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1、放射衰变与放射性放射衰变与放射性同位素的应用同位素的应用19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用第1页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用熱熱 身身它會變成另一種元素它會變成另一種元素它的質量減少，但化學性質不變它的質量減少，但化學性質不變它會變得穩定它會變得穩定它會完全消失它會完全消失其他：其他：_在放射性核素衰變時，有甚麼會發生？在放射性核素衰變時，有甚麼會發生？第2页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式不穩定的原子核會不穩定的原子核會放出輻射放出輻射，失
2、去部分粒，失去部分粒子能量。子能量。這個過程稱為這個過程稱為放射衰變放射衰變或或蛻蛻變變。第3页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式原子核衰變後，會變成另一種元素的原子核。原子核衰變後，會變成另一種元素的原子核。母核母核衰變產物衰變產物=子子核核+衰變過程中發射出來的衰變過程中發射出來的粒子粒子衰變X子核子核Y輻射輻射第4页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式 衰變衰變 粒子粒子=氦氦原子核原子核 輻射輻射 射線（伽瑪射線）射線（伽瑪射線）=高能高能的電磁波的電磁波
3、衰變衰變 粒子粒子=電子電子 粒子粒子 粒子粒子 射線射線第5页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式a 衰變衰變90p144n鈾鈾-238 母核母核2p2n釷釷-234 子核子核氦氦-4(粒子粒子)衰變產物衰變產物質子質子中子中子92p146n第6页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式a 衰變衰變上面的數目及下面的數目均左右平衡上面的數目及下面的數目均左右平衡23490U23892Th+He42238=234+492=90+2鈾鈾-238 母核母核92p146n90p
4、144n2p2n釷釷-234 子核子核氦氦-4（粒子）粒子）第7页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式a 衰變衰變XAZA 4Z 2Y+He4223490U23892Th+He42238=?+492=?+2原子序數 -2質量數 -4第8页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式b 衰變衰變91p143n釷釷-234 母核母核鏷鏷-234 子核子核電子電子 e-（粒子）粒子）衰變產物衰變產物質子質子中子中子90p144npn-1+1e-+1質量質量 023491Th2349
5、0Pa+e?234=234+090=91+(1)e0 1第9页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式b 衰變衰變原子序數 +1質量數 不變XAZAZ+1Y+e0 1pne-質量質量 0第10页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式c 輻射輻射有些原子核在放出有些原子核在放出 或或 粒子後，會比正常狀態具粒子後，會比正常狀態具有較多的能量。有較多的能量。射線射線90p144n釷釷-234釷釷-23490p144n具具多餘的能量多餘的能量衰變產物衰變產物能量能量第11页，本讲
6、稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式c 輻射輻射原子序數 不變質量數 不變X*AZAZX+Th*23490+Th23490 具具多餘的能量多餘的能量第12页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式 衰變衰變 XAZA 4Z 2Y+He42 輻射輻射能量能量X*AZAZX+衰變衰變XAZAZ+1Y+e0 1pne-2p2n第13页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式鐳鐳-226 的的 衰變衰變模擬程式模擬程式問題問題
7、?例題例題 1第14页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用1衰變三式衰變三式U23892Th2349091Pa23492U23482Pb206放射性放射性穩定穩定d衰變系衰變系釷釷-232 的衰變系的衰變系問題問題?例題例題 2第15页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用2放射衰變的特性放射衰變的特性放射衰變是放射衰變是隨機地隨機地（或（或無規地無規地）發生發生的。的。這刻會發生這刻會發生衰變嗎？衰變嗎？這次會擲得這次會擲得1嗎？嗎？a隨機特性隨機特性第16页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同
8、位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用實驗實驗 19a放射衰變放射衰變擲骰類比擲骰類比錄像片段錄像片段尚未衰變的數目如何改變？尚未衰變的數目如何改變？擲得擲得1 代表衰變了代表衰變了 拿走拿走第17页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用2放射衰變的特性放射衰變的特性a隨機特性隨機特性由於由於衰變結果是衰變結果是隨機隨機的，的，點並不正正落在曲點並不正正落在曲線上。線上。擲骰次數擲骰次數100806040024620810衰變曲線：衰變曲線：尚未衰變尚未衰變第18页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用2放
9、射衰變的特性放射衰變的特性b衰變速率衰變速率擲骰次數擲骰次數100806040024620810尚未衰變尚未衰變尚未衰變的數目尚未衰變的數目 衰變的數目衰變的數目 衰變速率衰變速率第19页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用2放射衰變的特性放射衰變的特性b衰變速率衰變速率放射強度（衰變速率）放射強度（衰變速率）未衰變核的數目未衰變核的數目放射強度的單位放射強度的單位=貝克貝克(Bq)即即每秒鐘的蛻變次數每秒鐘的蛻變次數第20页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用2放射衰變的特性放射衰變的特性c半衰期半衰
10、期擲骰次數擲骰次數100806040024620810尚未衰變尚未衰變3.5次投擲後次投擲後：100 50+3.5次投擲後次投擲後：50 25 半數衰變所需的時間是固定的。半數衰變所需的時間是固定的。+3.5次投擲後次投擲後：25 12.5第21页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用2放射衰變的特性放射衰變的特性半半衰期衰期=一半一半核素核素衰變了衰變了所需的時間所需的時間=放射強度放射強度減半減半所需的時間所需的時間c半衰期半衰期第22页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用2放射衰變的特性放射衰變的特
11、性01620 年年1 個半衰期個半衰期3240 年年2 個半衰期個半衰期4860 年年3 個半衰期個半衰期40 10620 10620 10610 10630 1065 10635 106106 鐳鐳-222（已（已衰變衰變）106 鐳鐳-226（未衰變未衰變）時間時間0 106注意注意:原子核（母核和子核）的原子核（母核和子核）的總總數數永遠永遠保持不變保持不變。c半衰期半衰期第23页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用2放射衰變的特性放射衰變的特性計算計算核素的放射性核素的放射性能維持多久，危險能維持多久，危險性維持多久性維持多久識別識別不明放
12、射性核素不明放射性核素的種類的種類用途：用途：c半衰期半衰期第24页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用2放射衰變的特性放射衰變的特性鈉鈉-24 的放射強度的放射強度找出放射性樣本的半衰期找出放射性樣本的半衰期模擬程式模擬程式問題問題？例題例題 3問題問題？例題例題 4c半衰期半衰期第25页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用3人工放射性同位素的應用人工放射性同位素的應用天然的放射性物質非常少。天然的放射性物質非常少。不過，用快速運動的粒子撞擊某些元素的原子不過，用快速運動的粒子撞擊某些元素的原子核，便
13、可製造出放射性同位素，核，便可製造出放射性同位素，這個過程稱為這個過程稱為嬗變嬗變(transmutation)。嬗嬗 變變第26页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用3人工放射性同位素的應用人工放射性同位素的應用醫醫 療療放射療法放射療法()示蹤物示蹤物(，數日，數日)消毒消毒()（相片提供：Prince of Wales Hospital/Dept.of Clinical Oncology）（相片提供：UKAEA）第27页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用3人工放射性同位素的應用人工放射性同位素的
14、應用工工 業業厚度計厚度計(，103 年年)煙霧探測器煙霧探測器（火警警報）（火警警報）(，102 年年)作為示蹤物檢查水道作為示蹤物檢查水道系統的泄漏情況系統的泄漏情況(，數小時，數小時)（相片提供：UKAEA）第28页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用3人工放射性同位素的應用人工放射性同位素的應用農農 業業作為示蹤物追蹤植作為示蹤物追蹤植物吸收肥料的情況物吸收肥料的情況(，數日，數日)碳碳-14 年代測定法年代測定法*使用天然的放射性同位素使用天然的放射性同位素(，103 年年)考古學考古學第29页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同
15、位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用3人工放射性同位素的應用人工放射性同位素的應用厚度計厚度計問題問題?例題例題 5第30页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用進度評估進度評估 2(1-2)一個放射源的衰變曲線一個放射源的衰變曲線 3碘碘-131 的半衰期是的半衰期是 8 天天 4某放射源的放射強度開始時某放射源的放射強度開始時 第31页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用(Q1-2)一個放射源的衰變曲線一個放射源的衰變曲線 A20 Bq B30 BqC50 Bq D80 Bq1本底輻射是多少？本底輻
16、射是多少？第32页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用(Q1-2)一個放射源的衰變曲線一個放射源的衰變曲線 2為甚麼數據不是落在曲線上？為甚麼數據不是落在曲線上？A讀取輻射數據的誤差很大。讀取輻射數據的誤差很大。B放射源的衰變是隨機的。放射源的衰變是隨機的。C這是由於本底輻射的原因。這是由於本底輻射的原因。D要加密讀取數據的次數。要加密讀取數據的次數。第33页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用Q3碘碘-131 的半衰期是的半衰期是 8 天天 碘碘-131 的半衰期是的半衰期是 8 天。天。現有現有 1
17、6 g 的碘樣本，在的碘樣本，在 24 天內有多少碘會衰天內有多少碘會衰變掉？變掉？每經過每經過 8 天，天，_的碘有的碘有_會衰變掉。會衰變掉。未衰變未衰變一半一半第34页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用Q3 碘碘-131 的半衰期是的半衰期是 8 天天 開始開始8 天後天後16 天後天後24 天後天後16 g 未衰變的碘未衰變的碘_克克未衰變的碘未衰變的碘_克衰克衰變產物變產物_克克未衰變的碘未衰變的碘_克衰克衰變產物變產物_克克未衰變的碘未衰變的碘_克衰克衰變產物變產物所以，在所以，在 24 天內有天內有_的碘衰變掉。的碘衰變掉。14 g
18、88124142第35页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用Q4某放射源的放射強度開始時某放射源的放射強度開始時 某放射源的放射強度開始時為某放射源的放射強度開始時為 600 Bq（本底輻本底輻射修正後射修正後）。經過）。經過 40 小時小時後，放射強度跌至後，放射強度跌至 150 Bq。該放射源的該放射源的半衰期半衰期是多少？是多少？40 小時小時內：內：600 Bq 150 Bq第36页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用因此，因此，40 小時等於小時等於_個半衰期，而一個半個半衰期，而一個半衰期為
19、衰期為_。Q4某放射源的放射強度開始時某放射源的放射強度開始時 設設 n 為放射源所經過的半衰期數目。為放射源所經過的半衰期數目。由於該放射源的放射強度在一個半衰期後會由於該放射源的放射強度在一個半衰期後會 _，(40 小時後的放射強度小時後的放射強度)/(開始時的放射強度開始時的放射強度)=(1/2)n ()/()=(1/2)n n=_40 小時小時內：內：600 Bq 150 Bq減半減半1506002220 小時小時第37页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用完完 結結第38页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放
20、射性同位素的應用例題例題 1鐳鐳-226 的的 衰變衰變鐳鐳-226（原子序數（原子序數 88）衰變，放出）衰變，放出 粒子。試說粒子。試說出子核的名稱，並寫下衰變的方程式。出子核的名稱，並寫下衰變的方程式。第39页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 1鐳鐳-226 的的 衰變衰變設設 為子核的核素。那麼為子核的核素。那麼 衰變的方程式可衰變的方程式可以寫成：以寫成：ZXAAZRa22688X+He42226=A+488=Z+2A=222Z=86及及22286Ra22688Rn+He42 X 應是氡應是氡-222根據週期表第40页，本讲稿
21、共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用返返 回回第41页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 2釷釷-232 的衰變系的衰變系89釷釷-232的的衰變系：衰變系：(a)衰變系中每一步放衰變系中每一步放出了甚麼粒子？出了甚麼粒子？Th23290Ra22888Ac22890Th2288788899091224220228232236ThThAcRaAZ第42页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 2釷釷-232 的衰變系的衰變系當母核放出當母核放出 粒子粒
22、子子核的子核的質量數質量數比母核比母核少少 4，原子序數原子序數則則少少 2。當母核放出當母核放出 粒子粒子子核的子核的質量數質量數便便保持不變保持不變，但但原子序數原子序數則則加加 1。因此，因此，89Th23290Ra22888Ac22890Th228第43页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 2釷釷-232 的衰變系的衰變系89(b)如果這個衰變系以鉛如果這個衰變系以鉛-208這種穩定的核素結這種穩定的核素結束，整個系列一共放出多少束，整個系列一共放出多少 粒子？粒子？Th23290Ra22888Ac22890Th228 輻射輻射並
23、不會影響並不會影響質量數質量數所放射出的所放射出的 粒子的數量粒子的數量=(232 208)4=6第44页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用返返 回回第45页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 3鈉鈉-24 的放射強度的放射強度鈉鈉-24 的半衰期為的半衰期為 15 小時。一個鈉小時。一個鈉-24 樣本的樣本的放射強度是放射強度是 800 Bq（每秒的蛻變每秒的蛻變 800 次）。次）。經過經過 2.5 天後，它的放射強度是多少？天後，它的放射強度是多少？第46页，本讲稿共58页19.2 放
24、射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 3鈉鈉-24 的放射強度的放射強度每經過每經過 15 小時，鈉小時，鈉-24 的的放射強度放射強度就減半。就減半。122天天=60 小時小時=4 15 小時（即小時（即 4 半衰期）半衰期）800 Bq15 小時小時400 Bq15 小時小時200 Bq15 小時小時100 Bq15 小時小時50 Bq2.5 天後，樣本的放射強度減弱到天後，樣本的放射強度減弱到 50 Bq。第47页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 3鈉-24 的放射強度每經過每經過 15 小時，鈉小時，鈉
25、-24 的的放射強度放射強度就減半。就減半。122天天=60 小時小時=4 15 小時小時60 小時後的小時後的放射強度放射強度 =800 ()412另解：另解：=50 Bq=800/16 24=16第48页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用返返 回回第49页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 4找出放射性樣本的半衰期找出放射性樣本的半衰期用蓋革用蓋革彌勒計數器來量度某放射性樣本在一段時間內彌勒計數器來量度某放射性樣本在一段時間內的放射強度。的放射強度。每分鐘次數每分鐘次數400300200
26、100012345678時間小時時間小時(a)為甚麼在一段時間後該線圖趨於水為甚麼在一段時間後該線圖趨於水平，而不是下跌至零？平，而不是下跌至零？(b)由關係線圖估計該放射性樣本的由關係線圖估計該放射性樣本的半衰期。半衰期。第50页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用每分鐘次數每分鐘次數400300200100012345678時間小時時間小時例題例題 4找出放射性樣本的半衰期找出放射性樣本的半衰期(a)線圖趨於水平是因為樣本的放射強度下跌線圖趨於水平是因為樣本的放射強度下跌至接近零。至接近零。蓋革蓋革彌勒計數器彌勒計數器所探測到的所探測到的是本底
27、是本底輻射。輻射。第51页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用每分鐘次數每分鐘次數400300200100012345678時間小時時間小時例題例題 4找出放射性樣本的半衰期找出放射性樣本的半衰期(b)樣本的初放射強度樣本的初放射強度=380-30=350 次分鐘次分鐘一個一個半衰期半衰期後預計的計數率後預計的計數率=350/2+30=205 次分鐘次分鐘因此，半衰期是因此，半衰期是 1 小時。小時。第52页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用返返 回回第53页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性
28、同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 5厚度計厚度計下圖為一部厚度計。下圖為一部厚度計。圖中的蓋革圖中的蓋革彌勒計數器可彌勒計數器可以探測到厚度的任何變化，從而調整滾輪施加以探測到厚度的任何變化，從而調整滾輪施加的壓力，保持金屬箔的厚度不變。的壓力，保持金屬箔的厚度不變。移動方向移動方向滾輪滾輪蓋革蓋革彌勒計數器彌勒計數器放射源放射源金屬箔金屬箔第54页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 5厚度計厚度計(a)蓋革蓋革彌勒計數器的讀數增加，表示金屬箔有甚麼彌勒計數器的讀數增加，表示金屬箔有甚麼變化？變化？蓋革蓋革彌勒計數器的讀數
29、增加，表示金屬箔比正彌勒計數器的讀數增加，表示金屬箔比正常薄了。常薄了。滾輪滾輪蓋革蓋革彌勒計數器彌勒計數器放射源放射源第55页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 5厚度計(b)如果蓋革如果蓋革彌勒計數器的讀數增加，滾輪的壓彌勒計數器的讀數增加，滾輪的壓力應當怎樣調整？力應當怎樣調整？滾輪的壓力應當調低，使金屬箔加厚一些。滾輪的壓力應當調低，使金屬箔加厚一些。滾輪滾輪蓋革蓋革彌勒計數器彌勒計數器放射源放射源第56页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用例題例題 5厚度計(c)試解釋為甚麼試解釋為甚麼(i)放射源放射源、(ii)放射源不適合在放射源不適合在厚度計中使用？厚度計中使用？因為因為 粒子不能穿透金屬箔，所以並不適合作粒子不能穿透金屬箔，所以並不適合作為厚度計的放射源。為厚度計的放射源。因為因為 射線的穿透能力太強，射線的穿透能力太強，穿過金屬箔後，計數器的讀數也不會減穿過金屬箔後，計數器的讀數也不會減低多少。低多少。第57页，本讲稿共58页19.2 放射衰變與放射性同位素的應用放射衰變與放射性同位素的應用返返 回回第58页，本讲稿共58页