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高考申論題 111年 [核子工程] 輻射度量

第 一 題

📖 題組:
一、請試述下列名詞之意涵:(每小題 5 分,共 20 分) (一)內轉換(internal conversion) (二)宇宙射線(cosmic radiation) (三)中子有效增殖因數(effective multiplication factor) (四)固有能峰效率(intrinsic peak efficient)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

內轉換(internal conversion)

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看到內轉換,應直覺聯想到它是加馬衰變的競爭過程。答題時須點出物理機制(核激發能直接傳遞給軌道電子使其游離)、能量特徵(產生單一動能的內轉換電子)以及後續的原子弛豫效應(產生特性X射線或鄂惹電子)。

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「內轉換(internal conversion)」指激發態原子核自激發態躍遷至較低能態或基態時,不發射加馬(γ)射線,而是將能量直接傳遞給核外軌道電子(通常為 K 層或 L 層電子),使其克服結合能而游離脫離原子的物理過程。 特徵包含: (1) 競爭機制:為加馬射線發射的競爭過程,發生機率的比值稱為內轉換係數(α)。

小題 (二)

宇宙射線(cosmic radiation)

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看到「宇宙射線」,應直覺聯想其為天然背景輻射的重要來源。作答時需明確劃分「初級(外太空來源、質子為主)」與「次級(大氣層核反應產生、渺子/中子為主)」的組成差異,並點出其在輻射度量上造成偵測器背景計數的實務意義。

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「宇宙射線(cosmic radiation)」係指來自外太空並射入地球大氣層的高能游離輻射,為天然背景輻射的主要來源之一,特徵包含: (1) 初級宇宙射線:發源於深太空(如超新星)或太陽閃焰,成分約有 87% 為高能質子,11% 為阿伐粒子,其餘為重離子與電子。 (2) 次級宇宙射線:初級射線與地球大氣層中的原子核(如氮、氧)發生核反應(如散裂反應)後產生的二次輻射,成分包含渺子(muons)、中子、電子、正子與加馬射線等。到達地表的宇宙射線主要為此類。

小題 (三)

中子有效增殖因數(effective multiplication factor)

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看到「中子有效增殖因數」,應立即聯想到核反應器物理中的「臨界狀態」指標($k_{eff}$)。作答時需點出其物理定義為連續兩代中子數量的比值,並列舉大於、等於、小於 1 時分別代表的反應器運轉狀態(超臨界、臨界、次臨界)。

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「中子有效增殖因數($k_{eff}$)」指在核分裂系統(如核反應器)中,任一代(第 $n+1$ 代)產生的中子總數與其前一代(第 $n$ 代)產生中子總數的比值,綜合反映了系統內中子產生、吸收與漏失的平衡關係。 實務應用上,依其數值可判斷核反應器連鎖反應的運轉狀態: (1) $k_{eff} = 1$ 為臨界(critical)狀態,連鎖反應穩定持續,系統功率維持定值。

小題 (四)

固有能峰效率(intrinsic peak efficient)

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看到「固有能峰效率」時,應拆解為「固有(intrinsic)」與「能峰(peak)」兩個概念。「固有」代表排除幾何立體角影響,僅看射入偵測器的粒子;「能峰」代表僅計算完全沉積能量(全能峰)的事件,最後寫出兩者的比值定義與實務用途。

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「固有能峰效率(intrinsic peak efficiency)」指輻射(如加馬射線)實際入射至輻射偵測器後,在偵測器內部發生全能量吸收(主要為光電效應),並於能譜上貢獻於全能峰(full-energy peak)計數之機率。 特徵包含: (1) 排除幾何因數影響:分母僅計算「實際射入偵測器」的輻射粒子數,而非射源發射之總粒子數。

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