109 高普考高考三級 輻射安全 放射物理學 考古題詳解
第 一 題10 分
已知母核(parent nuclide)進行純 蛻變(pure decay),的半化期為 ,母核的原子質量為 ,子核(daughter nuclide)的原子質量為 。試繪出 的 蛻變圖。
電子的質量為 ,質子的質量為 ,中子的質量為 ,其中 為原子質量單位(atomic mass unit)。
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核心觀念
- (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()與一個電微中子():
- 母核的原子序 減少 1,質量數 保持不變。
- 蛻變之能量條件與最大動能():
- 核反應前後之核質量差為:
- 換算為中性原子質量 (忽略軌域電子結合能):
- 代入可得反應釋放能(即 或正電子之最大動能 ):
- 進行 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 。
- 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 。 增加時箭頭向右下斜射(如 ); 減少時箭頭向左下斜射(如 、、軌域電子捕獲 )。
- 躍遷特殊標示:因必須耗費 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 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()、能階能量( 或 )、分支比(Branching Ratio)及最大動能()。
解題方法
步驟一:確定子核核種與反應方程式
母核為 ,進行純 蛻變:
- 質量數 不變。
- 原子序 (碳,)。
- 子核為碳-13()。
- 核反應式為:
- 題目註明「純 蛻變」,代表無分支躍遷至激發態,不伴隨發射 射線,分支比為 。
步驟二:計算總轉移能量()與正電子最大動能()
- 母核與子核的原子質量差():
- 總過渡能量(母子核能階差): 依質能等價關係(取 ):
- 兩倍電子靜止質量等效能量():
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 的 X 光射束照射,測得 之電量,試計算量測點位置水的吸收劑量為何?
已知:
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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。
- 腔內空氣吸收劑量()之定義: 其中:
- :游離腔收集到的電荷量()。
- :游離腔靈敏體積內的空氣質量(),。
- :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 (因 ,而每對離子對帶電量 ,故數值在 與 下相同)。
- 空腔轉換為介質(水)的吸收劑量(): 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):
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 ;在劑量校正標準參考條件()下,乾燥空氣密度為 。
步驟一:計算游離腔內空氣質量
(註:若採標準溫壓 之空氣密度 ,則 )。
步驟二:計算腔內空氣吸收劑量
已知量測電荷 :
步驟三:利用阻止本領比計算水之吸收劑量
第 三 題15 分
使用電腦斷層攝影(CT) PMMA 假體,測量 CT 的 X 光射束品質。掃描條件為管電壓 ,以長 之游離腔,測量上、下、左、右四邊緣孔洞之劑量值分別是 、、、;中央孔洞劑量值是 。
若今臨床掃描條件均相同,僅將螺距(pitch)改為 ,掃描腹部長度 ,則劑量長度乘積(DLP)為何?
CTDI = computed tomography dose index; = weighted; = 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:
- 假體與邊緣平均劑量: 使用標準 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:
- 加權電腦斷層劑量指標(Weighted CTDI, ): 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:
- 體積電腦斷層劑量指標(Volume CTDI, ): 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:
- 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()之乘積: 法定與臨床標準常用單位為 。
解題方法
步驟一:計算周圍孔洞平均劑量 將四邊緣孔洞劑量(、、、)取平均值:
步驟二:計算加權劑量指標 中央孔洞劑量 ,代入加權公式:
步驟三:計算體積劑量指標 臨床掃描條件下螺距 :
第 四 題10 分
若腫瘤組織的比熱(specific heat)為 ,試計算 的腫瘤接受分次劑量(fraction dose)為 的 高能 X 光放射治療,可以使該腫瘤組織的溫度上升幾 ?
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核心觀念
- 吸收劑量(Absorbed Dose, )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():
- 熱量與溫升關係式: 物質吸收熱量 與溫度變化 的關係為: 其中 為質量, 為比熱, 為溫度變化量。
- 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 )的理想絕熱狀態下,吸收的輻射能全部轉換為熱能:
- 熱功當量(Mechanical Equivalent of Heat):
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 ,吸收劑量為 。 腫瘤組織吸收的總輻射能量 為:
組織溫度上升 所需吸收的熱量 為:
依能量守恆定律,:
兩邊同除以質量 ,可得溫升與組織質量無關:
步驟二:統一單位
- 吸收劑量:
- 比熱:
步驟三:代入數值計算
第 五 題15 分
已知均勻分布體內的 ,放射半化期 ,生物半化期 。
的蛻變形式為 ,其最大 能量 ,平均 能量 。
進行 蛻變時,其發射 射線的能量與伴隨發射 射線的機率分別為:
- ()
- ()
若某人的體重為 ,體內有 的 均勻分布, 的吸收比率為 , 的吸收比率為 , 的吸收比率為 , 的轉換係數(conversion coefficient)為:
的轉換係數為:
的轉換係數為:
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:
-
有效半化期(Effective Half-life, ): 體內核種同時受物理放射衰變(物理半化期 )與人體生理代謝排泄(生物半化期 )之共同作用: 有效衰減常數為 。
-
累積活度(Cumulated Activity, ): 體內總蛻變次數為活度對時間的完全積分(自 至 ):
-
輻射沉積能量與轉換係數(Conversion Coefficient, ): 題目的轉換係數單位為 ,因 ,此單位等同於 ,即每次蛻變所射出之輻射能量(相當於 MIRD 之平衡劑量常數 )。 考量各射線被全身組織吸收之比例(吸收比率,Absorbed Fraction, ),每次蛻變在全身沉積的有效能量為:
-
全身總吸收劑量(Total Absorbed Dose, ): 全身體積或器官所吸收的總能量除以體重 ():
解題方法
步驟一:計算有效半化期 與有效平均壽命
- 物理半化期:
- 生物半化期:
- 計算有效半化期 :
- 轉換為秒():
- 計算有效平均壽命 (即 ):
步驟二:計算累積活度 (總蛻變數)
- 初始活度 換算為 SI 制單位():
- 計算體內完全衰變所釋出的累積活度:
步驟三:計算每蛻變在全身沉積之加權能量
將各放射線的轉換係數乘以對應的吸收比率:
- 射線:
- 射線():
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 ,中子的質量為 。
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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:
-
守恆定律與正碰條件: 快中子(質量 、初動能 )與靜止的靶核(質量 )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 )」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。
-
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 : 因此,中子損失的最大能量 與最大能量損失分數 為:
解題方法
步驟一:一維彈性正碰推導
設快中子質量為 、初速為 ;質子質量為 ,初速為 。碰撞後中子速度為 ,質子反衝速度為 。
由一維動量守恆:
由動能守恆(彈性碰撞恢復係數 ),得相對速度關係:
將 代入動量守恆式:
中子傳遞給質子的最大動能(即中子損失的最大能量)為:
因此,最大能量損失分數為:
步驟二:精確數值代入
題目給定數值:
- 中子質量
- 質子質量
計算質量差與質量和:
第 七 題10 分
對簡單的靶模型(simple target model)而言, 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 所需的劑量, 指細胞存活率減少至原始值的 所需的劑量。
若減少細胞殘存率為原來 所需的劑量為 ,則殘存率 的劑量 與殘存率 的劑量 之比值 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。
- 簡單靶模型存活方程式: 細胞受照射後的存活率(Survival Fraction, )與吸收劑量 呈單一負指數衰減關係: 其中 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 (約 )所需的劑量。
- 對數劑量指標定義:
- :細胞存活率降至 (即 )所需的劑量。
- :細胞存活率降至 (即 )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 與 的表達式:
-
求 : 當細胞存活率 時: 兩邊取自然對數: 解得:
-
求 : 當細胞存活率 時: 兩邊取自然對數: 因為 ,解得:
-
計算比值 :
選項分析
第 八 題15 分
已知 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 ;對 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 。
試計算:
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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)。
-
康普吞散射公式: 入射能量為 的光子與靜止電子碰撞後,散射光子能量 為: 其中 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 , 為光子散射角。
-
回跳電子最大動能()的物理條件: 能量守恆條件為 。電子獲得最大動能 的條件發生在**光子完全反向散射( 後向散射,即 、)**時,此時散射光子具有最小能量 : 因此,回跳電子的最大動能為:
解題方法
步驟一:建立最大動能表示式
將 代入兩入射能量:
-
當 時:
-
當 時:
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: