01：致電離輻射與 X 射線

探索致電離輻射的本質、X 射線的產生原理以及核輻射的物理性質

核心概念

致電離輻射

致電離輻射是指能量夠高，能夠將物質分子內的電子擊出，使原子或分子電離的輻射。被擊出的電子可能被附近的中性分子捕獲，導致分子帶電。

非電離輻射：能量較低，不能使分子電離（如可見光、無線電波）
致電離輻射：能量較高，能使分子電離（如 X 射線、γ 射線）

X 射線的產生

X 射線是由高速電子撞擊重金属目標時產生的。X 射線管的結構和工作原理如下：

  1. 熱陰極釋放電子
  2. 電子在加速電壓下加速
  3. 高速電子撞擊陽極（钨等重金属）
  4. 電子被突然減速，能量以 X 射線形式釋放
  • X 射線的波長極短（約 $10^-10$ m）
  • 具有極高的能量和穿透能力
  • X 射線底片會顯示為深色

三種核輻射

核輻射主要包括三種類型：α 粒子、β 粒子和 γ 射線，各有不同的性質：

α 粒子
  • 本質：氦原子核（He²⁺）
  • 帶電：+2e
  • 致電離能力：最強
  • 射程：最短（空氣中約幾厘米）
β 粒子
  • 本質：高速電子
  • 帶電：-e
  • 致電離能力：中等
  • 射程：中等（空氣中約幾米）
γ 射線
  • 本質：高能電磁波
  • 帶電：中性
  • 致電離能力：最弱
  • 射程：最長（可穿過數米厚混凝土）

電場和磁場中的偏轉

不同輻射在電場和磁場中的偏轉行為不同，這可用於區分輻射類型：

電場偏轉
  • α 粒子（+2e）：向負極偏轉，偏轉較小（質量大）
  • β 粒子（-e）：向正極偏轉，偏轉較大（質量小）
  • γ 射線（中性）：不偏轉
磁場偏轉
  • 使用弗林明左手定則判斷偏轉方向
  • α 和 β 粒子會向相反方向偏轉
  • γ 射線不受磁場影響

經典例題解析

能量計算

題目：

某放射性物質每秒釋放 $10^6$ 個 $\alpha$ 粒子。若 $\alpha$ 粒子的能量為 $5 \text{ MeV}$，求該物質每秒釋放的總能量。

解法：

每個 $\alpha$ 粒子能量：$5 \text{ MeV} = 5 \times 10^6 \text{ eV} = 5 \times 10^6 \times 1.6 \times 10^{-19} \text{ J} = 8 \times 10^{-13} \text{ J}$$$\text{總能量} = 10^6 \times 8 \times 10^{-13} = 8 \times 10^{-7} \text{ J}$$
磁場偏轉

題目：

在真空中，$\beta$ 粒子進入磁場強度為 $0.5 \text{ T}$ 的磁場中，做半徑為 $5 \text{ cm}$ 的圓周運動。求 $\beta$ 粒子的速度。

解法：

使用洛倫茲力公式：$qvB = \frac{mv^2}{r}$$v = \frac{qBr}{m} = \frac{(1.6 \times 10^{-19})(0.5)(0.05)}{9.11 \times 10^{-31}} = 4.39 \times 10^7 \text{ m/s}$$

互動實驗室：核輻射檢測模擬

即時數據
輻射類型: α 粒子能量: 5 MeV 檢測計數: 0 衰減材料: 無
💡 觀察不同輻射的穿透能力和在電場/磁場中的偏轉行為

控制面板

輻射安全知識

本底輻射：約 3 mSv/年（包括宇宙射線、岩石等）
防護三原則：
  • 時間：縮短接觸時間
  • 距離：遠離放射源
  • 屏蔽：使用鉛、混凝土等屏障

隨堂測驗