輻射加權因子.ppt

1、放射現象和核能 (Radioactivity & Nuclear Energy),.hk/education/dbcp/radiation/chi/r2.htm,致電離輻射(Ionizing Radiation),高能量的輻射能把原子內的電子擊出，將原子電離，變成離子，稱為致電離輻射。,非電離輻射,非電離輻射包括低能量的電磁輻射及超聲波。 低能量的電磁輻射包括紫外輻射、可見光、紅外輻射、微波及無線電波等。 非電離輻射的能量不高，只會令物質內的粒子加速振動，溫度上升。,輻射一覽表,原子模型(Atomic Model),湯姆生模型 (Thomson mod

2、el) 盧瑟福模型(Rutherford model) 玻爾模型(Bohr model),p.55,盧瑟福散射實驗(Rutherford Scattering Experiment),p.56,盧瑟福散射實驗(Rutherford Scattering Experiment),金箔 (gold foil),輻射放射源 (-source),顯微鏡 (microscope),硫化鋅(螢光)屏幕 (zinc sulphide screen),/electromag/java/rutherford/,p.56,散射實驗的結果(Experimental

3、 Results),絶大部份的粒子(-particles)都沿直線穿過金箔(gold foil)。 少量的-粒子會發生偏轉(deflection)。 有個別的-粒子沿原路反彈。,p.56,盧瑟福原子模型(Rutherfords atomic model),整個原子大部份是空間(empty space)。 原子的所有正電荷(positive charge)和大部份的質量(mass)都集中在一個細小的中心，稱為原子核(nucleus)。 原子核外，電子(electrons)圍繞著原子核運轉。,p.57,10-15 m,原 子 的 結 構(Atomic Structure),所有物質都是由細小的原子

4、組成，而每粒原子有一個被電子(e)包圍著的原子核。 原子核內含不帶電荷的中子(n)及帶正電荷的質子(p) 。 帶負電荷的電子則沿軌道環繞原子核運行。,p.58,原子序數和質量數(Atomic Number & Mass Number),原子核中質子與中子核子的總和稱為質量數(A)。,原子核所含有的質子數目稱為原子序數(Z)。 A = N + Z。 N為中子數。,核素(Nuclide),具有特定質量數和原子序數的原子核稱為核素。 核素通常以它的質量數作記認 例如 : 碳-14 (C-14) 、鈾-238(U-238) 等,同位素 (Isotopes),同一元素的原子核(nucleus)內，有相同

5、的質子數目(proton number)，但不同的中子數(neutron number)，稱為同位素。 同位素有相同的化學性質(chemical properties)，但不同的物理性質(physical properties)。,氫(Hydrogen),氘 (Deuterium),氚 (Tritium),p.59,放射現象(Radioactivity),1986年法國物理學家貝克勒爾(Henri Becquerel)發現鈾鹽會放出一種射線，能令照相底片感光。此現象稱為放射現象。,放射衰變(Radioactive Decay),放射性物質的原子核(nucleus)並不穩定，因此，原子核會透過放

6、出、或輻射(radiation) ，令本身變得更為穩定(stable)。 這個過程稱為放射衰變或蛻變(disintegration)。 放射衰變是一種隨機過程(random process)。 ,核輻射的種類(Types of Nuclear Radiation),-輻射(-radiation) -粒子即是氦原子核(Helium nuclei)，由兩粒質子(protons)和兩粒中子(neutrons)組成。 符號是,-輻射(-radiation) -粒子即是電子(electrons)。 -符號是,-輻射(-radiation) -輻射是一種電磁波(electromagnetic waves)

7、。 波長範圍約為10-11 10-13 m 。 符號是 ,-衰變 (-Decay),核素(nuclide)進行-衰變時，新核素的質量數(mass number)會減少4，而原子序數(atomic number)會減少2。 這個過程稱為嬗變(transmutation) 。 衰變過程可用以下方程式(equation)表示:,-衰變 (-Decay),核素(nuclide)進行-衰變時，新核素的質量數(mass number)會維持不變，而原子序數(atomic number)會增加1。 進行嬗變時，原子核(nucleus)內的一粒中子轉變成為一粒質子(proton)及一粒電子(electron)

8、 。電子會被釋放，而質子則留在核內。 衰變過程可用以下方程式(equation)表示:,-衰變 (-Decay),當原子核(nucleus)的能量(energy)過多時,便會通過放出-輻射(radiation)來釋放能量. 衰變過程可用以下方程式(equation)表示:,放射衰變系(Decay Series),核素發生衰變後，其子核(daughter nucleus)可能仍具有放射性而繼續衰變。 衰變的過程連續不斷，直至蛻變成穩定的核素。,放射現象的探測(Detection of Radioactivity),擴散雲室(Diffusion cloud chamber) 火花計數器(Spark

9、 counter) 照相底片(Photographic film) 金箔驗電器(Gold-leaf electroscope) 蓋革-彌勒管(Geiger-Mller tube),擴散雲室(Diffusion cloud chamber),酒精的霧點顯示輻射的徑迹(tracks) 。,氈環,透明膠蓋,海綿,乾冰,放射源,p.14-16,光源,絕緣體,擴散雲室中的徑迹(Cloud chamber tracks),直角分义-徑迹,磁場中的-徑迹,輻射的徑跡,粒子較輕，致電離能力亦弱，因此徑跡細而曲折。 徑跡曲折是由於粒子質量小，因此與空氣分子碰撞時被空氣分子彈開。,輻射的徑跡, 射線本身的徑跡幾乎

10、看不見。 圖中的徑跡是由其他粒子造成的，這些粒子的產生涉及與 射線有關的複雜機制。,火花計數器(Spark counter),將-放射源移近火花計數器，金屬網會發出火花。 將一張紙放在放射源與金屬網之間時，火花消失。 -輻射在空氣中產生離子，使金屬網發出火花。,照相底片(Photographic film),輻射源能使底片曝光。 從事核輻射工作人員的襟章夾有照相底片，根據底片的曝光程度，可評估他們所接收的輻射水平及種類。,p.17,金箔驗電器(Gold-leaf electroscope),將放射源移近金箔驗電器時，金箔會垂下來。 -輻射在空氣中產生離子，使空氣輕微導電，金箔因而失去電荷而垂下

11、來。,金箔下垂 The electroscope leaf falls,蓋革-彌勒管(Geiger-Mller tube),蓋革-彌勒管(GM tube)通常與定率計(ratemeter)或脈衝計數器(scalar)相連，稱為蓋革-彌勒計數器(GM counter)。 定率計的計數率(s-1或min-1)顯示輻射的程度。 本底計數率(background count rate) 源自本底輻射(background radiation),p.18,修正後的計數率 = 錄得的計數率本底計數率,核輻射的致電離能力(Ionization power),-粒子的致電離能力最強，而-輻射的致電離能力則最弱

12、。,-徑迹, -徑迹, -徑迹,核輻射在空氣中的射程(Range in air),電離空氣需要能量，核輻射會逐漸失去能量而停下來。 核輻射在空氣中所能傳播的距離稱為射程。 -輻射的射程最遠，而-輻射的射程則最短。, 5 cm, 5 m, 500 m,p.20,核輻射的穿透能力(Penetrating power),一張紙足以阻擋-輻射。 -輻射可穿透紙張，但不能穿透5 mm厚的鋁板。 25 mm的鉛板只能吸收一半的-輻射。,p.21,核輻射在電場中的偏轉(Deflection by electric field),-粒子帶正電，因此向電場的負極偏轉 -粒子帶負電，因此向電場的正極偏轉。 -輻射

13、不帶電，故不受電場影響。 -粒子的質量較 粒子小，故偏轉的幅度較大。,放射源,電場,-粒子,-粒子, -輻射,鉛塊,p.24,核輻射在磁場中的偏轉(Deflection by magnetic field),-粒子與-粒子以不同的幅度向相反方向偏轉。 -輻射不受磁場影響。,-粒子,-粒子,-輻射, ,p.25,放射強度(Activity),放射樣本(radioactive sample)的放射強度是指在單位時間內，不穩定原子的衰變數目。 放射強度表示樣本的衰變速率。 放射強度與樣本中未衰變的原子核數目成正比。,放射強度的單位: 貝克勒爾(becquerel) Bq,k 為衰變常數(decay

14、constant)，它表示核素發生衰變的機率。 k的單位為 s-1 。,放射強度的日常例子,成人,咖啡,果仁,啤酒,牛奶,煙霧探測器,花崗岩,鈾,自來水,放射衰變 擲骰類比,結論: 過程是隨機的(random) 。 餘下的骰子數目越少，發生衰變的骰子數目也越少。 衰變速率未衰變的骰子數目。,擲骰類比的結果(一),C = 0.1529,擲骰類比的結果(二),C = 0.4846,半衰期(Half-life),放射性同位素(radioactive isotope)的半衰期就是該同位素有一半原子衰變(decay)所需的時間。 放射性同位素的半衰期也相等於它的放射強度(activity)減半所需的時間

15、。,/physics/2000/isotopes/radioactive_decay3.html,指數式衰變(Exponential Decay),衰變常數k可顯示放射同位素衰變的速率。 k愈大，衰變愈快。,或,半衰期與衰變常數的關係,設在時間t = 0時未衰變的原子核數目為No，而在時間 t 時未衰變的原子核數目為N,在時間t = T1/2(半衰期)時，未衰變的原子核數目= No,放射同位素的應用(Applications of radioactive isotope),醫學上的應用(In medicine) 工業上的應用(In industry)

16、 農業上的應用(In agriculture) 考古學上的應用(In Archaeology),http:/www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/ocr_gateway_pre_2011/living_future/4_nuclear_radiation2.shtml,輻射劑量(Radioactive dose),吸收劑量(absorbed dose) 每單位質量的物料所吸收的輻射能量稱為吸收劑量。 單位為戈瑞(Gray) Gy/J kg-1 當量/有效劑量(equivalent/effective dose) 當量劑量是衡量輻射對人類健康的生理

17、影響。 當量劑量 = 吸收劑量輻射加權因子 它的單位是希沃特(sievert) - Sv。 一般人一年內可承受的最高劑量約為5 mSv。,p.34,我們日常吸收到輻射劑量的比例,常見的輻射劑量數據,輻射的影響(Effect of Radioactivity),致命,不致縮短壽命,無顯著影響,增加患癌機會,使用放射源的安全措施(一),使用適當的鉛製容器來存放放射源。 容器及儲存室必須貼上警告標籤。 拿取放射源時，必須使用鑷子或專用的工具。 切勿將放射源對著人的身體，特別是眼睛。 與放射源保持一米以上的距離。 實驗後必須立即洗手。,p.37,使用放射源的安全措施(二),穿著特別設計的防護衣物。 利

18、用機械臂處理高放射性物質。 佩帶夾有照相底片的襟章。 貯藏室或實驗室外壁以厚鉛包裹。,輻射監測,.hk/radiation/ermp/frontpage/monitoring_env_c.htm?flash=1?menu=monitoring_env_Chinese,p.38,核裂變(Nuclear Fission),在核裂變中，一個質量較大的原子核分裂成為兩個較輕的子核，並放出中子及大量的能量。,+ 能量,p.99,鏈式反應/連鎖反應(Chain Reaction),鈾原子核分裂時，會放出兩至三粒中子。這些中子又再撞擊其它鈾原子使其繼續裂變，結果產生鏈式反應

19、。,p.101,核能發電,利用核裂變產生大量的能量發電。 核能電能。,核反應堆(Nuclear Reactor),混凝土防護層,反應堆,反應堆壓力容器,核燃料,控制棒,高壓水循環系統(一迴路),蒸汽鍋爐,渦輪,發電機,冷卻塔,p.102,核反應堆(Nuclear Reactor),燃料棒 核燃料濃縮氧化鈾(鈾-235)藏於燃料棒內 減速劑 重水或石墨 減慢快速移動的中子 控制棒 硼或鎘 吸收中子以控制核裂變率 冷卻劑 高壓水 吸收反應堆釋出的熱，把能量轉移到蒸汽鍋爐,/en/simulation/nuclear-fission,核電站的運作,核裂變

20、釋出能量 核能熱(內能),蒸汽推動發電機的渦輪 動能,發電機感生電壓 電能,一迴路中的高壓水將熱傳遞至二迴路(蒸汽鍋爐)產生蒸汽 熱(內能),核聚變(Nuclear Fusion),兩個質量較小的原子核結合成為一質量較大的原子核，同時放出大量的能量。這個過程稱為核聚變。 太陽靠中心部分發生的核聚變來產生能量。,能量,人工核聚變,受控核聚變 燃料可從海水中提取，用之不盡。 產物(氦)不具放射性。 相同質量的核燃料核聚變比核裂變釋出更大的能量。 燃料需要加熱至極高的溫度(108 C) 。 不受控核聚變 引爆氫彈,質能關係(mass-energy relationship),在核反應後的粒子總質量較

21、反應前小，損失的質量轉化成能量。 愛因斯坦在狹義相對論中提出質能關係。,m稱為質量虧損(mass defect) 。 c為真空中的光速(=2.988108 m s-1)。,原子質量單位(Atomic mass unit),原子質量單位(a.m.u.)的定義: 1 u = 1.66054 10-27 kg = 931.5 MeV 1 eV = 1.60218 10-19 J,以u為單位的粒子質量,原子核的結合能(Binding Energy),將一個原子核內的所有核子完全分離所需的能量稱為原子核的結合能。 結合能顯示拆散一個原子核的困難程度。 原子核的穩定性可用每個核子的平均結合能來衡量。,結合

22、能曲線(Binding Energy Curve),鐵-56的Eb/A值最大，表示它的原子最穩定。 在鐵-56的的右方， Eb/A值隨A值減少，因此較重的核素較容易分裂為較輕的核素，並藉核分裂放出核能。 在鐵-56的的左方， Eb/A值隨A值增加，因此較輕的核素較容易聚合為較重的核素，並藉核聚變放出核能。,核分裂,核聚變,例題,已知U-235的每核子的結合能為7.58 MeV。 (a)求U-235的結合能。1784 MeV (b)U-235的原子核的質量和其組成核子的總質量相差多少?1.92 u,核能發電的優劣,優點 不會排放溫室氣體，污染空氣 運作成本低 少量的核燃料可產生大量的能量 缺點

23、核意外可釀成嚴重災難 產物具高放射性，可成核武器原料 核廢料處理問題,p.106,核武器(Nuclear Weapon),利用核反應的光熱輻射、衝擊波和感生放射性造成殺傷和破壞作用，以及造成大面積污染，阻止對方軍事行動以達到戰略目的的武器。 原子彈 氫彈 中子彈,本底輻射(Background radiation),本底輻射來自 外太空的宇宙射線 岩石和土壤中的天然放射物 空氣中的放射物質 人體本身 輻射塵 醫療診斷,醫學上的應用(In medicine),放射療法(Radiotherapy),醫療示蹤物(Tracer),消毒(Sterilization),心臟起搏器(Pacemaker),p.27,工業上的應用(In industry),測厚計(Thickness gauge),煙霧探測器 (Smoke detector),食物保鮮(Food preservation),p.28-29,工業示蹤物(Tracer),液位測量器(Level gauge),農業上的應用(In agriculture),基因改造(Genetic improvement) 消滅害蟲(Pest