109 高普考高考三級 輻射安全 放射物理學 考古題詳解

109 年・高普考・高考三級・輻射安全
試題代碼 放射物理學

第 一 題10 分

已知母核(parent nuclide)13N^{13}\mathrm{N}進行純 β+\beta^+ 蛻變(pure β+\beta^+ decay),13N^{13}\mathrm{N}的半化期為 9.96 min9.96\ \mathrm{min},母核的原子質量為 13.0057388 u13.0057388\ \mathrm{u},子核(daughter nuclide)的原子質量為 13.0033551 u13.0033551\ \mathrm{u}。試繪出 13N^{13}\mathrm{N} 的 β+\beta^+ 蛻變圖。

電子的質量為 0.0005485799 u0.0005485799\ \mathrm{u},質子的質量為 1.007276470 u1.007276470\ \mathrm{u},中子的質量為 1.008664904 u1.008664904\ \mathrm{u},其中 u\mathrm{u} 為原子質量單位(atomic mass unit)。

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核心觀念

  1. β+\beta^+(正電子)蛻變原理與核反應:
  • 放射性原子核內質子過多時,一個質子轉變為中子,同時釋出一個正電子(β+\beta^+)與一個電微中子(νe\nu_e): p→n+β++νep \to n + \beta^+ + \nu_e
  • 母核的原子序 ZZ 減少 1,質量數 AA 保持不變。
  1. β+\beta^+ 蛻變之能量條件與最大動能(Eβ+,max⁡E_{\beta^+, \max}):
  • 核反應前後之核質量差為: Δmnuclear=mN(ZAX)−[mN(Z−1AY)+me]\Delta m_{\text{nuclear}} = m_N({}^{A}_{Z}\mathrm{X}) - [m_N({}^{A}_{Z-1}\mathrm{Y}) + m_e]
  • 換算為中性原子質量 MM(忽略軌域電子結合能): mN(ZAX)=M(ZAX)−Zmem_N({}^{A}_{Z}\mathrm{X}) = M({}^{A}_{Z}\mathrm{X}) - Z m_e mN(Z−1AY)=M(Z−1AY)−(Z−1)mem_N({}^{A}_{Z-1}\mathrm{Y}) = M({}^{A}_{Z-1}\mathrm{Y}) - (Z-1) m_e
  • 代入可得反應釋放能(即 Qβ+Q_{\beta^+} 或正電子之最大動能 Eβ+,max⁡E_{\beta^+, \max}): Qβ+=[M(ZAX)−M(Z−1AY)−2me]×c2Q_{\beta^+} = [M({}^{A}_{Z}\mathrm{X}) - M({}^{A}_{Z-1}\mathrm{Y}) - 2m_e] \times c^2
  • 進行 β+\beta^+ 蛻變的門檻能(threshold energy)為:母核與子核的中性原子質量差必須大於兩倍電子靜止質量,即 ΔM×c2≥2mec2≈1.022 MeV\Delta M \times c^2 \ge 2 m_e c^2 \approx 1.022\ \mathrm{MeV}。
  1. 核蛻變圖(Decay Scheme)之繪製慣例:
  • 能階高低:縱軸代表能量,母核能階置於上方,子核能階置於下方。
  • 原子序變化:橫軸代表原子序 ZZ。ZZ 增加時箭頭向右下斜射(如 β−\beta^-);ZZ 減少時箭頭向左下斜射(如 α\alpha、β+\beta^+、軌域電子捕獲 EC\mathrm{EC})。
  • β+\beta^+ 躍遷特殊標示:因必須耗費 2mec2=1.022 MeV2 m_e c^2 = 1.022\ \mathrm{MeV} 之質量生成能量,慣例上自母核能階先垂直向下畫一條代表 1.022 MeV1.022\ \mathrm{MeV} 的線段,接著再向左下方畫斜箭頭指向子核能階。
  • 標記要素:核種符號、半化期(T1/2T_{1/2})、能階能量(MeV\mathrm{MeV} 或 keV\mathrm{keV})、分支比(Branching Ratio)及最大動能(Eβ+,max⁡E_{\beta^+, \max})。

解題方法

步驟一:確定子核核種與反應方程式

母核為 713N^{13}_{7}\mathrm{N},進行純 β+\beta^+ 蛻變:

  • 質量數 A=13A = 13 不變。
  • 原子序 Z=7−1=6Z = 7 - 1 = 6(碳,C\mathrm{C})。
  • 子核為碳-13(613C^{13}_{6}\mathrm{C})。
  • 核反應式為: 713N→613C+β++νe^{13}_{7}\mathrm{N} \to {}^{13}_{6}\mathrm{C} + \beta^+ + \nu_e
  • 題目註明「純 β+\beta^+ 蛻變」,代表無分支躍遷至激發態,不伴隨發射 γ\gamma 射線,分支比為 100%100\%。

步驟二:計算總轉移能量(ΔE\Delta E)與正電子最大動能(Eβ+,max⁡E_{\beta^+, \max})

  1. 母核與子核的原子質量差(ΔM\Delta M): ΔM=M(13N)−M(13C)\Delta M = M({}^{13}\mathrm{N}) - M({}^{13}\mathrm{C}) ΔM=13.0057388 u−13.0033551 u=0.0023837 u\Delta M = 13.0057388\ \mathrm{u} - 13.0033551\ \mathrm{u} = 0.0023837\ \mathrm{u}
  2. 總過渡能量(母子核能階差): 依質能等價關係(取 1 u≈931.5 MeV1\ \mathrm{u} \approx 931.5\ \mathrm{MeV}): ΔE=ΔM×931.5 MeV/u=0.0023837×931.5 MeV≈2.220 MeV\Delta E = \Delta M \times 931.5\ \mathrm{MeV/u} = 0.0023837 \times 931.5\ \mathrm{MeV} \approx 2.220\ \mathrm{MeV}
  3. 兩倍電子靜止質量等效能量(2mec22 m_e c^2):
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第 二 題15 分

有一法馬型游離腔(Farmer-type ion chamber)放在水假體(water phantom)內,接受直線加速器輸出 6 MV6\ \mathrm{MV} 的 X 光射束照射,測得 25 nC25\ \mathrm{nC} 之電量,試計算量測點位置水的吸收劑量為何?

已知:

(L‾ρ)airgraphite=1.002,(L‾ρ)airwater=1.127\left(\frac{\overline{L}}{\rho}\right)_{\mathrm{air}}^{\mathrm{graphite}}=1.002,\qquad \left(\frac{\overline{L}}{\rho}\right)_{\mathrm{air}}^{\mathrm{water}}=1.127

(μenρ)airgraphite=0.997,(μenρ)airwater=1.111\left(\frac{\mu_{\mathrm{en}}}{\rho}\right)_{\mathrm{air}}^{\mathrm{graphite}}=0.997,\qquad \left(\frac{\mu_{\mathrm{en}}}{\rho}\right)_{\mathrm{air}}^{\mathrm{water}}=1.111

(We)air=33.97 eV/i.p.\left(\frac{W}{e}\right)_{\mathrm{air}}=33.97\ \mathrm{eV/i.p.}

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核心觀念

本題的核心在於應用布拉格-格雷空腔理論(Bragg-Gray Cavity Theory)與史賓塞-阿提克斯空腔理論(Spencer-Attix Cavity Theory),將氣體游離腔量測到的游離電荷轉換為周圍介質(水)的吸收劑量。

  1. 腔內空氣吸收劑量(DairD_{\mathrm{air}})之定義: Dair=Qmair⋅(We)airD_{\mathrm{air}} = \frac{Q}{m_{\mathrm{air}}} \cdot \left(\frac{W}{e}\right)_{\mathrm{air}} 其中:
  • QQ:游離腔收集到的電荷量(C\mathrm{C})。
  • mairm_{\mathrm{air}}:游離腔靈敏體積內的空氣質量(kg\mathrm{kg}),mair=V⋅ρairm_{\mathrm{air}} = V \cdot \rho_{\mathrm{air}}。
  • (We)air\left(\frac{W}{e}\right)_{\mathrm{air}}:在空氣中產生一對離子對(ion pair, i.p.)所需的平均能量與基本電荷之比值,數值為 33.97 J/C33.97\ \mathrm{J/C}(因 1 eV=1.602×10−19 J1\ \mathrm{eV} = 1.602 \times 10^{-19}\ \mathrm{J},而每對離子對帶電量 1 i.p.=1.602×10−19 C1\ \mathrm{i.p.} = 1.602 \times 10^{-19}\ \mathrm{C},故數值在 eV/i.p.\mathrm{eV/i.p.} 與 J/C\mathrm{J/C} 下相同)。
  1. 空腔轉換為介質(水)的吸收劑量(DwaterD_{\mathrm{water}}): 在百萬伏特(MV)級高能 X 光射束下,空腔尺寸遠小於次級電子的射程,沉積在空腔內的劑量完全由穿透空腔的次級電子所貢獻,滿足布拉格-格雷空腔條件。介質與空氣之吸收劑量比值等於其平均質量碰撞阻止本領比(mass collision stopping power ratio): Dwater=Dair⋅(L‾ρ)airwaterD_{\mathrm{water}} = D_{\mathrm{air}} \cdot \left(\frac{\overline{L}}{\rho}\right)_{\mathrm{air}}^{\mathrm{water}}

解題方法

題目未直接提供游離腔體積與環境溫壓,依放射物理學與臨床計量常規,法馬型游離腔(Farmer-type ion chamber)之標稱靈敏體積為 V=0.6 cm3V = 0.6\ \mathrm{cm}^3;在劑量校正標準參考條件(22∘C, 1 atm=760 mmHg22^\circ\mathrm{C},\ 1\ \mathrm{atm} = 760\ \mathrm{mmHg})下,乾燥空氣密度為 ρair≈1.197×10−3 g/cm3\rho_{\mathrm{air}} \approx 1.197 \times 10^{-3}\ \mathrm{g/cm}^3。

步驟一:計算游離腔內空氣質量 mairm_{\mathrm{air}}

mair=V⋅ρair=0.6 cm3×1.197×10−3 g/cm3=7.182×10−4 g=7.182×10−7 kgm_{\mathrm{air}} = V \cdot \rho_{\mathrm{air}} = 0.6\ \mathrm{cm}^3 \times 1.197 \times 10^{-3}\ \mathrm{g/cm}^3 = 7.182 \times 10^{-4}\ \mathrm{g} = 7.182 \times 10^{-7}\ \mathrm{kg}

(註:若採標準溫壓 0∘C, 1 atm0^\circ\mathrm{C},\ 1\ \mathrm{atm} 之空氣密度 ρ0=1.293×10−3 g/cm3\rho_0 = 1.293 \times 10^{-3}\ \mathrm{g/cm}^3,則 mair=7.758×10−7 kgm_{\mathrm{air}} = 7.758 \times 10^{-7}\ \mathrm{kg})。

步驟二:計算腔內空氣吸收劑量 DairD_{\mathrm{air}}

已知量測電荷 Q=25 nC=25×10−9 CQ = 25\ \mathrm{nC} = 25 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}: Dair=Qmair⋅(We)air=25×10−9 C7.182×10−7 kg×33.97 J/C≈1.1825 GyD_{\mathrm{air}} = \frac{Q}{m_{\mathrm{air}}} \cdot \left(\frac{W}{e}\right)_{\mathrm{air}} = \frac{25 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}}{7.182 \times 10^{-7}\ \mathrm{kg}} \times 33.97\ \mathrm{J/C} \approx 1.1825\ \mathrm{Gy}

步驟三:利用阻止本領比計算水之吸收劑量 DwaterD_{\mathrm{water}}

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第 三 題15 分

使用電腦斷層攝影(CT)32 cm32\ \mathrm{cm} PMMA 假體,測量 CT 的 X 光射束品質。掃描條件為管電壓 123 kVp123\ \mathrm{kVp},以長 10 cm10\ \mathrm{cm} 之游離腔,測量上、下、左、右四邊緣孔洞之劑量值分別是 38.338.3、30.530.5、36.736.7、37.3 mGy37.3\ \mathrm{mGy};中央孔洞劑量值是 21.9 mGy21.9\ \mathrm{mGy}。

若今臨床掃描條件均相同,僅將螺距(pitch)改為 1.21.2,掃描腹部長度 20 cm20\ \mathrm{cm},則劑量長度乘積(DLP)為何?

CTDI = computed tomography dose index;ww = weighted;vol\mathrm{vol} = volume;DLP = dose-length product。螺距為螺旋式 CT 每轉一圈的床台移動距離與每圈取像厚度之比。

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核心觀念

本題旨在評量醫用電腦斷層攝影(CT)中最重要的輻射劑量評估體系,涉及以下核心定義與公式:

  1. 假體與邊緣平均劑量: 使用標準 32 cm32\ \mathrm{cm} PMMA 體部假體時,邊緣孔洞劑量取上、下、左、右四個位置之算術平均值: CTDI100,periphery=Dtop+Dbottom+Dleft+Dright4\mathrm{CTDI}_{100,\text{periphery}} = \frac{D_{\text{top}} + D_{\text{bottom}} + D_{\text{left}} + D_{\text{right}}}{4}
  2. 加權電腦斷層劑量指標(Weighted CTDI, CTDIw\mathrm{CTDI}_w): 因人體與假體截面上之射束衰減特性(周圍吸收劑量高、中央低),且周圍外環佔截面面積約三分之二,故依截面面積比例進行加權: CTDIw=13CTDI100,center+23CTDI100,periphery\mathrm{CTDI}_w = \frac{1}{3}\mathrm{CTDI}_{100,\text{center}} + \frac{2}{3}\mathrm{CTDI}_{100,\text{periphery}}
  3. 體積電腦斷層劑量指標(Volume CTDI, CTDIvol\mathrm{CTDI}_{\mathrm{vol}}): 在螺旋(helical)掃描模式下,考量螺距(Pitch)對掃描體積內平均吸收劑量之稀釋或重疊效應: CTDIvol=CTDIwPitch\mathrm{CTDI}_{\mathrm{vol}} = \frac{\mathrm{CTDI}_w}{\text{Pitch}}
  4. 劑量長度乘積(Dose-Length Product, DLP): 表彰單次 CT 檢查中患者所接受的總輻射輸出量,定義為體積劑量指標與掃描長度(LL)之乘積: DLP=CTDIvol×L\mathrm{DLP} = \mathrm{CTDI}_{\mathrm{vol}} \times L 法定與臨床標準常用單位為 mGy⋅cm\mathrm{mGy}\cdot\mathrm{cm}。

解題方法

步驟一:計算周圍孔洞平均劑量 CTDI100,periphery\mathrm{CTDI}_{100,\text{periphery}} 將四邊緣孔洞劑量(38.338.3、30.530.5、36.736.7、37.3 mGy37.3\ \mathrm{mGy})取平均值: CTDI100,periphery=38.3+30.5+36.7+37.34=142.84=35.7 mGy\mathrm{CTDI}_{100,\text{periphery}} = \frac{38.3 + 30.5 + 36.7 + 37.3}{4} = \frac{142.8}{4} = 35.7\ \mathrm{mGy}

步驟二:計算加權劑量指標 CTDIw\mathrm{CTDI}_w 中央孔洞劑量 CTDI100,center=21.9 mGy\mathrm{CTDI}_{100,\text{center}} = 21.9\ \mathrm{mGy},代入加權公式: CTDIw=13(21.9)+23(35.7)=7.3+23.8=31.1 mGy\mathrm{CTDI}_w = \frac{1}{3}(21.9) + \frac{2}{3}(35.7) = 7.3 + 23.8 = 31.1\ \mathrm{mGy}

步驟三:計算體積劑量指標 CTDIvol\mathrm{CTDI}_{\mathrm{vol}} 臨床掃描條件下螺距 pitch=1.2\text{pitch} = 1.2:

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第 四 題10 分

若腫瘤組織的比熱(specific heat)為 1 cal/(g ∘C)1\ \mathrm{cal/(g\,^\circ C)},試計算 10 g10\ \mathrm{g} 的腫瘤接受分次劑量(fraction dose)為 2 Gy2\ \mathrm{Gy} 的 10 MV10\ \mathrm{MV} 高能 X 光放射治療,可以使該腫瘤組織的溫度上升幾 ∘C^\circ\mathrm{C}?

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核心觀念

  1. 吸收劑量(Absorbed Dose, DD)的定義: 單位質量物質所吸收的平均游離輻射能量,其國際標準單位(SI)為戈雷(Gy\mathrm{Gy}): 1 Gy=1 J/kg=10−3 J/g1\ \mathrm{Gy} = 1\ \mathrm{J/kg} = 10^{-3}\ \mathrm{J/g}
  2. 熱量與溫升關係式: 物質吸收熱量 QQ 與溫度變化 ΔT\Delta T 的關係為: Q=m⋅s⋅ΔTQ = m \cdot s \cdot \Delta T 其中 mm 為質量,ss 為比熱,ΔT\Delta T 為溫度變化量。
  3. 輻射量熱法(Calorimetry)基本原理: 在不考慮熱擴散、散熱與化學鍵能變化(即熱缺陷,heat defect 視為 00)的理想絕熱狀態下,吸收的輻射能全部轉換為熱能: ΔEabsorbed=Q\Delta E_{\text{absorbed}} = Q
  4. 熱功當量(Mechanical Equivalent of Heat): 1 cal=4.184 J(亦可採 4.186 J)1\ \mathrm{cal} = 4.184\ \mathrm{J}\quad (\text{亦可採 } 4.186\ \mathrm{J})

解題方法

本題切入點為「輻射吸收總能量完全轉化為熱能,使組織溫度上升」。

步驟一:列出能量平衡方程式

設組織質量為 mm,吸收劑量為 DD。 腫瘤組織吸收的總輻射能量 ΔE\Delta E 為: ΔE=m⋅D\Delta E = m \cdot D

組織溫度上升 ΔT\Delta T 所需吸收的熱量 QQ 為: Q=m⋅s⋅ΔTQ = m \cdot s \cdot \Delta T

依能量守恆定律,ΔE=Q\Delta E = Q: m⋅D=m⋅s⋅ΔTm \cdot D = m \cdot s \cdot \Delta T

兩邊同除以質量 mm,可得溫升與組織質量無關: ΔT=Ds\Delta T = \frac{D}{s}

步驟二:統一單位

  • 吸收劑量:D=2 Gy=2 J/kgD = 2\ \mathrm{Gy} = 2\ \mathrm{J/kg}
  • 比熱:s=1 cal/(g ∘C)=4.184 J10−3 kg⋅∘C=4184 J/(kg ∘C)s = 1\ \mathrm{cal/(g\,^\circ C)} = \frac{4.184\ \mathrm{J}}{10^{-3}\ \mathrm{kg}\cdot ^\circ\mathrm{C}} = 4184\ \mathrm{J/(kg\,^\circ C)}

步驟三:代入數值計算

ΔT=2 J/kg4184 J/(kg ∘C)≈4.78×10−4 ∘C\Delta T = \frac{2\ \mathrm{J/kg}}{4184\ \mathrm{J/(kg\,^\circ C)}} \approx 4.78 \times 10^{-4}\ ^\circ\mathrm{C}

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第 五 題15 分

已知均勻分布體內的 24Na^{24}\mathrm{Na},放射半化期 tr=15.0 ht_r=15.0\ \mathrm{h},生物半化期 tb=11.0 dt_b=11.0\ \mathrm{d}。

24Na^{24}\mathrm{Na} 的蛻變形式為 β−\beta^-,其最大 β−\beta^- 能量 Eβ,max⁡=1.391 MeVE_{\beta,\max}=1.391\ \mathrm{MeV},平均 β−\beta^- 能量 Eβ,mean=0.555 MeVE_{\beta,\mathrm{mean}}=0.555\ \mathrm{MeV}。

24Na^{24}\mathrm{Na} 進行 β−\beta^- 蛻變時,其發射 γ\gamma 射線的能量與伴隨發射 γ\gamma 射線的機率分別為:

  • γ1=1.369 MeV\gamma_1=1.369\ \mathrm{MeV}(100%100\%)
  • γ2=2.754 MeV\gamma_2=2.754\ \mathrm{MeV}(100%100\%)

若某人的體重為 70 kg70\ \mathrm{kg},體內有 10 μCi10\ \mu\mathrm{Ci} 的 24Na^{24}\mathrm{Na} 均勻分布,β−\beta^- 的吸收比率為 100%100\%,γ1\gamma_1 的吸收比率為 31%31\%,γ2\gamma_2 的吸收比率為 27%27\%,β−\beta^- 的轉換係數(conversion coefficient)為:

88.6×10−15 kg GyBq s88.6\times10^{-15}\ \frac{\mathrm{kg\,Gy}}{\mathrm{Bq\,s}}

γ1\gamma_1 的轉換係數為:

218.9×10−15 kg GyBq s218.9\times10^{-15}\ \frac{\mathrm{kg\,Gy}}{\mathrm{Bq\,s}}

γ2\gamma_2 的轉換係數為:

440.1×10−15 kg GyBq s440.1\times10^{-15}\ \frac{\mathrm{kg\,Gy}}{\mathrm{Bq\,s}}

試計算此人的總吸收劑量為何?

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核心觀念

本題評估放射性核種於人體內均勻分布所造成的體內總吸收劑量(Total Committed Absorbed Dose),屬於醫用內劑量評估委員會(MIRD)模式之典型計算。核心概念與公式涵蓋:

  1. 有效半化期(Effective Half-life, tet_e): 體內核種同時受物理放射衰變(物理半化期 trt_r)與人體生理代謝排泄(生物半化期 tbt_b)之共同作用: 1te=1tr+1tb  ⟹  te=tr×tbtr+tb\frac{1}{t_e} = \frac{1}{t_r} + \frac{1}{t_b} \implies t_e = \frac{t_r \times t_b}{t_r + t_b} 有效衰減常數為 λe=λr+λb=ln⁡2te\lambda_e = \lambda_r + \lambda_b = \frac{\ln 2}{t_e}。

  2. 累積活度(Cumulated Activity, A~\tilde{A}): 體內總蛻變次數為活度對時間的完全積分(自 t=0t = 0 至 ∞\infty): A~=∫0∞A(t) dt=∫0∞A0e−λet dt=A0λe=A0×teln⁡2≈1.443×A0×te\tilde{A} = \int_0^\infty A(t)\,\mathrm{d}t = \int_0^\infty A_0 e^{-\lambda_e t}\,\mathrm{d}t = \frac{A_0}{\lambda_e} = \frac{A_0 \times t_e}{\ln 2} \approx 1.443 \times A_0 \times t_e

  3. 輻射沉積能量與轉換係數(Conversion Coefficient, Δi\Delta_i): 題目的轉換係數單位為 kg GyBq s\frac{\mathrm{kg\,Gy}}{\mathrm{Bq\,s}},因 1 Gy=1 J/kg1\ \mathrm{Gy} = 1\ \mathrm{J/kg},此單位等同於 JBq s=J/蛻變\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{Bq\,s}} = \mathrm{J/蛻變},即每次蛻變所射出之輻射能量(相當於 MIRD 之平衡劑量常數 Δi\Delta_i)。 考量各射線被全身組織吸收之比例(吸收比率,Absorbed Fraction, ϕi\phi_i),每次蛻變在全身沉積的有效能量為: Δeff=∑iΔiϕi\Delta_{\mathrm{eff}} = \sum_i \Delta_i \phi_i

  4. 全身總吸收劑量(Total Absorbed Dose, DD): 全身體積或器官所吸收的總能量除以體重 mm(70 kg70\ \mathrm{kg}): D=A~∑iΔiϕimD = \frac{\tilde{A} \sum_i \Delta_i \phi_i}{m}


解題方法

步驟一:計算有效半化期 tet_e 與有效平均壽命 τe\tau_e

  • 物理半化期:tr=15.0 ht_r = 15.0\ \mathrm{h}
  • 生物半化期:tb=11.0 d=11.0×24 h=264.0 ht_b = 11.0\ \mathrm{d} = 11.0 \times 24\ \mathrm{h} = 264.0\ \mathrm{h}
  • 計算有效半化期 tet_e: te=15.0×264.015.0+264.0=3960279≈14.1935 ht_e = \frac{15.0 \times 264.0}{15.0 + 264.0} = \frac{3960}{279} \approx 14.1935\ \mathrm{h}
  • 轉換為秒(s\mathrm{s}): te=14.19355 h×3600 s/h≈51096.8 st_e = 14.19355\ \mathrm{h} \times 3600\ \mathrm{s/h} \approx 51096.8\ \mathrm{s}
  • 計算有效平均壽命 τe\tau_e(即 1λe\frac{1}{\lambda_e}): τe=teln⁡2=51096.80.69315≈73717 s\tau_e = \frac{t_e}{\ln 2} = \frac{51096.8}{0.69315} \approx 73717\ \mathrm{s}

步驟二:計算累積活度 A~\tilde{A}(總蛻變數)

  • 初始活度 A0A_0 換算為 SI 制單位(Bq\mathrm{Bq}): A0=10 μCi=10×3.7×104 Bq=3.7×105 BqA_0 = 10\ \mu\mathrm{Ci} = 10 \times 3.7 \times 10^4\ \mathrm{Bq} = 3.7 \times 10^5\ \mathrm{Bq}
  • 計算體內完全衰變所釋出的累積活度: A~=A0×τe=3.7×105 Bq×73717 s≈2.7275×1010 Bq⋅s (次蛻變)\tilde{A} = A_0 \times \tau_e = 3.7 \times 10^5\ \mathrm{Bq} \times 73717\ \mathrm{s} \approx 2.7275 \times 10^{10}\ \mathrm{Bq\cdot s}\ (\text{次蛻變})

步驟三:計算每蛻變在全身沉積之加權能量 ∑iΔiϕi\sum_i \Delta_i \phi_i

將各放射線的轉換係數乘以對應的吸收比率:

  1. β−\beta^- 射線: Δβϕβ=88.6×10−15×1.00=88.600×10−15 kg GyBq s\Delta_\beta \phi_\beta = 88.6 \times 10^{-15} \times 1.00 = 88.600 \times 10^{-15}\ \frac{\mathrm{kg\,Gy}}{\mathrm{Bq\,s}}
  2. γ1\gamma_1 射線(1.369 MeV1.369\ \mathrm{MeV}):
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第 六 題10 分

快中子與質子的單次彈性碰撞中可能損失的最大能量分數為何?

質子的質量為 1.007276470 u1.007276470\ \mathrm{u},中子的質量為 1.008664904 u1.008664904\ \mathrm{u}。

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核心觀念

本題評量核工與放射物理中**快中子與原子核的彈性散射(Elastic Scattering)**機制,關鍵公式與觀念如下:

  1. 守恆定律與正碰條件: 快中子(質量 mnm_n、初動能 E0E_0)與靜止的靶核(質量 MM)發生非相對論性彈性碰撞時,遵循動量守恆與動能守恆。當中子與靶核發生「正面碰撞(Head-on Collision,質心散射角 θ=π\theta = \pi)」時,靶核向前反衝,此時中子轉移給靶核的能量達到極大值,即中子損失的能量分數最大。

  2. 能量轉移分數公式: 散射後中子的剩餘動能與初動能之比稱為能量比率。在正面碰撞中,中子保有的最小動能比率為碰撞參數 α\alpha: α=(mn−Mmn+M)2\alpha = \left( \frac{m_n - M}{m_n + M} \right)^2 因此,中子損失的最大能量 ΔEmax⁡\Delta E_{\max} 與最大能量損失分數 fmax⁡f_{\max} 為: fmax⁡=ΔEmax⁡E0=1−α=1−(mn−Mmn+M)2=4mnM(mn+M)2f_{\max} = \frac{\Delta E_{\max}}{E_0} = 1 - \alpha = 1 - \left( \frac{m_n - M}{m_n + M} \right)^2 = \frac{4 m_n M}{(m_n + M)^2}


解題方法

步驟一:一維彈性正碰推導

設快中子質量為 mnm_n、初速為 v0v_0;質子質量為 mpm_p,初速為 00。碰撞後中子速度為 v1v_1,質子反衝速度為 v2v_2。

由一維動量守恆: mnv0=mnv1+mpv2m_n v_0 = m_n v_1 + m_p v_2

由動能守恆(彈性碰撞恢復係數 e=1e = 1),得相對速度關係: v0=v2−v1  ⟹  v1=v2−v0v_0 = v_2 - v_1 \implies v_1 = v_2 - v_0

將 v1v_1 代入動量守恆式: mnv0=mn(v2−v0)+mpv2  ⟹  2mnv0=(mn+mp)v2m_n v_0 = m_n (v_2 - v_0) + m_p v_2 \implies 2 m_n v_0 = (m_n + m_p) v_2 v2=2mnmn+mpv0v_2 = \frac{2 m_n}{m_n + m_p} v_0

中子傳遞給質子的最大動能(即中子損失的最大能量)為: Ep,max⁡=12mpv22=12mp(2mnmn+mpv0)2=4mnmp(mn+mp)2(12mnv02)E_{p,\max} = \frac{1}{2} m_p v_2^2 = \frac{1}{2} m_p \left( \frac{2 m_n}{m_n + m_p} v_0 \right)^2 = \frac{4 m_n m_p}{(m_n + m_p)^2} \left( \frac{1}{2} m_n v_0^2 \right)

因此,最大能量損失分數為: fmax⁡=Ep,max⁡E0=4mnmp(mn+mp)2=1−(mn−mpmn+mp)2f_{\max} = \frac{E_{p,\max}}{E_0} = \frac{4 m_n m_p}{(m_n + m_p)^2} = 1 - \left( \frac{m_n - m_p}{m_n + m_p} \right)^2

步驟二:精確數值代入

題目給定數值:

  • 中子質量 mn=1.008664904 um_n = 1.008664904\ \mathrm{u}
  • 質子質量 mp=1.007276470 um_p = 1.007276470\ \mathrm{u}

計算質量差與質量和: mn−mp=1.008664904−1.007276470=0.001388434 um_n - m_p = 1.008664904 - 1.007276470 = 0.001388434\ \mathrm{u}

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第 七 題10 分

對簡單的靶模型(simple target model)而言,D0D_0 是指細胞殘存率(survival rate,即存活率)以指數方式減少至原始值的 37%37\% 所需的劑量,D10D_{10} 指細胞存活率減少至原始值的 10%10\% 所需的劑量。

若減少細胞殘存率為原來 37%37\% 所需的劑量為 3 Gy3\ \mathrm{Gy},則殘存率 1%1\% 的劑量 D1D_1 與殘存率 10%10\% 的劑量 D10D_{10} 之比值 D1D10\frac{D_1}{D_{10}} 為何?

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核心觀念

本題測驗放射生物學中**靶理論(Target Theory)**的基礎數學模型——**單靶單擊模型(Single-Target Single-Hit Model,即題目所述的簡單靶模型 Simple Target Model)**之劑量與存活率關係。

  1. 簡單靶模型存活方程式: 細胞受照射後的存活率(Survival Fraction, SS)與吸收劑量 DD 呈單一負指數衰減關係: S=e−D/D0S = e^{-D / D_0} 其中 D0D_0 為平均致死劑量(Mean Lethal Dose),定義為使細胞存活率降至原始值的 1/e1/e(約 36.8%≈37%36.8\% \approx 37\%)所需的劑量。
  2. 對數劑量指標定義:
  • D10D_{10}:細胞存活率降至 10%10\%(即 0.10.1)所需的劑量。
  • D1D_1:細胞存活率降至 1%1\%(即 0.010.01)所需的劑量。

解題方法

由簡單靶模型的指數衰減關係出發,分別推導 D10D_{10} 與 D1D_1 的表達式:

  1. 求 D10D_{10}: 當細胞存活率 S=10%=0.1S = 10\% = 0.1 時: 0.1=e−D10/D00.1 = e^{-D_{10} / D_0} 兩邊取自然對數: ln⁡(0.1)=−D10D0  ⟹  −ln⁡(10)=−D10D0\ln(0.1) = -\frac{D_{10}}{D_0} \implies -\ln(10) = -\frac{D_{10}}{D_0} 解得: D10=D0ln⁡(10)D_{10} = D_0 \ln(10)

  2. 求 D1D_1: 當細胞存活率 S=1%=0.01S = 1\% = 0.01 時: 0.01=e−D1/D00.01 = e^{-D_1 / D_0} 兩邊取自然對數: ln⁡(0.01)=−D1D0  ⟹  −ln⁡(100)=−D1D0\ln(0.01) = -\frac{D_1}{D_0} \implies -\ln(100) = -\frac{D_1}{D_0} 因為 ln⁡(100)=ln⁡(102)=2ln⁡(10)\ln(100) = \ln(10^2) = 2\ln(10),解得: D1=2D0ln⁡(10)D_1 = 2 D_0 \ln(10)

  3. 計算比值 D1D10\frac{D_1}{D_{10}}: D1D10=2D0ln⁡(10)D0ln⁡(10)=2\frac{D_1}{D_{10}} = \frac{2 D_0 \ln(10)}{D_0 \ln(10)} = 2


選項分析

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第 八 題15 分

已知 6 MeV6\ \mathrm{MeV} 入射 X 光與腫瘤發生康普吞效應,回跳電子最多可獲得的能量為 Emax⁡,6MeVE_{\max,6\mathrm{MeV}};對 10 MeV10\ \mathrm{MeV} 入射 X 光與腫瘤發生康普吞效應,回跳電子最多可獲得的能量為 Emax⁡,10MeVE_{\max,10\mathrm{MeV}}。

試計算:

Emax⁡,6MeVEmax⁡,10MeV=?\frac{E_{\max,6\mathrm{MeV}}}{E_{\max,10\mathrm{MeV}}}=?

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核心觀念

本題測驗「康普吞效應(Compton Effect)」中光子與自由電子發生非彈性碰撞時的能量轉移機制,核心在於求解回跳電子(Recoil electron)所能獲得的最大動能(即康普吞邊緣 Compton Edge)。

  1. 康普吞散射公式: 入射能量為 hνh\nu 的光子與靜止電子碰撞後,散射光子能量 hν′h\nu' 為: hν′=hν1+α(1−cos⁡θ)h\nu' = \frac{h\nu}{1 + \alpha(1 - \cos\theta)} 其中 α=hνm0c2\alpha = \frac{h\nu}{m_0 c^2} 為入射光子能量與電子靜止能量的比值,電子靜止質量能量當量 m0c2≈0.511 MeVm_0 c^2 \approx 0.511\ \mathrm{MeV},θ\theta 為光子散射角。

  2. 回跳電子最大動能(Emax⁡E_{\max})的物理條件: 能量守恆條件為 E=hν−hν′E = h\nu - h\nu'。電子獲得最大動能 Emax⁡E_{\max} 的條件發生在**光子完全反向散射(180∘180^\circ 後向散射,即 θ=180∘\theta = 180^\circ、cos⁡θ=−1\cos\theta = -1)**時,此時散射光子具有最小能量 hνmin⁡′h\nu'_{\min}: hνmin⁡′=hν1+2αh\nu'_{\min} = \frac{h\nu}{1 + 2\alpha} 因此,回跳電子的最大動能為: Emax⁡=hν−hνmin⁡′=hν(2α1+2α)=2(hν)2m0c2+2hνE_{\max} = h\nu - h\nu'_{\min} = h\nu \left( \frac{2\alpha}{1 + 2\alpha} \right) = \frac{2(h\nu)^2}{m_0 c^2 + 2h\nu}


解題方法

步驟一:建立最大動能表示式

將 Emax⁡=2(hν)2m0c2+2hνE_{\max} = \frac{2(h\nu)^2}{m_0 c^2 + 2h\nu} 代入兩入射能量:

  • 當 hν1=6 MeVh\nu_1 = 6\ \mathrm{MeV} 時: Emax⁡,6MeV=2×(6)20.511+2×6=7212.511 MeV≈5.755 MeVE_{\max,6\mathrm{MeV}} = \frac{2 \times (6)^2}{0.511 + 2 \times 6} = \frac{72}{12.511}\ \mathrm{MeV} \approx 5.755\ \mathrm{MeV}

  • 當 hν2=10 MeVh\nu_2 = 10\ \mathrm{MeV} 時: Emax⁡,10MeV=2×(10)20.511+2×10=20020.511 MeV≈9.751 MeVE_{\max,10\mathrm{MeV}} = \frac{2 \times (10)^2}{0.511 + 2 \times 10} = \frac{200}{20.511}\ \mathrm{MeV} \approx 9.751\ \mathrm{MeV}

步驟二:計算能量比值

將兩者相除,建立代數化簡式與數值計算:

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