AtomicPhysics原子物理学

1、Physics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics1SECTIONF : AtomicPhysics(原子物理學)Chapter27:RADIOACTIVITYI 放射現象27.1Discovering & Detecting RadioactivityDiscovery of radioactivityIn 1896, a French scientist, Henri Becquerel貝克 , discovered that uranium 鈾 compounds emitted radiation 輻射 which can blacken a sealed

2、photographic plate. Almost at the same time, other radioactive materials e.g. radium鐳 discovered by Marie Curie 居里夫人 . 1896年 法國科學家 貝克發現鈾化合物會發出能令負片感光的輻射，同一時間，居里夫人發現鐳有同一現象。IonizingeffectofradiationDetectingradiation探測輻射1. Photographic film 負片a. the radiation affect the film even when wrapped in light-

3、proof paper. 令被遮蓋的負片感光b.usedinfilmfilmshowsbadges, the the level ofextent of exposure toblackening nuclearoftheradiation.可用作紀錄輻射程度2. Diffusion cloud chamber擴散雲室a. enable tracks of radiation to be seen顯.示輻射軌跡b. alcohol vapour condenses around the ions, under strongillumination,itreflectslight&isrevea

4、ledaswhitetracksinadarkbackground.( Ingeneral,onetrackcorresponds to one charged particle ) 酒精分子凝結在輻射造成的離子上，每條軌跡代表一粒輻射Physics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics2c.dRadiationTracks路徑Explanation原因1.strongestionization2.power強電離能力3.1.easilydeflected bytheairmolecules質量輕 ,容易被偏轉。1.3.Sparkcounter火花計數器highion

5、izingpowerradiation高電離能力willproducelotsPhysics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics3ofsparks,e.g.particles,&sourceshardlyproduceanysparks.的高電離能力令電極間產生火花，和則難以產生。4.GeigerMullerTube (GM tube)蓋革彌勒管.suitablefordetectingallthreekindsofradiation.適合量度各種輻射27.2Types of Nuclear Radiation各種輻射Ionizingability電離能力(Anou

6、tershellelectronisknockedoutfromtheatom,creatinganion pair 原子的外圍電子被輻射線撞開，成為離子偶)Ionizingpower電離能力：Physics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics4Penetratingpower穿透能力射線被radiationisstoppedby.隔絕射線被radiationisstoppedby. 隔絕射線被raysisnever. 隔絕Penetrating power穿透能力：Deflectioninmagneticfield磁場偏轉Physics Notes ver. 2.

7、2 : Atomic Physics5Alpha,beta&gammaradiationPropertyradiationradiationradiationNature性質SymbolCharge電荷Speed速度upto1speedup to9speed of light1010oflightspeedoflightSource來源Americium 鍎 (Am-Strontium 鍶(Sr- Cobalt鈷 (Co-60)241)90)Ionizingability電離能力Penetratingpower穿透能力Effectofelectricfields電場影響Effectofmagn

8、eticfields磁場影響Detectors1.1.1.測量器2.2.2.3.3.3.4.UseFlemingslefthandrule弗林明左手定則。Physics Notes ver. 2.2: Atomic Physics6畫出及的 路徑1998HKCEEQ40.C1兩帶電金屬板產生一勻電場.下列哪個圖形顯示 ,和射線在該電場中的偏轉 ?A+-+-D+-B+E-+-1997 HKCEEQ392.下列哪一項有關粒子敘述是不正確的 ?A .粒子不能穿過一張紙.B .粒子受磁場偏轉 .C .粒子可使照相軟片感光.D .粒子可以通過真空.E .粒子是由高速移動的電子組成.Physics Not

9、es ver. 2.2 : Atomic Physics71999 HKCEEQ383.下列各項關於粒子的敘述, 哪一項 不正確?A .粒子不能穿過一張紙。B .粒子可使照相軟片感光。C .粒子受磁場偏轉。D .粒子在空氣中的射程只有數量米。E .粒子不能通過真空。Althoughthenature of each radiation was uncovered揭露 ,thecause原因ofradioactivity was onlysatisfactorilyexplainedafterthe discovery 發現of neutrons中子& protons質子insidetheato

10、ms.Right-angledforktracks直角分叉徑跡Itshowsthatradiationis.27.3RadiationHazards輻射的危險Hazards1. Radiation can destroy or damage living cells. 損害細胞2.Theradiationcan changeDNAandRNAwhichcontrolhowthecellworks破壞脫氧核糖核酸 .3.It may leadto cancerorincurableradiation sickness.導至癌症Safetyprecautions安全措施Physics Notes

11、ver. 2.2: Atomic Physics81.Store&transportinasuitable leadcontainer儲存在鉛箱內.2.Alwaysliftedwith forceps使用鉗子 .3.Theopenwindowmustbedirected away from the body不可指向任何人 .4.Neverbrought closetotheeyesforinspection不可用眼睛檢射線被查 .5. All storage places should bemarkedwithawarning sign. 儲存地點加上警告標誌Backgroundradiati

12、on本底輻射1. Evidence證據Without the presence存在 of a radioactive source, a GMcounter still counts continuously. 即使沒有放射源， GM 計數器亦有讀數，這是因為本底輻射。2. Sources來源a.d.b.e.c.Radiationdose輻射劑量1.mostsusceptible易受影嚮partsofhumanbodytoradiation:i. reproductive system生殖系統ii. immune system免疫系統iii. eyes眼睛2.Resultofover-dose

13、ofradiation:1.Somatic肢體effect - damageextrahighdosage.ofwholeorgansdueto2. Cancer 癌症3.Genetic effects 遺傳 - damage of genes & affects the next generations4. Death 死亡 - dosage over 5000 mSv.3. Another danger of radiation is that it is accumulative積聚 .Physics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics92000HKCEEPa

14、per I Q66.為了找出某放射源放出哪些輻射，現將一個蓋革-彌勒計數器靠近該放射源。在放射源和計數器之間輪流放入不同的吸收體，每次均利用計數器錄取三個讀數，每個讀數歷時一分鐘，所得結果如下 :吸收體計數器錄得的讀數/每分鐘次數第一次讀數第二次讀數第三次讀數-700710693紙板7027037011 mm鋁板3133203175 mm鉛板98101100表 1計數器量度到的本底計數率為每分鐘100次 .(a) 對於每一種吸收體，計數器錄得的三個讀數都不相同，試加以解釋。(1 分)*(b)解釋以上結果如何證實該放射源只放出幅射而沒有放出和輻射。(5 分)Physics Notes ver.

15、2.2 : Atomic Physics10Chapter28:RADIOACTIVITYII 放射現象28.1 The NuclearAtom 原子1.1803JohnDalton Matteriscomposed of tinyparticlescalledatoms.物質由原子組成2.1895Discovery ofelectron發現電子 .3. 1898 J. J. Thomson Plum pudding.4.1900Atoms are made up of smaller particles.原子由粒子組成5.1909RutherfordNew model of atom創立新原

16、子模型 .6.1919RutherfordDiscovery of protons質子 .7.1932J. ChadwickDiscovery of neutron中子 .Thescattering experiment散射實驗1.Usingparticlesto bombarda thin goldfoil. 用粒子踫撞金泊2.Most of particles passed straight through.大部份粒子能穿過3.Some ( 1) reflected throughanglesofmorethan 被偏轉 90o80004.Conclusion: Allthepositiv

17、echargeoftheatom &most ofthemass wereconcentratedinatinycorecallednucleus核子 .Therestoftheatomwaslargelyempty space.原子的所有正電荷及大部份物質都集中在一粒非常細少的粒子，稱核子，其餘大部份的空間都是空的。TheRutherford - Bohrmodel oftheatom盧瑟福原子模型1. Nucleus made up of protons &neutronswhichareboundedtogetherbyastrongnuclearforce.核子由中子和質子組成。Phy

18、sics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics112.Electrons&protonscarryequalbutoppositecharges.電子和質子有相反但數值相同的電荷。3. Electrons orbit the nucleus at certain fixed levels called shells. 電子繞著核子外圍軌跡行走。Elements元素&atomsAnucleusisrepresented bythesymbol:ZA XwhereZ - atomicnumber原子序數A - massnumber質量數Nuclides核素&isotope

19、s同位素1. Isotopes同位素Two elements of which:a. Z 原子序數相同 is the same but A 質量數不同 is different. chemically identical化學性質相同e.g. C-12 & C-14 碳-12 及碳 -14b. Radioisotope放射同位素Anisotopeofanelementthatisradioactive.e.g.C-14.28.2RadioactiveDecay放射衰變The nuclei of some elements are so large that they are unstable.

20、As time goes on, the nucleus will break apart. Some nuclei tend to decay very quickly & others very slowly. It is a random decay. 一些原子很不穩定，某段時間後會分裂，這是 隨機衰變。-decayAA44Z PZ2D+2-decayAA0Z PZ1 D +1-emissionAZ P*AZP +In & decays, the to a daughter nucleus子核 .ZA-2-4+1unchangedunchangeunchangeddparentnucle

21、us母核disintegrates蛻變Physics Notes ver. 2.2 : Atomic PhysicsExerciseCompletethe following equations1.23793 Np421502.7 N13.23892U23490Th1996 HKCEEQ371.21084 Po20682 PbX12 H 13H24HeY23490Th23491PaZ在以上的核反應中，X、Y 和 Z 分別代表什麼 ?XYZA. 粒子質子粒子B. 粒子中子粒子C. 粒子中子射線D. 粒子中子射線E. 粒子質子中子12011999 HKCEEQ 392質量數ANp237236235

22、PQ234R233ST90919293原子序數Z上圖顯示幾個核素的質量數A和原子序數Z . 圖中的 ( 拿 Np ) 同位素衰變時先後放出一粒 粒子和一粒粒子 . 下列中哪一項代表所產生的核素?A .PB .QC .RD .SE .TPhysics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics13Half-life 半衰期 t 12It is the time taken for half of the original number of radioactive nuclei to disintegrate.粒子數由原本減半所需的時間(TheActivityofaradio

23、nuclidemeansthenumberofdecaysperunittime放射強度即是每秒的衰變數)隨著粒子數減半，放射強度亦減半。計數器讀數修正後讀數本底輻射t2t3t4tt2t3t4t修正後讀數即是由放射源所產生的讀數計數器讀數減 本底輻射Physics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics141999 HKCEEQ37.某蓋革- 彌勒計數器量度到的本底計數率為每分鐘80 次. 現將一個放射源放近蓋革勒管的前諯, 所錄得的計數率為每分鐘560次。6 小時後, 計數率下降至每分鐘- 彌140 次。求放射源的半衰期。A.45 分鐘B.1小時C. 1小時30分鐘D

24、.2小時E.3小時1996 HKCEE Q41.1某放射性同位素的放射強度在一小時內降至原來的16 。求這同位素的半衰期。A. 3.75 分鐘B. 7.5分鐘C. 10分鐘D. 15分鐘E. 20分鐘Example1. Partofthe uraniumdecayseries isshownbelow以下為鈾的衰變序列23892U(1)23490Th(2 )23491Pa( 3)23492U( 4)230(5)22690Th88 Raa. What particle is emittedateachdecay? 寫出各衰變放出的粒子b.How manypairsof isotopesareth

25、ere?有多少對同位素c.Ifthe stable end-productof the complete uranium seriesislead-206,20682Pb, howmany alphaparticles areemittedbetween radium-226 andtheendoftheseries.假如最後成為20682Pb共放出多少個粒子2.Thereisthenuclei1,000,000 is 1620radium-226 years. Howat start. The half - life much undecayed nucleiofleftafter最初有1,

26、000,000 Ra-226 , 半衰期是1620年a.1620years?b.3240years?c.6480years?後有多少粒子剩下Physics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics153. Sodium-24 has a half-lifeof 15 hours. A sample ofsodium-24 isfound to have anactivityof 800Bq( disintegrationspersecond ).Whatwillbe itsactivity60hours later. 鈉 24半衰期 15hours.一放射源的放射強度是8

27、00Bq，求 60 小時後的放射強度1998 HKCEEQ394.原子核X 衰變時放出一個 粒子, 並產生子核Y .下列各項敘述,哪些是正確的?(1) X 和 Y 的中子數目相同。(2) X 比 Y 多了一粒質子。(3) X 和 Y 的中子質數目之和相同。A .只有 (1)B .只有 (3)C .只有 (1)和 (2)D .只有 (2)和 (3)E .(1) , (2)和 (3)28.3 Uses ofRadioisotopesRadiotherapy放射治療a.-raysareusedtokillcancer癌cells.b. use Co - 60, g-emitter, as stand

28、ard source.Tracer 示蹤物a.Asmallamountofweak radioisotope, injectedintoasystem can be traced through the system withadetector.注射弱放射物入身體。b.Thehalf-lifeof tracersmust be short so thattherearenoaftereffects示蹤物的半衰期要短，否則有後遺症 .c.e.g.Iodine-131forchecking thyroid gland甲狀腺 ,Phosphorus-30usedtostudytheamount of

29、 fertilizer 肥料neededforacrop穀物 .Sterilisation消毒- raysisusedtokillbacteria細菌infoods.Physics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics16Thickness gauge厚度計usethey- sourcearebeingto control控制manufactured製造 .thethicknessofmaterialwhile1998HKCEEQ41.放射源鋁片探測器某工廠製造1 mm厚鋁片, 並利用一厚度計監察鋁片的厚度確指出厚度計所用的放射源及使用該放射源的源因?.下列各項中,

30、哪一項正放射源原因A .粒子的電離能力很強,所以易於探。B .透過鋁片的 a 粒子數量, 跟鋁片的厚度有關。C .透過鋁片的粒子數量，跟鋁片的厚度有關。D .粒子對人體的傷害較小。E射線有最強的穿透能力。Radioactivelightningconductor輻射式避雷針(Fig. 28.3e)use- sourcetofacilitate 幫助thedischarge放電action.Physics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics17Smokedetector煙霧感應器Carbondating碳14定年法Measuring the activity of C

31、-14 in dead plants, their age can be found. 量度碳 -14放射強度估計年份1997HKCEEQ40.下列哪一項 不是 放射學的正確用途?A .碳 14 年代測定法B .檢查懷孕婦女體內的胎兒C .殺死人體內的癌細胞D .將食物消毒E .厚度計1998 HKCEEQ6246. 鈉的放射性同位素Na 衰變時放出一個 粒子 ,並產生一個穩定的鎂(MG) 同位素。11(a)寫出以上衰變的方程。(2分 )*(b)現有以下儀器 :一蓋革彌勒計數器,一張紙和一塊5 mm厚鋁板，24Na放出粒子而沒有放出粒子。(5分 )描述一實驗以證明11(c)24Na 的半衰期為

32、 15 小時 .將一個放強度為每秒32 x 10 3次的24Na溶液1111樣本注射入某病人血液中. 45小時後 ,從該病人體內抽取6 cm 3的血液 ,測得其放射強度為每秒5 次。(i)4524Na 經歷了多少個半衰期?(1 分)小時後 ,(ii)11(3分 )估計病人體內血液的體積。(iii)列舉 兩個 採用 24Na為醫療示蹤物的原因。(2分 )(d)指出放射性同位素除用作示蹤物外,它們在以下每個界別的一種應用:(i)醫療 ,(ii)工業。(2分 )Physics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics181994 HKCEE Q66.中子數142A140BC13

33、8D136134E868788899091原子序數圖(十二 )圖 ( 十二 ) 顯示某衰變系的一部分。(a)利用圖 ( 十二 ) ，寫出下列各衰變中所放射出來的粒子名稱:(i) A B(ii) B C(2 分)(b) 試指出這衰變系中兩個彼此是同位素的核素。(1 分)(c)這衰變系最終會產生一個穩定的核素X，其原子序數為82而中子數為 126 。(i) 求 A 和X 的質量數。(ii) 從 A 至 X 的衰變過程中，共放出多少粒子?(4 分)(d) 圖 ( 十二 ) 中的一些核素衰變時會同時放出輻射，但憑該圖資料則不足以確認這些核素。試扼要解釋。(2 分)(e)一放射源發生如圖( 十二 ) 所

34、示的衰變。一蓋革計數器置於離該放射源20cm遠處。在連續三分鐘 1027、 1011、 1018次。(i)該放射源放出的哪些輻射可到達計數器?試扼要解釋。(ii) 試解釋什麼是修正後的計數率。(iii) 試扼要解釋為什麼這三個讀數各不相同。(6 分)28.4 Nuclear Energy核能Nuclear fission核裂變When aheavynucleus splitsup intosmaller nuclei,alarge amount of Energyisreleased 重核子分裂，釋放能量 .U-235 is bombardedwithaslowneutron以中子踫撞 U-2

35、35,23592 U +01 n14456 Ba+ 3690 Kr+ 201 n+ energyneutrons emittedduring fission strike other U-235nuclei andachain reactionmayresult. 撞擊過程放出更多中子做成鏈式反應Physics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics19Atomicbomb原子彈uncontrollable失控fissionNuclearreactor核子反應堆controllable受控fissionNuclearreactor contains:a.Control

36、rods控制棒 absorb neutrons when inserted into the reactor vessel. 吸收中子b.Moderator減速劑waterisusedtoslowdown neutrons. 減慢中子速度Nuclearfusion核聚變Theunion 結合oftwo lightnucleitoforma heaviernucleusleadingtotherelease ofahuge 巨 大amount ofenergy21H13H24 He+ 01 n+energya. Neutral fusione.g. production of energy in

37、 the Sun.b. Man-made人造 uncontrollable fusionPhysics Notes ver. 2.2 : Atomic Physics20e.g.Hydrogenbomb氫彈 .28.5NuclearDebate核能的爭論A critical view on Nuclear Power雖然核能曾經被視為將來的能量的希望因為燃料 便宜 并且豐足，核能力對提供動力文明的夢一直衰減，因為費用一直增加和核事故的危險并且廢物處置一直變得更明顯鈾是一非完全新資源。估計顯示有足夠的U-235 為另一個 100 到 200年為分裂反應堆提燃料。使用 U-238 的快速增值器可能是一個抉擇。但是由于政治原因他們將不是將來的能源因為在快速增值器產生的Plutonium239 是核武燃料。一座核發電廠的危險是它所產生的放射性產品(Ba 和 Kr 是長的半衰期非常