A-level 物理/力、場和能量/放射性

當原子不穩定時，它們會試圖使自己再次穩定。它們做到這一點的一種方式是發出稱為輻射的物質和能量。具有不穩定原子的物質被稱為放射性。

輻射型別

有 3 種不同的電離輻射，簡稱為α（阿爾法）、β（貝塔）和γ（伽馬），每種都有自己的特性。

α 粒子

α 粒子基本上是一個氦原子核。下表顯示了它的特性

性質	2 個質子和 2 箇中子（一個氦原子核）
符號	α, $\ _{2}^{4}He$
質量	是質子質量的 4 倍（~4u）
電荷	+2e
速度	$10^{6}\ ms^{-1}$（光速的約 5%）
穿透力	被紙張、皮膚或幾釐米空氣阻擋
受電場和磁場影響嗎？	是

β 粒子

β 粒子是電子。下表顯示了它的特性

性質	電子
符號	β，e
質量	是質子質量的 1/1840（~0.00055 u）
電荷	-e
速度	$10^{8}\ ms^{-1}$（高達光速的 98%）
穿透力	被 3 毫米鋁或約 1 米空氣阻擋
受電場和磁場影響嗎？	是

γ 射線

γ 射線是一種電磁波，其波長約為 $3\times 10^{-15}m$。下表顯示了它的特性

性質	波長非常短的電磁波
符號	γ
質量	0
電荷	0
速度	$3\times 10^{8}\ ms^{-1}$（光速）
穿透力	被幾釐米鉛大幅度衰減。射線被幾米混凝土吸收
受電場和磁場影響嗎？	否

電離

α、β 和 γ 輻射都是電離輻射的形式，它們會影響它們穿過的物質。它們可以透過與原子碰撞或靠近它們而使原子電離。原子因輻射而被推動或拉動電子，從而變成離子，因此被稱為電離。

α 粒子

α 粒子是電離能力最強的，因為它們具有最大的質量和電荷，並且速度最低。這意味著它們影響的原子數量最多，並且對每個原子的影響比其他型別的輻射更強。

β 粒子

β 粒子的電離能力第二強，因為它們比 α 粒子更輕、更快，並且電荷更小。

γ 射線

γ 射線是這三種中電離能力最弱的，因為它們沒有電荷。

穿透力

輻射可以穿透不同的材料，儘管每種輻射都有自己的穿透能力。

α 輻射

α 輻射可以很容易地被一張紙或人體皮膚吸收。這是因為它具有高度的電離能力，並且很容易將其動能傳遞給周圍的原子，因此不能深入物質內部。

β 輻射

β 輻射的電離能力較弱，這使得它比 α 輻射更具穿透力。它需要更緻密的材料，如鋁，才能完全吸收它。

γ 輻射

γ 輻射的穿透力最強，需要幾米厚的混凝土或幾釐米厚的鉛才能完全吸收它。同樣，這與它的電離強度有關。

核方程式

就像其他核過程一樣，輻射發射可以用平衡的核方程式表示。α 粒子的符號為 $\ _{2}^{4}$He，β 粒子的符號為 $\ _{-1}^{0}$e。這些可以很容易地用於輻射發射的方程式中。伽馬光子對方程式沒有任何影響，因為它們沒有質量，也沒有電荷。

電場和磁場

由於它們的電荷和質量不同，每種輻射在電場和磁場中的行為不同。正負粒子在電場和磁場中運動的行為已經在前面討論過。在磁場中使用左手定則來判斷 β 粒子時要特別小心，因為您可能還記得，電流方向與電子的運動方向相反。γ 射線不受這兩種場的影響，將繼續沿直線運動。

電離輻射的危害

輻射是危險的，必須採取措施確保我們儘可能少地接觸輻射。我們將探討這些危害，並瞭解如何將對自身和環境的損害降到最低。

對生物體的影響

由於輻射具有電離性，它可以改變構成我們自身細胞的原子。我們的細胞主要有兩種方式受到輻射損傷。

• 接觸強烈的輻射會導致細胞死亡，造成組織損傷，被稱為輻射灼傷。同樣的原理被用來殺死食物或醫療器械上的微生物。
• 電離可能會改變 DNA，導致細胞無法正常運作。輻射可能會直接影響 DNA，或者分解水分子，進而與 DNA 發生反應。細胞可能會不受控制地分裂，形成腫瘤。此外，如果輻射影響了卵子或精子細胞，就會將突變傳遞給下一代。

α 粒子對細胞的危害最大，但幸運的是，我們的皮膚足以阻止它們進入我們的身體。

安全處理放射性材料

由於輻射非常危險，放射性材料必須以安全的方式進行處理、儲存和處置。

為了處理放射性材料，它們不能接觸皮膚，必須在手套箱中或用鑷子處理。必須小心不要吸入放射性氣體。

為了儲存放射性材料，可以使用鉛襯容器，因為鉛可以吸收所有型別的輻射。這也適用於發射 α 輻射的材料，因為大多數發射 α 輻射的材料也會發射 γ 輻射。

放射性材料可以透過用大量非放射性材料稀釋放射性物質來處置。它們也可以透過隔離來處置，這涉及到儲存放射性材料，直到其放射性降到安全水平。

放射性衰變

隨著放射性材料發射輻射，穩定核的數量增加，不穩定核的數量減少。這種物質被稱為衰變，因為它隨著粒子能量釋放而減少質量。

自發輻射發射

如果我們觀察一個不穩定原子的單個原子核，我們最終會看到它衰變。我們無法預測它需要多長時間才會衰變，也無法判斷它是否即將衰變。它在一個時刻不會衰變，而在下一瞬間，它就會衰變。這是一個自發的行為。這與我們習慣的宏觀層面的事物非常不同，在宏觀層面，我們可以看到逐漸的變化或事件的累積。

此外，每個原子的原子核都獨立於任何相鄰原子而衰變，因為如果你回憶起亞原子粒子的相對距離和大小，原子核及其軌道電子之間有巨大的空曠空間，這意味著一個原子核不會影響另一個原子核。

由於我們無法預測原子核何時會衰變，因此我們必須在一個時間段內找到平均值。

衰變常數

衰變常數是指特定原子核在單位時間內衰變的機率，用符號 λ 表示。可以透過測量給定時間內有多少原子核衰變來找到特定樣本的衰變常數。因此，如果在包含 10,000 個原子核的樣本中，有 1000 個原子核在一個小時內衰變，則一個特定原子核在一個小時內衰變的機率為 0.1，因為只有 10% 的原子核衰變。

衰變常數的單位在 SI 系統中為 $s^{-1}$，但也可以使用 $h^{-1}$，甚至 $day^{-1}$。在上面的例子中，衰變常數 λ 等於 0.1$h^{-1}$。

活度和計數率

放射性物質的活度是指單位時間內衰變的原子核數量，即衰變速率。活度的單位是每秒衰變次數，每秒衰變一次稱為一個貝克勒爾。

如果你知道特定物質的衰變常數及其不衰變原子核的數量，你就可以使用以下公式計算該材料的活度。

$A=\lambda N$

其中 A 是活度，λ 是衰變常數，N 是不衰變原子核的數量。

如你所見，這將我們帶回到最初發現衰變常數的方式，因此你可以瞭解這兩者之間的關係。

當你使用實驗獲得樣本的活度時，你幾乎永遠不會檢測到所有發射的輻射。一些輻射會發射到沒有探測器的地方。計數率 R 是實驗中的測量值，它將小於樣本的活度。如果你知道測量裝置的效率，就可以從 R 計算出 A。

指數衰變

隨著放射性物質衰變，不衰變原子核的數量會減少。由於物質中放射性粒子減少，放射性粒子發射的速率也會下降。物質數量與時間的關係圖將顯示一條指數曲線，隨著衰變速率下降，曲線會變得越來越平緩。

計算衰變

未衰變的原子核數量可以用以下公式計算。

$N=N_{0}e^{-\lambda t}$

其中，$N_{0}$ 是開始時的未衰變數量，$\lambda$ 是衰變常數，$t$ 是以秒為單位的時間，$e$ 是指數函式。

類似地，計數率和活度可以從以下方程式中找到。

$R=R_{0}e^{-\lambda t}$

$A=A_{0}e^{-\lambda t}$

半衰期

物質的半衰期是指一半放射性物質衰變所需時間的平均長度。如果你看一下圖表，你會發現橫軸上未衰變原子核數量減半的時間與它從 50% 減少到 25% 的時間相同，以及從 25% 減少到 12.5% 的時間相同。

半衰期寫成 $t_{\frac {1}{2}}$，通常以秒為單位，但對於更穩定的材料，通常以小時、天或甚至年來表示半衰期。

如果你考慮到半衰期短的物質必須快速衰變，因此必須有較高的衰變常數，而半衰期長的物質將有較低的衰變常數，你可以使用以下等式將兩者聯絡起來。

$\lambda t_{\frac {1}{2}}=\ln 2\approx 0.693$

如果你只知道半衰期或衰變常數，並被要求找出另一個，這將非常有用，因為你可以重新排列等式以找到未知值。