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高考申論題 108年 [輻射安全] 放射物理學

第 一 題

📖 題組:
已知銫-137 原子 K 層、L 層、M 層的電子束縛能(binding energy)分別是 36.0、5.4、1.1 keV。銫-137 的核衰變圖(decay scheme)如下圖。今有一點射源 137Cs 活度 1.0 μCi,則:(一) 1 秒鐘共釋出幾個 662 keV 的光子?(二) 1 秒鐘共釋出幾個 K 層內轉換(internal conversion)電子?(三) K 層內轉換電子的初始動能為何?(四) KLM 奧杰電子(Auger electron)的動能為何?(20 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

1 秒鐘共釋出幾個 662 keV 的光子?

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  1. 先將射源活度從 μCi 轉換成絕對活度單位 Bq(次/秒),確保時間基準一致。
  2. 觀察核衰變圖,找出 662 keV 加馬射線發射的分支比(85%),將其與每秒總衰變數相乘即可求得光子釋放率。
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【解題關鍵】將放射性活度單位自微居里(μCi)轉換為每秒衰變數(Bq),並乘上核衰變圖中對應的加馬光子發射分支比。 【解答】 Step 1:單位轉換(計算每秒總衰變數)

小題 (二)

1 秒鐘共釋出幾個 K 層內轉換(internal conversion)電子?

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觀察衰變圖可直接讀取 K 層內轉換電子(internal conversion electron)的產生機率。將射源活度單位從 μCi 轉換為每秒衰變次數(Bq)後,乘上該機率即可得出每秒釋出的電子總數。

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【解題關鍵】射源活度單位換算與核衰變圖分支機率(產率)的應用。 【解答】 計算:

小題 (三)

K 層內轉換電子的初始動能為何?

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看到「內轉換電子動能」,首要聯想內轉換是原子核激發態退激時,將能量直接轉移給軌道電子使其游離的物理過程。利用能量守恆定律,代入公式:內轉換電子動能 = 原子核躍遷能量 (即原本應釋放的加馬射線能量) - 該層電子的束縛能。從衰變圖找出躍遷能量,再扣除題幹給定的束縛能即可求解。

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【解題思路】利用能量守恆定律,內轉換電子的動能等於原子核躍遷釋放的能量扣除該層電子的束縛能。 【詳解】 已知:

小題 (四)

KLM 奧杰電子(Auger electron)的動能為何?

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看到奧杰電子(Auger electron)的命名(如KLM),應聯想其微觀物理機制:初始空位在K層,L層電子降階填補空位釋放能量,並將該能量轉移給M層電子使其游離。依據能量守恆定律,動能公式為 E_K - E_L - E_M,直接代入題目給定的束縛能即可求得。

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【解題思路】利用能量守恆定律與奧杰電子命名規則($E_{Auger} = E_K - E_L - E_M$)進行物理推導與計算。 【詳解】 已知:

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