 　　1919年，Rubens和Mechel證明Planck公式能正確地預測160 C至1800 C實驗結果，Planck constant的大小為h=6.626x10 J‧s。由Planck的假設可成功解釋並推導Rayleigh-Jeans law，Wien displacement law，Stefan-Boltzmann law，最後，研究黑體之重要性，再於如何以理論解釋上述之實驗事實，然而古典理論與實驗間的矛盾，經由Planck引入量子化觀念後遂迎刃而解，且並可預測許多新的實驗，進而進入量子世界發展量子論。 輻射對人體的危害!! 人體接受輻射的來源有哪些?? 人類在生活上所接觸到的輻射源，有天然的和人造的兩類，而人體接受輻射劑量則是經由體外曝露與體內曝露兩大途徑所造成。以下先作簡要要說明： 1.天然輻射源 　　環境中天然存在的輻射源： 來自太空的宇宙射線； 土壤及建築材料中所含的天然放射性核種（鉀 40、鈾238、釷232及它們一系列的子核種）； 食物中的鉀40； 空氣中的氡222和它的子核種等等，從體內、體外使人體接受輻射劑量。 　　右圖顯示高度上升，宇宙射線也愈強，下表為顯示搭乘國內外飛機每趟往返大約接受的宇宙射線劑量： 國內外航線旅客所受宇宙射線劑量 航線（往返） 接受劑量 （微西弗） 輻射的致癌性 　　自從X射線和天然放射性被發現之後，輻射即被廣泛應用於科學和醫學上。但早期對輻射的安全性還不很瞭解，以致有一些工作人員接受高劑量而罹患白血病或皮膚癌。後來人們注意到輻射與致癌的關係，同時又發現鈾礦工人因長期吸入高濃度的氡222，造成罹患肺癌的機率高於正常人，輻射會增加致癌率的事實才被確認。 　　如今流行病學專家分別從— 廣島、長崎； 馬歇爾群島居民； 核武器試爆之軍事觀察員； 接受輻射醫治的病人； 輻射工作人員； 高天然背景地區居民； 遭受核子事故的人員。 　　等數十萬人中做長期的追蹤調查，以探討輻射與致癌機率的相關性。 §低劑量致癌的機率 　　低劑量致癌是機率效應，接受輻射將使致癌的機率增加，但並非人人一定會致癌。根據國際放射防護委員會報告的評估，每一萬人每人都接受1000mSv全身劑量（相當於接受500年天然背景輻射），可能增加癌症死亡人數為500人，即致癌死亡率為1000mSv增加5 % 。但是，自然情況下人類各種死亡原因，癌症佔了約20-25 % （衛生署公布台灣地區84年因癌症死亡佔總死亡數的21.9 % ），而且要讓每人接受1000mSv的高劑量也誠非易事。因此，日常生活中接受天然輻射劑量致癌死亡的機率是非常低的。 §輻射致癌的潛伏期 　　從人體器官接受輻射曝露，經過複雜的變化到臨床癌症顯現，需要一段長時間，這段時間就是所謂的潛伏期。各類癌症的潛伏期不盡相同，從日本流行病學的調查，例如白血病最短，平均潛伏期約10年，其他實體腫瘤癌症的潛伏期都較長。 人體組織器官的輻射致癌敏感度 　　根據流行病學調查顯示，人體器官對輻射致癌的敏感度確有差異，已知胃、肺、結腸和紅骨髓四個器官對輻射致癌性較敏感，而甲狀腺、骨表面、皮膚則較不敏感。下表顯示每西弗劑量產生致癌和不良遺傳的機率。致癌和不良遺傳機率之總和，即表示輻射引發機率效應的總危險度。 心得 --

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