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高考申論題 108年 [核子工程] 輻射度量

第 一 題

📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

何謂中子活化?(5 分)

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面對名詞解釋題,首先點出核心物理機制(穩定核種吸收中子成為放射性同位素)。接著,為了確保在專業科目拿滿分,務必寫出常見的核反應式(如熱中子捕獲 (n,γ) 反應),並簡述其在實務上的正向應用(如 NAA 中子活化分析)與輻射防護上的意義(如活化產物評估)。

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「中子活化(Neutron Activation)」是指穩定的原子核吸收(捕獲)入射中子後,轉變為具有放射性同位素的物理過程。 其特徵與實務意義包含:

  1. 物理機制:最常見的反應為熱中子輻射捕獲,即 (n, $\gamma)$反應。原子核吸收中子後形成激發態的複合核,隨即釋放瞬發加馬射線退激,形成的新核種通常具有放射性,後續多會發生 $\beta^-$衰變。

小題 (二)

以 1.00 μg 的天然鈷作成的薄片試樣,在熱中子束通量密度 Φ 為 1.00×10^13 n cm^-2 s^-1 中照射 1,000 秒後,可獲得 2.00×10^9 個 60Co 原子。已知天然鈷中 100% 為 59Co,若以熱中子進行中子捕獲反應 59Co(n,γ)60Co,請問其反應截面積 σ 值為多少?請以邦(barn)表示之。(59Co 之原子量 A 為 58.9)(5 分)

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看到中子照射產生活化產物的題目,首要聯想「中子活化公式」,即生成原子數與靶核數量、中子通量密度、截面積及照射時間成正比。因 60Co 半衰期極長,可直接忽略短時間照射(1,000 秒)的衰變效應,算出靶核總原子數後即可代入求解。

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【解題關鍵】本題考查中子活化分析(Neutron Activation)基本原理,需應用無衰變近似的產額公式 $N_p = N_t \sigma \Phi t$ 進行計算,並透過亞佛加厥常數求出靶核總數。 【解答】 計算:

小題 (三)

今將 59Co 置入反應爐經中子活化兩年,取出後再經過衰退半年,試問其活度剩為飽和活度之多少百分比?(已知 60Co 之 T1/2=5.26 年)(5 分)

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考生看到此題應立刻聯想中子活化與放射性衰變公式。先利用活化公式計算照射完畢瞬間的活度與飽和活度之比例,再代入衰變定律計算冷卻後的最終活度,兩者相乘即可得解。

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【解題關鍵】結合中子活化公式與放射性衰變公式,將照射生長因子 $(1-e^{-\lambda t_1})$ 與衰退衰減因子 $e^{-\lambda t_2}$ 相乘進行比例推導。 【解答】 已知條件:

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