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高考申論題 107年 [輻射安全] 放射物理學

第 一 題

📖 題組:
二、(一)若醫用放射性核種每年(y)衰變 1%,則該放射核種的半衰期(T1/2)約為何?(4 分) (二)請問經過若干的半衰期會讓放射性物質活性剩下約 1%的活性?(4 分) (三)放射性核種的平均壽命(mean life)是指該核種衰變到最初活度的多少百分比所需的時間?(4 分) (四)核子醫學使用的放射性核種 99mTc(半衰期 6.0 小時)衰變至其原來活性的 37%時,需經過多少時間?(4 分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

若醫用放射性核種每年(y)衰變 1%,則該放射核種的半衰期(T1/2)約為何?(4 分)

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看到此題首先聯想放射性衰變基本公式 A(t) = A_0 e^{-$\lambda t}$。利用「每年衰變 1%(剩餘 99%)」的條件求出衰變常數 $\lambda$,再代入半衰期與衰變常數的關係式 T_{1/2} = \ln 2 / $\lambda$(並善用對數近似 \ln(1-x) $\approx -x$)即可快速求得數值。

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【解題關鍵】利用放射性衰變公式 A(t) = A_0 e^{-$\lambda t}$與半衰期公式 T_{1/2} = $\frac{\ln 2}{\lambda}$進行推導。 【解答】 已知:

小題 (二)

請問經過若干的半衰期會讓放射性物質活性剩下約 1%的活性?(4 分)

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看到「剩下 1%的活性」與「若干半衰期」,應直覺想到放射性衰變的指數公式 At = A0 × (1/2)^n。將 At/A0 代入 0.01,利用對數計算求解 n(半衰期個數)即可快速得分。

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【解題關鍵】利用放射性衰變公式 $A_t = A_0 \times (1/2)^n$(其中 n 為經過的半衰期個數)進行對數求解。 【解答】 計算:

小題 (三)

放射性核種的平均壽命(mean life)是指該核種衰變到最初活度的多少百分比所需的時間?(4 分)

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考生看到此題應立刻聯想「平均壽命(τ)」的物理定義,即衰變常數(λ)的倒數(τ = 1/λ)。接著將此時間代入放射性衰變公式 A(t) = A0 e^(-λt),計算 e^(-1) 的數值並轉換為百分比即可得分。

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【解題思路】利用平均壽命與衰變常數的倒數關係,代入放射性衰變基本公式進行理論推導。 【詳解】 已知定義:放射性核種的平均壽命(mean life, τ)在物理上定義為衰變常數(decay constant, λ)的倒數,即 τ = 1/λ。

小題 (四)

核子醫學使用的放射性核種 99mTc(半衰期 6.0 小時)衰變至其原來活性的 37%時,需經過多少時間?(4 分)

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看到「活性衰變至37%(約等於1/e)」,應立刻聯想到「平均壽命(mean life, τ)」的物理定義。利用衰變公式 A(t) = A_0 e^{-λt},當 t = τ = 1/λ 時,活性恰好剩下 1/e 約 37%,再代入 τ = 1.443 × T_1/2 即可快速求解。

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【解題關鍵】利用放射性衰變定律與平均壽命(mean life)的物理定義進行計算。 【解答】 Step 1 定義:放射性衰變公式為 A(t) = A_0 e^{-$\lambda t}$,其中 $\lambda$為衰變常數,與半衰期 T_1/2 的關係為 $\lambda = \frac{\ln 2}{T_{1/2}}$。

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