放射現象與放射衰變
進階不穩定原子核自發放出 α、β、γ 三種射線，穿透力遞增而電離本領遞減；衰變是隨機過程，每個半衰期核數目減半；背景輻射主要來自天然來源，防護靠時間、距離與屏蔽。
- 不穩定核素自發放出射線並轉變成其他核素，過程不受溫度、壓強與化學狀態影響
- α 是氦核、β 是高速電子、γ 是電磁波；穿透力 α < β < γ，電離本領正好相反
- 磁場中 α 與 β 向相反方向偏轉、γ 不偏轉；雲室徑跡 α 粗直、β 細彎，可據此鑑別射線
文體小知識：科學知識說明文——比較三種放射的性質，講解隨機衰變與半衰期計算，並認識背景輻射與防護方法。
§課文原文 Passage
11896 年法國科學家貝克勒爾發現鈾鹽能不斷放出看不見的射線，使包在黑紙內的底片感光；居禮夫婦其後發現釙與鐳，把這種現象命名為放射現象。不穩定的原子核會自發放出射線並轉變成其他核素，過程與溫度、壓強、化學狀態完全無關，無法用任何物理或化學手段催促或阻止，因為它發生在原子核深處，是核素自身不穩定的結果。
2放射主要有三種。α 射線是氦原子核，由兩個質子與兩個中子組成，帶正電，質量最大；β 射線是高速電子，帶負電，質量極小；γ 射線是波長極短的電磁波，不帶電，以光速傳播。三者的穿透本領與電離本領恰成反比：α 穿透力最弱，一張紙已可阻擋，電離本領卻最強；γ 穿透力最強，要用厚鉛板或混凝土阻擋，電離本領最弱。
3把放射源放進磁場，三種射線立即現形：α 帶正電、β 帶負電，偏轉方向相反；γ 不帶電，直線穿過不偏轉。在雲室中，α 粒子徑跡粗而直，β 粒子徑跡細而多彎，γ 幾乎不留痕跡。這些特徵讓我們不接觸樣本也能鑑別射線種類，歷年選擇題與實驗題都熱衷於此，務必把三種射線的性質列成對照表牢記。
4單一原子核何時衰變完全無法預測，放射衰變是徹底的隨機過程；但對大量原子而言，規律便浮現出來：每經過一段固定的時間，未衰變的核數目便減半，這段時間稱為半衰期。樣本的活動率，即每秒衰變次數，單位貝克，也按同樣規律遞減。半衰期可以從衰變曲線讀出，也可以逐半衰期遞減計算，是本課題最重要的計算技能。
5放射線無處不在：宇宙射線、岩石土壤（香港的花崗岩便釋出氡氣）、食物甚至人體本身都有微量放射性，合稱背景輻射；醫療 X 射線檢查則是人工來源的大宗。探測儀器有照相底片與蓋革－米勒計數器，輻射劑量以希沃特量度。防護有三招：縮短接觸時間、拉遠距離、加屏蔽，放射源存放在鉛盒內正是這個道理，處理放射源永遠用長柄工具夾取。
1重點摘要 Summary
不穩定原子核自發放出 α、β、γ 三種射線，穿透力遞增而電離本領遞減；衰變是隨機過程，每個半衰期核數目減半；背景輻射主要來自天然來源，防護靠時間、距離與屏蔽。
2生字卡 Vocabulary
不穩定原子核自發放出射線並轉變成其他核素的現象，不受溫度壓強與化學狀態影響。
氦原子核（兩質子兩中子）組成的射線，帶正電；穿透最弱、電離最強。
高速電子組成的射線，帶負電；穿透力與電離本領均屬中等。
波長極短的電磁波，不帶電；穿透最強，需厚鉛或混凝土阻擋，電離最弱。
射線使物質原子電離的能力；α 最強、β 次之、γ 最弱，與穿透力成反比。
不穩定核素自發放出射線轉變為其他核素的過程；單一原子何時衰變無法預測。
放射性核素數目（或活動率）減半所需的時間；每過一個半衰期，剩餘量乘二分之一。
樣本每秒衰變的次數，單位貝克（Bq）；活動率隨半衰期同樣減半遞減。
環境中無處不在的天然與人工輻射，主要來源包括宇宙射線、岩石土壤、食物與醫療檢查。
以計數率探測放射的儀器，常用於量度樣本活動率與背景輻射水平。
3逐步講解 Steps
- 第一步：放射現象的來源與本質不穩定的原子核自發放出射線並轉變成別的核素，這就是放射現象。它是核過程：與溫度、壓強、化學狀態完全無關，加熱、加壓、燃燒都改變不了衰變快慢。舉個例子：地層深處的鈾礦與實驗室裡冷藏的同一種核素，半衰期完全相同。歷史上貝克勒爾靠底片感光偶然發現此現象，居禮夫婦再發現釙與鐳；放射現象的發現打開了原子核世界的大門，也拉開了核能時代的序幕。
- 第二步：α 射線——重而強的電離能手α 射線本質是氦原子核，含兩個質子與兩個中子，帶正電，質量在三種射線中最大，速率較慢。正因為質量大、電荷多，它與物質原子碰撞頻繁，電離本領最強，但能量消耗也最快，穿透本領最弱：一張紙或幾厘米空氣已能擋住。舉個例子：煙霧探測器內置微弱 α 源，正常時 α 射線令空氣微弱導電，煙霧進入阻擋 α 射線，電流改變便觸發警報。答題時寫「α 為氦核、穿透最弱、電離最強」三個要點便可得分。
- 第三步：β 與 γ——穿透力節節攀升β 射線是高速電子，帶負電，質量極小；穿透力中等，可穿過數毫米鋁片，電離本領中等。γ 射線是波長極短的電磁波，不帶電，以光速傳播；穿透力最強，需要數厘米厚鉛板或厚混凝土才大幅衰減，電離本領最弱。舉個例子：工廠用 β 源測量滾動紙張的厚度，紙變厚吸收多、計數率下降，自動調節滾輪；醫院的鈷-60 放射治療機則用 γ 射線深穿人體殺滅癌細胞。三種射線的性質對照表是本課必背內容。
- 第四步：磁場與雲室——給射線驗明正身帶電粒子在磁場中受力偏轉：α 帶正電、β 帶負電，同一磁場中偏轉方向相反；β 質量小得多，偏轉也更明顯；γ 不帶電，直線穿過。雲室中射線沿途令氣體電離，過飽和蒸氣便沿徑跡凝結成白線：α 徑跡粗而直（電離強、易擋），β 徑跡細而彎，γ 幾乎無痕。舉個例子：考題給一幅磁場中三條徑跡的圖，中間直線是 γ，向兩邊分開的兩條分別是 α 與 β，按電荷與質量判斷偏轉幅度即可作答。
- 第五步：隨機衰變與半衰期單一原子核何時衰變無法預測，這是徹底的隨機過程；但大量原子的統計規律非常穩定：每經過一個半衰期，未衰變核數目減半，活動率同樣減半。半衰期是核素的身份特徵，短至幾秒長至億萬年。舉個例子：碳-14 半衰期約 5730 年，生物死亡後停止與外界交換碳，遺骸中碳-14 比例逐年下降，考古學家據此推算文物年代，這就是碳定年法。計算題的標準做法：先算半衰期個數 n = 總時間 ÷ 半衰期，剩餘比例 = (12)ⁿ，逐步減半最穩妥。
- 第六步：探測方法與活動率探測放射的常用儀器有兩種：照相底片靠射線感光記錄累積劑量，放射工作人員佩戴的劑量章就是這個原理；蓋革－米勒計數器則把射線轉為電脈衝，讀出計數率，以每秒計數表示。舉個例子：把 GM 計數器對準樣本讀得每秒 500 計數，移開樣本後仍有每秒 20 計數，這 20 便是背景輻射，計算樣本活動率前要先扣除背景。雲室、火花計數器等裝置也偶爾在實驗題出現，重點在於理解各儀器量度的是什麼。
- 第七步：背景輻射與安全防護環境中的背景輻射主要來自天然來源：宇宙射線、岩石土壤中的放射性物質（香港花崗岩地區氡氣濃度較高）、食物與空氣，甚至人體內的鉀-40；人工來源以醫療 X 射線與核醫學為大宗，核試與核事故只佔極小部分。輻射劑量以希沃特為單位，過量照射損害細胞。防護三原則：縮短接觸時間、拉遠距離、加屏蔽。舉個例子：醫院放射科操作員在鉛牆後工作，源以鉛盒封存、用長柄鉗夾取，全部是三原則的應用。長題目常要求列舉背景輻射來源與防護方法，宜分點作答。
4圖解 Diagrams
5例題示範 Example
例題：某放射樣本的半衰期為 8 天，初時活動率為 800 Bq（每秒 800 次衰變）。求 24 天後的活動率，並寫出計算所用的半衰期個數。
- 求半衰期個數：n = 24 ÷ 8 = 3 個半衰期
- 逐個半衰期把活動率減半：800 → 400 → 200 → 100 Bq
- 寫成公式：活動率 = 800 × (12)³ = 800 ÷ 8 = 100 Bq
- 檢查：3 個半衰期後剩餘比例為 18，即原活動率的 12.5%
- 答案：24 天 = 3 個半衰期，活動率 = 800 × (12)³ = 100 Bq。衰變是隨機過程，半衰期是大量原子的統計規律；計算時先數半衰期個數，再逐次減半，並寫明單位 Bq。
6常見錯誤 Mistakes
75 題快測 Quick check
Q1α、β、γ 三種射線的本質分別是什麼？
Q2哪種射線穿透力最強？需要什麼材料阻擋？
Q3計算：半衰期 5 小時的樣本，經過 15 小時後剩餘多少比例？
Q4計算：某樣本初時活動率 640 Bq，半衰期 2 天，6 天後活動率是多少？
Q5為什麼說放射衰變是隨機的？這與半衰期有矛盾嗎？
8重點回顧 Recap
- 不穩定核素自發放出射線並轉變成其他核素，過程不受溫度、壓強與化學狀態影響
- α 是氦核、β 是高速電子、γ 是電磁波；穿透力 α < β < γ，電離本領正好相反
- 磁場中 α 與 β 向相反方向偏轉、γ 不偏轉；雲室徑跡 α 粗直、β 細彎，可據此鑑別射線
- 半衰期是核數目與活動率減半所需時間；計算先數半衰期個數 n，剩餘比例 = (12)ⁿ
- 背景輻射主要來自宇宙射線、岩石土壤與食物；防護三原則：縮短時間、拉遠距離、加屏蔽