臺灣輻射防護史話(92年12月第1版)

臺 灣 輻 射 防 護 史 話

翁寶山 編著

目錄

序 ... i 目錄... ii 第一章 輻射科學的開始 ... 1 §1.1 前言 ... 1 §1.2 X 射線的發現 ... 1 §1.3 放射性的發現 ... 8 §1.4 電子的發現 ... 15 §1.5 結語 ... 17 第二章 原子時代的來臨 ... 19 §2.1 前言 ... 19 §2.2 丹麥傑出學者 ... 19 §2.3 原子核型的結構 ... 20 §2.4 波耳原子理論 ... 21 §2.5 中子的發現 ... 22 §2.6 原子核的分裂反應 ... 24 §2.7 我國興建核反應器概況 ... 31 第三章 單位與輻防的量 ... 33 §3.1 前言 ... 33 §3.2 國際單位制 ... 33 §3.3 計量單位的說明 ... 33 §3.4 輻射防護的量 ... 37 §3.5 ICRU-60 兩個新量... 43 §3.6 結語 ... 47 第四章 防護安全標準的演變...49 §4.1 前言 ... 49 §4.2 主管機關與法源 ... 49

§4.3 母法與輻射防護 ... 51 §4.4 防護標準的演變 ... 54 §4.5 游離輻射防護法 ... 68 §4.6 防護安全標準的趨勢 ... 69 第五章 醫用放射學的發展...71 §5.1 前言 ... 71 §5.2 發現 X 射線前的科技發展... 72 §5.3 放射診斷 ... 74 §5.4 影像醫學及介入放射學 ... 79 §5.5 輻射腫瘤學 ... 80 §5.6 核子醫學 ... 84 §5.7 臺灣核子醫學簡史 ... 92 第六章 醫用輻射防護...97 §6.1 前言 ... 97 §6.2 國際上放射醫學及輻防史上的紀事 ... 97 §6.3 我國放射醫學及輻防史上的紀事...101 §6.4 現行醫用輻防相關法規 ...104 §6.5 醫用輻防的專業性 ...104 §6.6 結語 ...112 第七章 學術界的輻防...115 §7.1 前言 ...115 §7.2 清華大學 ...115 §7.3 核能研究所 ...117 §7.4 同步輻射研究中心 ...120 第八章 核能發電的輻防...129 §8.1 前言 ...129 §8.2 核能發電的進度 ...129 §8.3 核能營運現況 ...131 §8.4 未來核能發展 ...140 §8.5 核發處保健物理課 ...141 §8.6 核一廠保健物理課 ...153 §8.7 核二廠保健物理課 ...157

§8.8 核三廠保健物理課 ...160 §8.9 核四廠保健物理課 ...165 第九章 輻射環境偵測...167 §9.1 前言 ...167 §9.2 輻射偵測中心 ...167 §9.3 放射試驗室 ...175 §9.4 其他機構 ...179 §9.5 環境測量中的問題 ...179 第十章 工業界的輻防...185 §10.1 前言 ...185 §10.2 國際上的作法 ...185 §10.3 射源選擇與執照統計 ...186 §10.4 射源分類 ...188 §10.5 放射照相術 ...189 §10.6 分析技術 ...191 §10.7 量規技術 ...193 §10.8 照射技術 ...199 §10.9 非密封放射性物質 ...202 §10.10 其他技術 ...203 §10.11 結語 ...207 第十一章 放射性廢棄物...209 §11.1 前言 ...209 §11.2 貯存與處置 ...209 §11.3 核能電廠廢棄物管制 ...210 §11.4 核四廠放射性廢棄物處理系統...215 §11.5 最終處置管制 ...217 §11.6 小產源放射性廢棄物管制...222 §11.7 豁免與清潔 ...223 §11.8 放射性廢棄物管理的新觀念...225 §11.9 未來展望 ...228 第十二章 低劑量生物效應...231 §12.1 前言 ...231

§12.2 確定效應與機率效應 ...231 §12.3 早期的生物效應 ...232 §12.4 原子彈倖存者的輻射效應...233 §12.5 BEIR-Ⅴ報告 ...234 §12.6 劑量與致癌效應的評估...235 §12.7 輻射激效 ...240 §12.8 生物效應機制 ...242 §12.9 核能發電的輻射效應研究...245 §12.10 其它輻射效應的研究...248 §12.11 大眾對輻射的恐懼 ...249 §12.12 放射性污染鋼筋事例...251 §12.13 結論 ...255 第十三章 持續曝露的新建議 ...259 §13.1 前言 ...259 §13.2 持續曝露的健康效應 ...260 §13.3 臺灣的自然背景 ...262 §13.4 ICRP-82 建議 ...266 第十四章 輻射防護百年回顧 ...279 §14.1 前言 ...279 §14.2 西元 1895 年以前 ...279 §14.3 西元 1895-1914 期間 ...279 §14.4 西元 1915-1939 期間 ...281 §14.5 西元 1939-1949 期間 ...284 §14.6 西元 1950-1956 期間 ...286 §14.7 西元 1957-1965 期間 ...289 §14.8 西元 1966-1977 時期 ...292 §14.9 西元 1978-1986 期間 ...294 §14.10 西元 1987 年迄今 ...296 第十五章 未來輻防的趨勢...299 §15.1 前言 ...299 §15.2 游離輻射防護法 ...299 §15.3 防護體系的新趨勢 ...301

§15.4 ICRP 未來新建議芻議...305 §15.5 結語 ...307 附錄一 臺灣輻射工作人員的劑量統計...311 §A1 前言 ...311 §A2 專有名詞 ...311 §A3 輻射工作類別 ...312 §A4 統計分析的結果 ...312 附錄二 氡問題的簡史...317 §B1 前言 ...317 §B2 肺疾病 ...317 §B3 病因探討 ...317 §B4 鈾礦開採及氡子核作用 ...318 §B5 住宅內氡問題...320 §B6 術語匯編 ...321 附錄三 游離輻射防護法...323 §C1 總則 ...323 §C2 輻射安全防護...324 §C3 放射性物質、可發生游離輻射設備或輻射作業之管理 ...328 §C4 罰則 ...330 §C5 附則 ...333 附錄四 國家游離輻射標準實驗室...335 §D1 前言 ...335 §D2 大事紀要年表 ...335 §D3 量測追溯體系 ...335 §D4 X 射線原級標準...336 §D5 銫、鈷的空氣克馬與鈷的水中吸收劑量 ...337 §D6 校正服務 ...337 §D7 活度標準的追溯與應用...337 §D8 國際事務與活動 ...337 附錄五 有效等效劑量與有效劑量的銜接...341 §E1 前言 ...341 §E2 實用量和防護量的關係 ...342 §E3 結論與建議...343

§E4 國際經驗回饋...345 索引...349

第一章 輻射科學的開始

§1.1 前言

在 19 世紀末自 1895 至 1898 這 3 年間，從X 射線(又稱 X 光)的出現至天 然存在放射性元素釙、鐳的發現，人類 開始接觸到用人工方法造成的輻射(在 醫院多稱為放射線)以及天然放射性核 種。輻射科技進展的迅速，難以想像。 在這段期間內，影響最深遠的首推X 射 線。

§1.2

X

射線的發現

X 射線是一種短波的電磁波，具有 很強的穿透本領。這種射線是由德國物 理 學 家 侖 琴(Wilhelm Conrad Röntgen, 1845-1923)於 1895 年 11 月在維爾茨堡 (Würzburg)大學實驗室裏發現的。X 射 線的發現是對陰極射線長期深入研究的 必然結果，並促進放射性和電子的發 現。因此，侖琴的這一成就具有里程碑 的意義。為了解X 射線的發現過程及其 對後來科學研究的深遠影響，首先有必 要簡要介紹一下侖琴和他新發現的歷史 背景。 1. 在研究而非在想 1845 年 3 月 27 日出生的侖琴是 一個德國商人且為一呢絨廠負責人的 獨子，他 3 歲時舉家遷荷蘭。他小時 候學習並不用功，父母希望他將來成 為商人，以便繼承父輩基業。他在中 學時代因嬉戲被開除，因而在後來想 進入大專院校時，由於缺少中學文憑 而招來許多麻煩。幸虧他在中學所讀 自然科學學科的評語很好，1865 年才 能 獲 准 進 入 瑞 士 蘇 黎 世 工 業 學 校 (Zürich Polytechnical School)，在機械 系待了3 年，德國籍克勞修斯(Rudolf Clausius, 1822-1888) 是 他 的 物 理 老 師。1868 年畢業以後，他就在孔特 (August Kundt, 1839-1894)的建議下 蘇 黎 世 仍 在 工 業 學 校 研 究 物 理 學。 1869 年他向蘇黎世大學提出論文，同 年6 月 22 日獲蘇黎世大學頒予博士學 位後，1870 年就隨孔特到維爾茨堡大 學 ， 並 成 為 這 位 實 驗 物 理 學 家 的助 手。後經多次輾轉，1894 年他當上維 爾茨堡大學校長，翌年發現X 射線， 從此聞名於世。由於他的這一科學貢 獻，他榮獲首屆諾貝爾物理學獎(1901 年)以及許多其他的榮譽。 侖琴的科學研究主要涉及氣體熱 學性質、光的偏振、光和電的關係、 以及電介質中的磁效應等。他一生酷 愛晶體，一直在研究晶體熱電和壓電

現象。可是他沒有想到，正是他所喜 愛的晶體，在他探討陰極射線性質的 實驗中，向他閃爍著神秘的螢光，引 導他去發現 X 射線這種看不見的東 西。 侖琴的科學研究態度極端認真嚴 謹。他從不馬虎從事，凡事喜歡自己 動手。在做實驗時，他不喜歡帶個助 手而是喜歡獨自一人，有條不紊地認 真試驗。他為人謙遜，不喜作預言， 也從不習慣於聲張自己的發現，且他 總是無私地把自己的研究成果及時告 知同業和朋友。他把獲得的諾貝爾獎 金轉贈給維爾茨堡大學，以促進科學 研究的發展。這位首屆諾貝爾物理學 獎獲得者，也是第一位不作演講的科 學家。他認為關於他的發現的一切要 點，都在他的有關的 3 篇論文中詳述 無遺。他也是生前吩咐在他去世後把 他的手稿全部焚燒無遺的物理學家。 他不習慣於詳述自己的研究過程。因 此，有關他的重大發現的記載，多少 帶有臆測的成分。他的研究工作的最 大 特 點 之 一 ， 與 英 國 籍 法 拉 第 (Michael Faraday, 1791-1867)相似，往 往以直觀形式提出理論物理的問題， 侖 琴 的 學 生 德 國 索 末 菲 (Arnold Sommerfeld, 1868-1951) 形 容 他 不 需 要“數學的拐杖”。1923 年 2 月 10 日侖琴罹患腸癌過世，享年78 歲。 2. 從陰極射線到 X 射線 X 射線的發現是對陰極射線深入 研究的一個直接的結果。因此，有必 要簡要回顧一下在X 射線發現前有關 陰極射線的研究情況。 有關真空放電現象的研究由來已 久，法拉第曾於1836 年發現稀薄氣體 的放電伴隨著色彩繽紛的輝光，並發 現 “ 法 拉 第 暗 區 ” 。 德 國 普 呂 克 (Julius Plücker, 1801-1868)借助於較 高真空度的放電管於 1860 年代進一 步研究法拉第暗區，他發現與放電管 陰極相對的管壁上(即陽極哪一端)呈 現綠色螢光，這個光斑還會因外界磁 鐵的移動而改變位置。後來，他的學 生希托夫(Johann Hittorf, 1824-1914) 獲得 10-5大氣壓的高真空度，他做了 一個有趣的實驗，即在陰極和螢光斑 之間插入其他物體，這時就呈現出這 物體的投影，於是可以判斷放電是從 陰極而來的現象，是一種射線。他後 來還用彎管做實驗，從而判斷這種射 線是直進的。德國物理學家戈德斯坦 (Eugen Goldstein, 1850-1930)於 1876 年進一步從實驗證實這種射線的直線 傳播性質和受外界磁場的影響將產生 偏轉，並且發現，無論用什麼金屬材 料製成的陰極，也不管陰極的形狀如 何，所得結果都一樣。他第一次把這 種射線稱為“陰極射線”。1879 年， 英 國 物 理 學 家 克 魯 克 士(William Crookes, 1832-1919) 製 成 克 魯 克 士 管，其真空度達 10-6_{大氣壓，並發現} 克 魯 克 士 暗 區 。 他 還 做 了 個 轉 輪實

驗，即在克魯克士管內安放一個小葉 輪如圖1.1 所示，當陰極射線射來時， 它會轉動起來。此外他還發現陰極射 線會使金屬箔產生熱效應。 這陰極射線究竟是什麼，它由什 麼所組成？歷史上，人們曾對此作出 許多猜想，並引起激烈的爭論。直到 1890 年代初期，逐步形成了兩種具有 代表性的看法，一種是以德國物理學 家 赫 茲 (Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894) 為 代 表 的 “ 以 太 振 動 說”，另一種是以英國物理學家克魯 克士為代表的“粒子說”。而且，大 部分德國科學家持前一種觀點，而大 部分英國科學家則持後一種觀點。例 如，赫茲通過實驗於1892 年認定陰極 射線是一種以太振動，他的學生和助 手列納德(Philipp Lenard, 1862-1947) 於1894 年做了一支列納德管，把陰極 射線從管內通過一個薄鋁窗引到空氣 中，獲得所謂列納德射線，他以此論 斷陰極射線確實是一種以太振動，認 為粒子是無法穿過這金屬窗口的。魏 德 曼 (Gustav Heinrich Wiedemann, 1826-1899)等人也支持這種看法。而 英國物理學家則堅信陰極射線是粒子 流。例如，克魯克士從他的實驗中判 斷 這 種 射 線 是 具 有 動 量 的 “ 分 子 流”，1884 年英國物理學家舒斯特 (Arthur Schuster, 1851-1934)指出陰極 射線是帶負電的粒子流，可能是分子 或原子射束。還有其他一些分析，但 不外是兩種不同見解。究竟陰極射線 是什麼，這個問題一時難以下定論。 侖琴認為已有的實驗結果並沒有得到 合理的解釋，而且這些實驗果真如此 嗎？他從不人云亦云，他要自己動手 做實驗並檢驗列納德與克魯克士等人 的實驗。這就是導致侖琴發現X 射線 的歷史背景。因此，從陰極射線的深 入研究導致 X 射線的發現，這是一個 科學史的必然性。 3. X 射線的發現過程 侖琴發現X 射線的過程，一般的 傳說是這樣的：侖琴為探索陰極射線 的性質，曾經用列納德管重複赫茲和 列納德所做的實驗，據說列納德曾經 為他提供了一支優質列納德管。實驗 時，侖琴為保證實驗的精確性，就設 法使放電管不受外界的影響，因而他 用錫箔和硬紙板包住放電管。當他接 通電流並把塗有亞鉑氰化鋇的螢光屏 移近列納德管的鋁膜窗口時，他發現 螢光屏上出現螢光。於是，他仔細調 陰極 高壓 圖1.1 早 期 克 魯 克 士 管 ( 陰 極 射 線 管 ) 的 示 意 圖。放在射線穿行的路徑上以雲母做的馬 爾他十字架(Maltese cross)，在管子螢光屏 一端投下一陰影。

節螢光屏和鋁窗的距離，結果確證陰 極射線可穿透空氣幾厘米遠。然後， 他改用克魯克士管做實驗，也發現螢 光，不過螢光顯得模糊不清，於是他 繼續實驗。1895 年 11 月 8 日星期五 晚上，為了仔細觀察螢光屏上模糊的 螢光，也為了排除外界的一切光線干 擾，他關閉實驗室不使漏光，並且檢 查 克 魯 克 士 管 是 否 用 黑 紙 板 包 封嚴 密。當他要著手實驗而接通高壓電源 時，突然發現在實驗臺上放在克魯克 士管附近的小螢光晶體閃爍著螢光， 塗 有 亞 鉑 氰 化 鋇 [barium platinocyanide, BaPt(CN)4]的紙屏也閃 爍著淺綠色的光。他驚訝極了，這種 奇異現象可是從未見到也從未聽 說過！於是他急切地重複實驗。 他把螢光屏移開，直到 2 米多遠 還隱約可以見到這種螢光。他似 乎意識到這不可能是陰極射線， 因為列納德管引出的射線只不過 有 幾 厘 米 射 程 ！ 對 於 這 奇 異 現 象，他開始探索這“看不見的射 線”。從此，他廢寢忘食地在實 驗室裏連續做了 6 個星期，全神 貫注探索這種奇異射線的性質。 他不聲張新的發現，除非徹底查 清可能得到的一切結果，否則他 是不向外界宣布的。最後，直到 他確認這是一種聞所未聞的新射 線時，才於1895 年 12 月 28 日在 維爾茨堡醫學物理會上第一次報告自 己的發現。他報告的論文題為「一種 新的射線──初步報告」。在這個報 告 中 ， 他 介 紹 了 實 驗 裝 置 和 實 驗方 法。由於當時對這種新射線的本質尚 不清楚，故稱為X 射線，在這篇文章 中還指出了 X 射線的某些性質。因為 侖琴是德國人，所以德國科學家常把 X 射線稱為侖琴射線。他發現 X 射線 在空氣中的射程有 2 米多而且是直線 傳播的，他發現外界磁場不會使X 射 線發生偏轉；他發現X 射線來自克魯 克士管的相對於陰極的陽極。尤其使 他感到驚奇的是這種射線有非常強的 穿 透 本 領 。 他 拿 上 千 頁 的 厚 書 來實 圖1.2 侖琴攝於 1895 年，左上圖為 X 光拍攝侖琴夫 人左手的照片，戒指清晰可見

驗，X 光透得過去；他拿幾厘米厚的 硬橡皮來，X 光也透得過。它還能透 過2-3 厘米厚的木板或 15 毫米的厚鋁 板。他拿鉛板來擋 X 光，發現效果很 好，僅 1-2 毫米的鉛板就可以擋住 X 光。在置換這些擋光的東西時，侖琴 驚訝地看到了自己手中的骨和輪廓。 1895 年 12 月 22 日，侖琴把夫人帶進 實驗室，用 X 射線拍了一張夫人的左 手照片如圖 1.2 所示，照片骨肉分明， 連結婚戒指也清晰可見。這張照片的 複印件一直保留下來，印在許多書刊 中。此外，侖琴還用X 光拍攝了許多 物體的照片，例如，裝天平砝碼的木 盒、羅盤儀、繞在木軸上的紗包(金屬) 線、金屬塊甚至房門等。 1896 年元旦，侖琴把他的(第一篇) 論文和X 光照片複印文件寄給他的國 內外同行朋友，其中有德國實驗物理 學 家 瓦 堡 (Emil Gabriel Warburg, 1846-1931)、埃克斯納(F. Exner)及彭 加 勒 (Jules Henri Poincare, 1854-1912，法國數學家、物理學家和 哲學家)等人。1896 年 1 月 4 日，瓦堡 在柏林物理學會的一次會議上展出侖 琴的幾張X 射線照片，1896 年 1 月 5 日 ， 奧 地 利 物 理 學 家 列 赫 爾(Ernst Lecher, 1856-1926)的父親在維也納經 辦的一家報社，以「聳人聽聞的發現」 的大字標題在報紙上詳細報導了侖琴 所發現的新射線。在國內及國外可謂 出現了真正的“X 射線熱”！1896 年 1 月中旬，德皇得悉這種發現，就宣 召侖琴進宮，展示 X 射線的穿透本 領，並因此授予他二級普魯士勛章。 由於X 射線的發現，應運而生的 X 光醫療器械相繼出現，因濫用 X 光 而受傷害的事件更是時有發生，見表 1.1。 表1.1 早期 X 射線傷害歷史摘要 年 輻射傷害 負責人或涉及人員 1896 年 1 月 手皮炎 戈魯貝(Grubbe) 1896 年 3 月 眼刺痛 愛迪生(Edison) 1896 年 脫毛 丹尼爾(Daniel) 1897 年 體質性症狀 瓦耳斯(Walsh) 1898 年 截癱與痙攣性肌 肉收縮

羅得與貝丁(Rodet and Bertin) 1899 年 血管內皮變性 加斯曼(Gassman) 1902 年 x 射線潰瘍生癌 弗利本(Frieben) 1903 年 骨生長抑制 伯斯(Perthes) 1903 年 產生不孕症 阿伯斯－宋伯 (Albers-Schönberg) 1904 年 產生血液改變 米斯納與莫斯

(Milchner and Mosse) 1904 年 產生白血病 海格(Heincke) 1906 年 顯示骨髓改變 瓦新(Warthin) 1912 年 二位x 射線工作 人員發現貧血 貝克勒(Béclerè) 清光緒20 年(1894)9 月 17 日在黃 海大東溝中日發生海戰，北洋海軍戰 敗，翌年(1895)旅順大連保衛戰清廷海 陸軍亦戰敗，同年4 月 17 日李鴻章和 日本伊藤博文在日本馬關春帆樓簽訂 馬關條約，清庭將臺灣割讓給日本。 西方 X 射線熱帶來的歡愉和東方戰爭 帶來的悲慘遂成為一強烈的對比。 4. 深遠的影響 X 射線的發現，對物理學的進展 和 科 學 技 術 的 進 步 產 生 了 深 遠 的影

響。

法 國 實 驗 物 理 學 家 貝 克 勒 爾 (Henri Antoine Becquerel, 1852-1908) 於1896 年初了解到侖琴的發現，這引 起他極大的興趣並立即做 X 射線實 驗。在實驗過程中，他發現了一種與 X 射線多少有些相似的現象，即由鈾 鹽放射出的一種奇異的“鈾射線”， 這就是1896 年 3 月貝克勒爾首次發現 物質的放射性。他的這一發現，為居 里夫婦發現放射性元素釙和鐳開闢了 道路。由於放射性發現，他們分享了 1903 年諾貝爾物理學獎。 英 國 物 理 學 家 湯 姆 生(Joseph John Thomson, 1856-1940)和他的學 生 拉 塞 福 (Ernest Rutherford, 1871-1937)從事於氣體導電性質的研 究，也借助 X 射線作為工具，這一研 究最終導致 1897 年發現電子。湯姆生 獲1906 年諾貝爾物理學獎，拉塞福獲 1908 年諾貝爾化學獎。

勞厄(Max von Laue, 1879-1960) 於1912 年揭開了 X 射線之謎。經由 X 射線在晶體中的繞射，他認為 X 射線 可 能 是 一 種 電 磁 波 的 預 言 終 於 被證 實，並且由 X 射線的勞厄圖可以作晶 體結構分析，為晶體物理學的研究提 供了一種強有力的手段。他獲得1914 年諾貝爾物理學獎。在此基礎上，英 國物理學家布拉格(Bragg)父子利用 X 射線作晶體結構分析，並提出了著名 的布拉格公式，大大促進了晶體物理 學 的 發 展 。 這 一 對 父 子 布 拉 格 (William Henry Bragg, 1862-1942 和 William Lawrence Bragg, 1890-1971) 共同榮獲1915 年諾貝爾物理學獎。 瑞典物理學家西格班(Karl Manne Georg Siegbahn, 1886-1978)運用布拉 格公式，從實驗中發現許多 X 射線的 譜線，進而探明各元素的 X 光譜，寫 出「X 射線光譜學」一書，把 X 射線 和元素的結構緊密聯繫在一起。他獲 得1924 年諾貝爾物理學獎。有關 X 射 線光譜學的開拓性的工作，早在勞厄 的發現之後不久就開始了，這就是英 國青年物理學家莫塞萊(Henry Gwyn Jeffreys Moseley, 1887-1915)的工作。 這位才智超群的年輕人在1913 年就提 出了“莫塞萊定律”，根據這個公式 闡明了原子序數和原子構造有密切的 關係，這是一大發現。可惜這位年輕 人在第一次世界大戰的一次海戰中陣 亡，他的科學業績到此為止，當時他 才28 歲。此外，英國物理學家巴克拉 (Charles Glover Barkla, 1877-1944)，這 位X 射線光譜學的奠基者獲得 1917 年 諾貝爾物理學獎，是由於他發現元素 的二次 X 射線。他的工作是在莫塞萊 協助下進行的。 美 國 物 理 學 家 康 普 頓(Arthur Holly Compton, 1892-1962)的研究受 巴克拉的影響。在北京清華大學吳有 訓教授(斯時為芝加哥大學的研究生) 的參與下，康普頓於1923 年前後發現

X 射線經輕靶散射後，產生波長移 動，即發現康普頓效應，並進而揭示 微觀世界中粒子碰撞過程依然遵守能 量守恒和動量守恒定律。他獲得1927 年諾貝爾物理獎。 X 射線在科學技術上的應用，特 別是在醫學上的應用，那是人盡皆知 的。近代的應用名目繁多，尤以“X 射線斷層掃描技術”為最著名。 5. 以侖琴命名的單位 任何一門學域裡，都有其專用術 語與單位，以便於以極精簡明確的文 字 或 符 號 ， 表 示 特 定 的 意 義 與 計測 量。由於科技文明的日益精進，這些 術語也隨測量技術的改進而擴充，其 單位也更精確。例如在輻射劑量學裡 使用很廣的單位“侖琴”便是一典型 範例；侖琴為X 輻射量的專用單位， 係在空氣溫度為 0℃，氣壓為 76 cm 汞柱狀況下，適量X 射線與 1 cm3_空 氣作用(此作用不受游離腔壁影響)， 其所產生的二次電子，完全用以產生 游離電流，而累積得一靜電單位(esu) 的電荷量稱為 1 侖琴，並以英文字母 小寫 r 為代表符號。在 1928 年，以當 時的測量技術，這是對中等能量X 射 線所能提供的最佳曝露量定義。選擇 空氣為標準參考物質，不僅由於方便 (全世界都有)，亦由於空氣是 X 射線 與 生 物 體 作 用 時 相 當 適 當 的 參 考物 質；因為就中等能量X 射線而言，空 氣的有效原子序數與人體軟組織的有 效原子序數相差不遠。但這定義並未 明確的限定侖琴為何種輻射的輻射單 位，因此自1928 年後，侖琴定義經過 多次修訂。1937 年為了配合鐳劑量測 定術的應用，於是將侖琴的定義修訂 成 侖 琴 為 X 或 γ 輻 射 量 ， 可 使 0.001293 克空氣(即在標準狀態下 1 cm3_{空氣的質量)接受照射時生成一靜} 電單位的正或負游離電荷，並改以英 文字母大寫 R 為代表符號。以上所說 的侖琴定義都有吸收劑量的觀念，卻 忽視了空氣對X 或γ射線的吸收劑量 與輻射的能量有關。其實早在 1929 年，梅尼奧(Mayneord)就發覺了侖琴 的缺點，他認為符合邏輯的劑量單位 應該是“爾格/體積”，而將劑量單位 以游離方式表示，這是由於空氣與人 體組織對X 或γ射線吸收劑量相當近 似。再者，侖琴的有效量測方法必須 為其游離所產生二次電子在電子平衡 (electronic equilibrium)條件下方能正 確地進行。然而在空氣與人體組織交 接面上，此種條件即不能達成。由空 氣游離測得的吸收劑量與體表實體吸 收劑量的差別在中能量光子時尚不嚴 重，但在高能量光子時差別就十分可 觀了。因此，在實用上，侖琴負有雙 重任務，它不僅是輻射曝露的測量單 位，同時亦暗示此被測的輻射為中等 能量的X 或γ射線。由於測量技術的 困難，侖琴只適用於數 keV 至 3 MeV 能量範圍的光子。這種定義與一般物

理學所使用的單位有所不同。 對 於 其 他 粒 子 輻 射 ， 如 貝 他 (β)、阿伐(α)射線或中子等輻射的度 量，侖琴這單位就更不適用。因為通 常α與β的游離比度(每單位長度產 生的離子對)較光子高得多，故其二次 電子達到電子平衡的範圍十分小，而 實際上不易量測。為求定義一個與輻 射生物效應及輻射化學效應更直接有 關的物理量，吸收劑量(absorbed dose) 的觀念逐漸受重視。1940 年梅尼奧建 議當一克空氣接受一侖琴曝露時的吸 收能量為一克侖琴(gram-roentgen)，其 值約為每立方公分空氣 84 爾格。1949 年派克(Parker)將克侖琴的單位推廣 至其他粒子輻射的吸收劑量單位，並 定 名 為 侖 琴 物 理 當 量 [roentgen- equivalent-physics，簡稱侖卜(rep)]。 其值為使人體組織產生 84 erg/cm3吸 收 劑 量 的 任 何 游 離 輻 射 量 稱 為 1 rep。但一克液態人體組織對於一侖琴 照射的吸收能量並不等於 84 爾格而 約為 93 erg，故後來又將 rep 的值改為 93 erg/cm3_{的人體軟組織。至1953 年} 國際輻射單位與度量委員會(ICRU)正 式推薦以雷得(rad)為物質對輻射的吸 收劑量單位，其值為任何輻射與物質 作用時，每克作用物質吸收 100 erg 能量稱為1 rad，並重新定義 X 或γ射 線與空氣作用，使空氣產生游離的物 理現象統稱為曝露量(exposure)，而曝 露量的專用單位為侖琴(R)，其值為使 質量為 1 公斤的空氣產生 2.58×10-4 侖庫的電量。ICRU 認為：觀念的澄 清及量的定義是基本大事，至於單位 的選擇並不很重要。假若所考慮的量 可清楚地作說明，則混淆多可避免。 雖然專用單位亦普遍的存在於其他學 門領域裡，但 ICRU 仍然在輻射劑量 學裡，強調專用單位不宜再增加。為 了承認已存在的常用單位，他們建議 專用單位須限制使用，例如： 侖琴(R)－限用於曝露量。 雷得(rad)－ 限 用 於 比 授 與 能 (specific energy imparted)，吸收劑量 及 克 馬(kerma) 又 稱 為比釋動能等。 居里(Ci)－ 限用於放射活度，為 1 克鐳 226 每秒的蛻 變數目，其值為每秒 蛻變3.7×1010_次。

§1.3 放射性的發現

1. 貝克勒爾出生於科學世家，祖父和父 親都是法國享有盛譽的物理學家、法 國科學院院士。他的家族出了許多著 名學者，貝克勒爾(圖 1.3)從小受到科 學知識的薰陶，這對他取得科學成就 是至關重要的。他起初是學工程的， 擔任過工程師的職位，曾在公路橋樑 行政機構任職。 1888 年他以光的吸收方面的論

文獲得博士學位，1892 年成為巴黎自 然史博物館教授。他也是法國科學院 院士。他的早期研究主要是光學方面 的問題，例如光的偏振及偏振面的旋 轉、光的折射率、晶體對光的吸收以 及地磁對大氣的影響等。後來，他主 要從事螢光和磷光的研究並發現物質 的 放 射 性 ， 這 是 他 最 重 要 的 科 學發 現，榮獲1903 年諾貝爾物理學獎。 貝克勒爾怎麼會從研究螢光而發 現 放 射 性 呢 ？ 這 裡 有 一 段 有 趣 的過 程。1896 年元旦，侖琴把他發現 X 射 線的論文和一些X 射線照片複印文件 分贈給國內外的物理同行朋友，其中 有彭加勒。彭加勒在 1896 年 1 月 20 日的法國科學院每周例會上展示這些 X 射線照片，當時，貝克勒爾也在場， 看到了這些新奇的照片。他深深受到 吸引並馬上聯想到他的研究課題。他 苦苦思索：螢光現象和 X 射線有關 嗎？他在看到X 射線照片的第二天就 著手研究那些螢光物質能夠發出X 射 線。他把他祖父、父親和他自己研究 過 的 一 些 螢 光 和 磷 光 物 質 拿 來 做實 驗，經過初步試驗，他感到失望，因 為它們並不發射 X 射線。恰好在這不 久，彭加勒發表一篇論文，提出那些 會發出強烈螢光的物質是否會同時發 射螢光和X 射線的問題。貝克勒爾受 到啟發，於是他就在 2 月下旬拿他父 親 所 喜 愛 的 鈾 鹽[ 硫 酸 鈾 醯 鉀 ， potassium uranyl sulfate, K2(UO2) ‧

(SO4)2‧2H2O 來做實驗。他把這鈾鹽 放 在 用 黑 紙 包 封 嚴 密 的 照 相 感 光板 上，然後放在日光下曬幾個小時。他 這樣做是為了使鈾鹽激發螢光，並指 望也放射X 射線。果然，沖洗出來的 底片上的確感光了！他重複實驗都得 到同樣的效果，於是他認為彭加勒的 設想是對的，即鈾鹽在陽光作用下發 出了像X 射線那樣的射線，這種射線 穿透力強，透過黑紙使底片感光。1896 年2 月 29 日，他向法國科學院報告了 這個結果。此後，他想進一步重複實 驗。當他做好實驗準備，瀝青鈾礦和 照相底片都已包好只等日光曝曬，但 因天氣轉陰無法實驗，他就把這些東 圖1.3 貝克勒爾教授玉照

西一起堆放在抽屜裡，可是一直不見 天晴。等到 3 月 1 日，他多少有些發 急 了 ， 因 為 明 天 又 是 科 學 院 每 周例 會，他原來打算在這次例會上宣布自 己的發現和提出見解。於是，他不等 日曬，先取出一張底片沖洗出來。底 片顯影後他發現底片上有大塊黑斑， 他納悶極了，因為這些鈾鹽並沒有受 日光誘發螢光，而底片卻受到強烈的 感光。這個意外的發現使他認識到， 底片感光與日照無關也與螢光無關。 那 麼 ， 究 竟 是 什 麼 射 線 使 底 片 感光 呢？他猜想，可能是鈾鹽發出的一種 莫名的射線，這種射線的穿透能力似 乎比 X 射線還要強。3 月 2 日，在科 學院例會上他修正了原先的觀點，並 報告了自己的最新發現。人們說不清 這是一種什麼射線，就管它叫作“貝 克勒爾射線”。 在這個基礎上，貝克勒爾進一步 研究這種神秘射線的性質。他很有步 驟地做了一系列實驗，發現鈾鹽所發 出的這種射線還能使空氣成為導體， 即有游離氣體的功效。此外，還發現 外界溫度變化對它無影響。1896 年 5 月18 日，在科學院例會上他明確指出 鈾鹽這種物質有放射性，這種性質起 因於原子內部。這個發現具有重大意 義，人們不僅知道自然界中存在放射 性現象，而且開始注意放射性與原子 內部的關聯。貝克勒爾當時還不可能 知 道 鈾 射 線 的 組 成 ， 後 來 的 研 究表 明，它是由三種射線組成的，即加馬 (γ)射線、阿伐(α)射線和貝他(β)射 線。γ射線是一種頻率高於X 射線的 電磁輻射，有很強的穿透本領；α射 線是氦原子核射束；β射線是電子束。 2. 鐳的發現 瑪 麗 ‧ 居 里 (Marie Curie, 1867-1934)，世稱居里夫人。她原籍 波蘭，出生於華沙，原姓斯可羅多斯 夫卡(Sklodowska)，後來，法國成為她 的第二祖國。她是舉世公認偉大的女 物理學家和化學家。19 世紀下半葉， 她的祖國被併入俄羅斯帝國，在沙皇 統治下強行俄羅斯化。波蘭受到沙俄 的嚴密控制，對於波蘭的私立學校也 嚴加監視，她父親因不順應而失去了 華沙中等學校教數學和物理的教職， 因此她家境十分貧寒。然而，她學習 刻苦、努力進取，中學畢業時還得到 金質獎章。她功課全面發展，還學會 俄、法、德、英四種外語。可惜，在 波蘭婦女沒有地位，加以家境清苦難 得深造的機會。出於姐妹之情，瑪麗 中學畢業後，主動去當了 6 年家庭教 師，以資助她姐姐赴法國習醫。等到 她 姐 姐 畢 業 有 了 工 作 以 後 ， 她 才於 1891 年 11 月辭別祖國和親人去法 國，在巴黎的法國大學理學院學習自 然科學。她學習勤奮，在 1893 年和 1894 年這兩年中間，她先後獲得物理 學碩士和數學碩士兩個學位。1894 年 4 月，她第一次會見皮埃爾‧居里

(Pierre Curie, 1859-1906)，他們志同道 合，翌年結婚。皮埃爾‧居里早年以 發現晶體壓電現象以及磁性和溫度的 關係而聞名，人們承認他是 一位著名的實驗物理學家。 當居里夫人被貝克勒爾的發 現所吸引並全力以赴想去揭 開放射性現象這個謎時，居 里毅然擱下自己原先的研究 題目，全心全意和居里夫人 一起研究放射性這種既新穎 又 困 難 的 課 題 。 他 們 是 從 1898 年春開始合作研究放射 性的。 居里夫人一開始就關心 除了鈾能夠發出射線以外， 是否還有別的物質也能夠發 出類似的射線。當她聽到施 密特(Gerhard Carl Nathaniel Schmidt, 1865-1949)於 1898 年 發 現 釷 也 有 輻 射 的 性 質 時，就立刻做實驗核實。她還用居里 以前用於物理測量的儀器和方法測出 鈾的放射性強度與礦物中鈾的含量成 正比的關係，而且發現這種放射性不 受外界因素的影響。因此她開始猜測 放射性是鈾物質本身的特性，原子的 特性。她對各種氧化物等化合物做過 測量，也對許多礦物做測量，她檢查 輝銅礦樣品，又檢查瀝青鈾礦物。經 過她反複檢驗，她發現了一種新奇的 現象，瀝青鈾礦(pitchblende，含 U3O8 約75%)渣中放出的輻射，比起礦渣中 預計的鈾或釷所放出的輻射強 4 倍。 她開始懷疑這裏面存在某種未知的元 素，這種元素具有很強的放射性。雖 然人們把她的這種設想譏為“異想天 開”，但是這位性格堅強的女科學家 對此置若罔聞，仍堅定地籌劃她的實 驗。在居里的全力協助下，居里夫人 按化學分析的程序對瀝青鈾礦渣作元 素分離。由於礦物中所含元素複雜， 而擬議中的未知新元素的含量微乎其 微，因此分離工作是相當艱難的。經 過艱苦勞動和認真測量，居里夫人終 於在 1898 年 7 月 18 日前後，發現一 圖1.4 居里夫人約攝於 1920 年 這張皮埃爾‧居里教授的玉照為居里夫人最喜歡的一張

種新的放射性元素，為記念她的祖國 波 蘭 ， 她 把 這 種 元 素 定 名 為 釙 (polonium, Po)。這是一種化學性質與 鉍相同的黑色放射性物質，它的放射 性比純鈾要強 400 倍。瀝青鈾礦渣的 強 烈 放 射 性 似 乎 不 只 是 由 於 釙 引起 的，因為釙的輻射強度看來還不足以 說明問題，莫非這礦渣中還含有放射 性更強的物質？居里夫婦繼續他們的 工作，他們付出更艱巨的勞力繼續分 析殘渣。他們終於在同年年底，又發 現了另一種新的放射性元素，它的輻 射強度幾乎比鈾強二百多萬倍！居里 夫 婦 將 這 元 素 命 名 為 鐳 (radium, Ra)。鐳的發現是轟動整個科學界的偉 大事件。他們是在 1898 年 12 月 26 日向科學院提出的報告中宣告這一重 大發現的。 儘管居里夫婦發現了放射性物質 鐳，但當時的一些保守學者仍有懷疑 之 心 ， 他 們 要 看 到 純 鐳 才 算 數 ！同 時，居里夫婦為了對這種新元素進行 觀察、定量分析和做各種實驗，他們 也確實需要得到多一點的鐳化合物， 當然最好是純鐳。因此，他們又踏上 了人們難以想像的、更加艱難困苦的 科學研究路途。首先，他們需要大量 的瀝青鈾礦渣，何處可覓，經費何來？ 正 在 困 難 之 際 ， 朋 友 伸 出 了 友 誼之 手。奧地利地質學家、維也納科學院 院 長 休 斯(Edward Suess, 1831-1914) 向奧地利政府要到波希米亞(Bohemia) 的契審斯達(Joachimsthal)的鈾礦的殘 渣，成噸的礦渣雖然免費，但運費要 自理。居里夫婦高興極了,但經濟負擔 加重了清苦的生活。接著的問題是， 提煉礦渣的地方在哪裡？居里出面向 他任教學校的校長求助，希望借一間 實驗室，校長聳聳肩說，如果這房間 可以用，那你們就用吧。其實，這個 房間哪裏是什麼實驗室，它是一間泥 土地破屋頂被遺棄的木棚！這裡冬冷 夏熱，實驗條件極端惡劣。在發現鐳 的幾年後，德國物理化學家、唯能論 的 創 導 者 奧 斯 特 瓦 爾 德(Friedrich Wilhelm Ostwald, 1853-1932)曾來此 參觀，他形容這木棚是“介於馬廄和 土豆窖之間的某種東西，假如我不是 看到裝有化學儀器的工作臺，那我會 以為是在和我開玩笑”，剩下的問題 當然是由這對夫婦充當冶煉工了。他 們的艱辛工作不是我們所能形容的。 為了不中斷實驗，他們經常吃住在這 世上罕見的實驗室裏，日以繼夜疲憊 不堪地工作著，一年、二年直到第四 個年頭。偉大的工作終於得出豐碩的 成果！1902 年 3 月，他們終於從數噸 的瀝青鈾礦渣中提煉出約 0.1 克的純 氯化鐳，這是一種如同食鹽一般的白 色粉末――4 年的工作結晶，十分之 一克。居里夫婦初步測出鐳的原子量 為225。 由於放射性現象這一劃時代的發 現 ， 居 里 夫 婦 和 貝 克 勒 爾 共 同 獲得

1903 年諾貝爾物理學獎金。在回憶這 段難以設想的艱苦工作的日子時，居 里夫人說，他們常常在晚餐後到實驗 室觀看那多年工作的結晶。當他們看 到氯化鐳在黑暗中的微弱閃光時，總 要引起“新的激動和讚嘆”。他們的 工 作 極 其 艱 苦 ， 可 是 居 里 夫 人 卻說 “在陳舊不堪的棚子裡，”“度過了 我們一生中最美好最幸福的歲月。” 他們的重大發現並沒有給他們帶來富 裕，他們並不需要這些，他們從未想 到 要 去 獲 取 專 利 ， 按 居 里 夫 人 的話 說：“這是元素，它屬於整個世界。” 她把多年獲得的所有的鐳，都奉獻給 大學實驗室。這位偉大的女科學家， 性格堅強、吃苦耐勞、生活清苦、不 圖富貴，對於榮譽漠然以待，她曾把 所得的獎章拿給小女兒伊倫娜(Irene) 當玩具。愛因斯坦說，“在所有著名 人物中，居里夫人是唯一不為榮譽所 顛倒的人。” 正當居里夫婦的合作取得重大突 破並亟待作進一步研究時，家庭卻給 予他們災難。1906 年 4 月 19 日，皮 埃爾‧居里在巴黎的一個十字路口喪 生於一輛大馬車的巨輪之下。他前一 年才當上巴黎科學院院士，可是卻從 此結束了他的科學生涯。居里夫人強 忍喪夫的痛苦，堅韌不拔地繼續她的 研究，還要帶著兩個年幼的女兒，生 活的艱難是可想而知的。1906 年 5 月 1 日，居里所任教的巴黎大學請她來 擔任教學工作，兩年後她成為該校有 史以來的第一位女教授。居里夫人從 未放鬆對鐳的研究，她於1907 年提煉 出高純度的氯化鐳，並精確地測出鐳 的原子量為 226.45。1910 年她又進一 步用電解法分析出純鐳元素，並測定 它的各種物理和化學的性質。後來她 還測定氡以及其他放射性元素的半衰 期，找到了放射性元素的某些衰變規 律。由於她在鐳的研究中成績卓越， 特別是由於分離出純金屬鐳，她榮獲 1911 年諾貝爾化學獎。她是連續兩次 諾貝爾獎的第一位女科學家。她逝世 後的第二年，她女兒伊倫娜‧居里和 女婿約里奧‧居里由於首次獲得人工 放射性元素而榮獲諾貝爾化學獎。人 們為了記念居里一家對科學的偉大貢 獻，1946 年美國加利福尼亞理工學院 由人工製造出來的一種新元素，元素 周期表中的第96 號元素，特意命名為 鋦(curium)。 鐳的發現具有非常重大的意義， 彭加勒說，“偉大的革命家鐳”登上 科學舞臺時，從根本上震撼了古典力 學。人們看到了鐳可以不斷地發出射 線，自發地釋放熱能，它可以使空氣 游離，還能殺死細菌，這些奇異特性 使人懷疑物理學的既有定律是否仍然 有效，元素是否可以變化為別的什麼 東西？傳統的觀念、物理學的定律面 臨著重大的考驗。 1934 年 7 月 4 日，瑪麗‧居里在

法國阿爾俾斯山療養院逝世。她患惡 性貧血症，長期接觸放射性物質使她 受到射線的傷害，血液病變，雙手也 被鐳灼傷。居里夫婦為檢驗鐳射線對 人 體 生 理 的 作 用 ， 從 而 判 斷 其 危險 性，他們不惜拿射線對著自己的皮膚 作實驗，後來發展為“居里療法”― 放射性治療。這樣，放射性進入醫學， 大大推進了醫學治療的發展。 3. 元素自然蛻變理論 拉 塞 福 (Ernest Rutherford, 1871-1937) 是 英 國 物 理 學 家 ( 見 圖 1.5)，他出生於紐西蘭的一個手工業 工 人 家 庭 ， 大 學 畢 業 後，到劍橋大 學 卡 文 迪 許 實 驗 室 學 習，當湯姆生 的學生和助理。1898 年到加拿大任 教，1907 年定居英國，任曼徹斯特 大學教授，1918 年繼湯姆生之後任 卡 文 迪 許 教 授 。 在 他 到劍橋的那一 年，侖琴發現 X 射線，湯姆生指導 一 些 助 理 從 事 這 方 面 的研究，拉塞 福 參 與 其 中 。 但 他 的 主要注意力卻 放 在 放 射 性 和 原 子 結 構 方 面 。1899 年 他 發 現 放 射 性 物 質 放 出 兩 種 射 線 ， 一 種 叫 作 α 射 線 ，另一種叫作 β 射 線 。 這 一 年 ， 貝 克勒爾發現磁 場 能 使 β 射 線 偏 轉 ， 居里夫人判斷 它 是 帶 負 電 的 粒 子 ， 後來貝克勒爾 測 出 其 荷 質 比 ， 終 於 斷定β射線是 電子流。拉塞福於 1902 年利用強磁 場 使 α 射 線 偏 轉 ， 判 斷它是帶正電 的粒子，1906 年他測出其荷質比， 認 為 它 可 能 是 氫 和 氦 。他最初的合 作者、年輕的化學家索迪(Frederick Soddy, 1877-1956)和 英 國 化 學 家 拉 姆塞(William Ramsay, 1852-1916)從 光 譜 分 析 中 發 現 鐳 輻 射中含有氦譜 線 。 經 拉 塞 福 和 助 理 德 國 籍 蓋 革 (Hans Geiger, 1882-1945) 的 進 一 步 研 究 ， 確 定 α 射 線 為 氦離子流。在 拉 塞 福 發 現 α 和 β 射 線的第二年， 法 國 化 學 家 維 拉 德(Paul Villard, 1860-1934) 發 現 鐳 還 放 射 出 第 三 種 射 線 ， 稱 為 γ 射 線 ， 它不受磁場的 影響。 拉 塞 福 在 加 拿 大 任 大 學 教 授期 間，於1902 年和索迪合作，通過對鈾 的放射性的研究，提出了原子自然蛻 變的理論。這種理論認為，放射性現 象是原子自發蛻變的過程。在蛻變過 程中，一種元素的原子放出α和(或) β粒子，從而變成另一種新元素的原 子，也就是說，原子是可以分割的， 一種原子可變成另一種原子。這種理 圖1.5 1971 年拉塞福的出生地紐西蘭為他發 行了一套百週年誕辰紀念郵票，並繪出 拉塞福用α粒子撞擊金箔而被撞偏的 情形。

論衝破了古典物理的陳規，促使物理 學和化學的革命性變革，因此，這種 理論具有劃時代的意義。由於拉塞福 在放射性方面的研究作出卓越貢獻， 他榮獲1908 年諾貝爾化學獎。拉塞福 於 1903 年進一步闡述原子自然蛻變 理論，指出放射性物質是不穩定的， 它將在放射某種射線的同時衰變為其 他元素，並不斷進行下去，直至成為 穩定元素。他發現放射性物質的衰變 方程式 N dt dN λ − = (1.1) 式中的N 表示 t 時刻的原子數；λ表 示單位時間的衰變機率，是放射性物 質常數。這個方程式反映了放射性物 質 的 放 射 強 度 隨 時 間 按 指 數 規 律衰 減。1913 年前後，索迪發現鐳、鈾、 釷等放射性物質的放射性轉化物最終 都是鉛，這就為元素原子自然蛻變理 論提供了有力的證據。 拉塞福不僅在放射性而且在原子 結構方面的研究都作出了卓越貢獻。 1911 年他根據α粒子的大角度散射 實驗提出原子有核模型，1919 年他用 釙放出的α粒子撞擊氮，獲得氧的同 位素，實現了歷史上第一次人工核反 應。1920 年他預言原子核內存在某種 不帶電的粒子，即存在中子。這一預 言於 1932 年由他的學生、英國物理學 家 查 德 威 克 (James Chadwick, 1891-1974)所證實。查德威克是在用 α粒子撞擊鈹等物質的實驗中發現中 子的，他因此榮獲1935 年諾貝爾物理 學獎。

§1.4 電子的發現

1. 湯姆生的生平

湯 姆 生(Joseph John Thomson, 1856-1940) 是 英 國 物 理 學 家 ( 見 圖 1.6)，電子的發現者。他出生在英國曼 徹斯特郊區，父親是書商和出版商。 他14 歲時到歐文學院學習工程。1876 年他進入劍橋大學三一學院，在他獲 得學位之前他父親就去世了，他只好 靠獎學金維持學業。他的數學修養很 高 ， 獲 得 第 二 名 甲 等 數 學 優 等 生稱 號，並獲得史密斯獎學金。後來他在 卡文迪許實驗室工作，在瑞利的指導 下，研究電磁理論和克魯克士的陰極 射線。1884 年瑞利辭去劍橋大學卡文 迪許實驗室主任的職務，28 歲的湯姆 生被選為第三任卡文迪許實驗室主任 ( 首 任 是 麥 克 斯 韋 ， 第 四 任 是 拉 塞 福)。這位年輕的科學家的中選使競選 者吃驚，許多人感到意外，但是，人 們對他智慧超群是普遍敬佩的。他主 持卡文迪許實驗室工作一開始就顯示 出非凡的管理才能。他重視實驗室設 備的更新，不斷引進先進設備，採用 新 的 實 驗 方 法 和 技 術 ； 他 重 視 系統 的、有重點的研究工作，設立研究院； 他最重視的莫過於人才的培養。他的 門生中有一批傑出的物理學家，在湯

姆生的領導下，卡文迪許實驗室碩果 累累，成就巨大，成為舉世矚目的物 理實驗中心。在他任職期間所培養的 科學家中，有 55 人成為教授，7 位諾 貝爾獎獲得者。他自己最重要的成績 是發現電子並測出其荷質比。他科學 成果卓著，為表彰他在氣體放電的理 論和實驗研究方面的巨大貢獻，他榮 獲1906 年諾貝爾物理學獎。 在發現電子後，湯姆生進而探索 原子的結構，提出了所謂“湯姆生原 子模型”。這個模型後來被他的學生 拉塞福的有核原子模型所取代。他還 研究氣態氖的分離、光學、電磁學、 放射性、光電現象和熱離子，他的理 論促使“熱離子管”的發明，他也研 究X 射線散射。這位物理大師曾經這 樣描寫他十分幸運的一生：“我有好 的雙親、好的教師、好的同事、好的 門生、好的朋友、許多好的機會和好 運氣以及健壯的體魄。” 2. 陰極射線是帶負電的粒子流 1890 年前後，湯姆生身為卡文迪 許實驗室主任，他既要關心實驗室的 全盤工作，但又明確選定了陰極射線 這個研究課題。他著手重複赫 茲和麥克斯韋做過的實驗，測 量 電 脈 衝 沿 著 導 體 的 傳 播 速 度，也測量電脈衝在低壓真空 管中的傳播速度。他特製了一 支15 米長的真空管，並且用旋 轉鏡來測定時間，測得電脈衝 在真空管中的速度約為 1.6× 108_m‧s-1_{。後來他又用這種辦} 法測得陰極射線的速度，測量 值為1.9×105m‧s-1。實驗結果 使他懷疑陰極射線的傳播是電磁輻射 的說法。後來他更用磁場偏轉的方法 證實陰極射線是帶負電的。 3. 到處都有電子 自湯姆生於 1897 年發現電子以 後 ， 人 們 理 解 了 帶 電 物質由“微粒 (corpuscle)”組成，因而就比較容易 在 許 多 現 象 中 感 覺 到 它的存在。在 那 個 時 期 ， 拉 塞 福 所 發現的β射線 被 查 實 為 帶 負 電 的 粒 子射線，貝克 勒爾於 1900 年利用磁場和電場偏轉 的 方 法 進 一 步 測 出 β 射線粒子的荷 質比，他得到

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_，與 電子荷質比同一數量級。後來查實這正 是電子射束。 1899 年，湯姆生對光電效應所產 生的光電粒子作測量。他用鋅板作陰 圖1.6 湯姆生約於 1895 年攝於英國劍橋大學卡文迪許 實驗室

極，與陽極板相隔 1 厘米左右平行放 置。當紫外光從鋅板擊出光電子後， 經加速電場而到達陽極。此時，若用 外磁場使粒子偏轉，並適當調節磁場 強度，就可使光電粒子作圓弧運動。 若圓弧不觸及陽極板，則光電子回到 陰極，於是光電流就消失。這樣，湯 姆 生 測 得 這 種 光 電 粒 子 的 荷 質 比

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7 _{，也與電子荷質比} 同數量級。於是，可以認為光電流也是 電子流。他還用同樣的辦法測量熾熱金 屬發出的帶電粒子流也是電子流。湯姆 生 以 大 量 實 驗 結 果 闡 明 電 子 的 普 遍 存 在：陰極射線、β射線和光電流等都是 電子流；電場可以激發出電子、紫外光 可從金屬中擊出電子、加熱的金屬可發 射電子，放射性物質鐳還可以自發地發 射出電子。由此可見，電子是原子的組 成部分，而且比原子小得多，它是帶電 物質的最小荷電體。 4. 電子的發現具有劃時代意義 電子的發現，說明原子並非“不 可分割”，原子必然存在內部結構， 人們必將衝破千百年來認為原子是組 成物質的最小單元的陳舊觀念，而去 了解物質結構更深的層次。因此，這 一發現，連同 X 射線和放射性的發 現，極大地震動了古典物理學，把物 理學帶到了變革的邊緣，成為新物理 學革命的前奏曲。人們曾為19 世紀末 的“三大發現”即原子可再分割、X 射線及放射性，憂喜均有、疑信參半， 而現代物理學的建立和發展，“三大 發現”卻是現代物理的催生婆和助產 士。

§1.5 結語

在 19 世紀末葉，歐洲科學家們很 積極地從事陰極射線的研究。德國科學 家侖琴乃於 1895 年 11 月 8 日發現 X 射線。次年，法國科學家貝克勒爾發現 天然的鈾化合物會發出一種不同於 X 射線，但也具有穿透能力能使照相底片 感光的射線，稱它為鈾射線。兩年後， 1898 年 7 月在法國巴黎，居里夫婦兩 人首次自瀝青鈾礦渣中提煉出一種新 元素，命名為釙，同年 12 月又成功地 分離出另一種新元素鐳，這兩種元素都 會自發放出輻射。居里夫人稱這種自然 界 自 發 產 生 輻 射 的 現 象 為 放 射 性 (radioactivity) 。 在 短 短 3 年 間 (1895-1898)，人工輻射 X 射線與天然 放射性核種先後問世，確為一大盛事。 此處核種係指原子的種類。 從輻射防護的觀點，X 射線可藉時 間(T)、屏蔽(S)、距離(D)所謂 TSD 原則 作防護。放射性核種則利用其下列特性 作防護： 1. 放射性核種能自發地放出輻射，並衰 變 成 另 一 種 核 種 ： 例 如 Bi Pb Po 214 83 214 82 218 84 → → β α _{。放出的輻} 射，常見的有α、β、γ等。 2. 放射性核種具有一定的半衰期(T1/2)： 所謂半衰期是指某放射性核種的原子

數目衰減到它初始值一半所需要的時 間，通常以 T1/2來表示。每一種放射 性核種都具有一定的半衰期，它不隨 外界條件以及元素的物理、化學狀態 而變。如238U 的半衰期為 45 億年、60_Co 的半衰期為 5.27 年、198_{Au 的半衰期} 為2.69 天等。 3. 放射性核種的原子數目隨時間呈指數 衰減：一般可用公式N＝N0e-λt表示， 此即為式(1.1)的積分結果，式中，N0 為放射性核種初始的原子數目，N 為 放射性核種經過時間 t 衰變後所剩下 的原子數目，λ為衰變常數。半衰期 (T1/2)與衰變常數(λ)的關係為 T1/2＝ 0.693/λ。

參考文獻

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第二章 原子時代的來臨

§2.1 前言

現 代 原 子 論 的 創 始 人 首 推 波 耳 (Niels Henrik David Bohr, 1885-1962)， 他 是 繼 德 國 普 朗 克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858-1947)、美籍德人 愛因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955)之 後的又一位量子理論奠基人。這位丹麥 科學家早期的傑出科學成就是創立波 耳原子理論，這也是他最主要的學術貢 獻。他發展了量子概念，揭示了原子物 理學的新途徑，他所提出的原子模型成 了原子時代的象徵。他於 1913 年提出 關於氫原子的論文，宣告現代原子理論 的誕生。他是近代物理學史中最著名、 最重要的科學家之一、現代原子論的創 始人；他也是一位大思想家、哥本哈根 (Copenhagen)學派的領袖。他於 1922 年榮獲諾貝爾物理學獎，表彰他在原子 結構和原子輻射的研究中所作出的貢 獻，他從此聞名世界。圖2.1 為波耳的 肖像。

§2.2 丹麥傑出學者

波耳在 1936 年提出原子核的“液 滴 模 型 ” ， 以 後 又 和 惠 勒(William Morton Wheeler, 1865-1937)建立核分裂 理論，這些都很出名。他還參與過美國 曼哈頓(Manhattan)計畫的原子彈製造作 為顧問，化名貝克(Baker)。波耳傑出的 成就在國際上贏得崇高聲譽，這不僅由 於他的個人學術成就突出，也不僅由於 他的科學認識論獨特，而且還由於他在 自己的祖國建立舉世矚目的國際物理學 研究中心、物理學的“聖地”──哥本 哈根大學理論物理研究所。這所研究所 成立於1921 年 3 月 3 日，後來，為記念 波耳 80 誕辰，於 1965 年將其正式改名 圖2.1 留存於美國普林斯頓大學檔案中的波耳 照片

為波耳研究所。 波耳出生於書香門第，父親是哥本 哈根大學生理學教授，母親出身於教師 家庭。他的弟弟哈拉德(Harald)是著名數 學家，他的四子奧格(Aage)也是著名物 理學家。波耳一生生活幸福、事業順利、 家庭和睦、子孫滿堂，這恰與愛因斯坦 形成鮮明的對照！他交友廣闊、待人誠 懇 、 為 人 謙 遜 。 前 蘇 聯 科 學 家 蘭 道 (1908-1968)曾經問過波耳：“你是怎麼 把那麼多有才華的青年人團結在身邊 的？”他風趣地回答說：“因為我不怕 在青年人面前承認自己知識的不足，不 怕承認自己是傻瓜。”波耳謙虛好學是 他在科學上取得重大成就的一個主要原 因。1911 年他獲得哥本哈根大學哲學博 士 學 位 ， 以 後 曾 到 劍 橋 的 卡 文 迪 許 (Cavendish)實驗室向湯姆生求教，幾個 月後到曼徹斯特(Manchester)向拉塞福 學習，拉塞福的工作給他很大啟發。1913 年他是一位年輕的講師，給醫學院學生 上物理課，就是在這一年，他提出了氫 原子結構的新觀點，創立波耳原子理論。

§2.3 原子核型的結構

拉塞福這位湯姆生的學生、1908 年 諾貝爾化學獎獲得者，終於在前人思想 的啟發下和在自己實驗的基礎上提出了 著名的有核原子模型(即拉塞福核型原 子)。他的原子模型的實驗依據是α粒子 大角散射現象的發現。 拉塞福在放射性和原子結構方面 的研究有卓越成就。1897 年他從鐳輻 射中發現α射線和β射線，1902 年提 出了自然蛻變理論，改變了原子不可分 割的陳舊觀念，引起物理學和化學的革 命性變革。他於 1906 年前後，在研究 射線對物質作用時，發現有一種莫名的 散射現象。他後來於 1909 年指導他的 助 理 德 國 籍 蓋 革 (Hans Geiger, 1882-1945) 和 學 生 馬 斯 登 (Ernest Marsden, 1889-1970)，著重去觀測α射 線的大角度散射實驗。他們把α射線射 向極薄的金屬箔，然後觀測硫化鋅屏上 的α粒子的閃爍。在大量的實驗觀測 中，他們意外地發現了數目可觀的大角 度α散射，而這種現象是無法用湯姆生 原子模型來解釋的。拉塞福為此冥思苦 想，他認定α粒子的大角度散射是受到 一種很強的電場斥力引起的，祇有當正 電荷集中在一個很小的區域內時才能 產生這種強電場。這個小區域只有原子 直徑的萬分之一，“好像一個大教堂裡 的一隻蒼蠅”。他在理論計算時把原子 內的正電荷“看成是集中在一點”，然 後對α粒子施予電場力，使之在單次碰 撞 過 程中畫出一條雙曲線軌道。1911 年，他在「哲學雜誌」上發表題為「物 質對α、β粒子的散射和原子構造」的 論文，詳細闡述了蓋革和馬斯登的實驗 以及他的理論推導和結論。他的理論認 為原子內存在一個帶正電的核，這個核 稱為原子核，帶負電的電子圍繞這原子

核轉動，整個原子呈電中性。這種原子 結構和太陽系結構相似，人們把這種原 子模型稱為拉塞福有核模型。後來，蓋 革和馬斯登在拉塞福的建議下，做了一 些實驗，檢驗拉塞福核型原子理論計算 的結果。他們終於在 1913 年由實驗證 實了拉塞福的理論，從此，核型原子取 代了湯姆生原子模型。

§2.4 波耳原子理論

波耳於 1911 年完成關於電子論的 博士論文後，就到“電子發源地”劍橋 大學卡文迪許實驗室向湯姆生學習。幾 個月後，於 1912 年他轉到曼徹斯特大 學拉塞福實驗室，參與α射線的實驗。 這個時期，拉塞福已提出有核原子模 型，並且正在從實驗作進一步論證。波 耳 相 信 這 位 導 師 的 原 子 模 型 是 正 確 的，因此他到這實驗室來就不僅僅是研 究α和β射線在物質中的穿透本領方 面的理論，而是開始專注於原子結構的 研究。他返回哥本哈根後，於 1913 年 根據拉塞福核型原子模型提出氫原子 結構的新觀點。在拉塞福的直接幫助 下，他的論文「論原子和分子的結構」 終於在「哲學雜誌」上發表(1913 年 7 月、9 月和 11 月連續發表三篇論文)。 這三篇論文融合了普朗克、愛因斯坦和 拉塞福的思想，並且把光譜學和量子論 結合起來，形成獨具一格的波耳原子理 論，這些論文具有劃時代的意義。拉塞 福核型原子模型無法回答原子穩定性 問題，這是古典概念在原子模型中所反 映出來的根本弱點。波耳為了克服這一 弱點，認為唯一正確出路就是借助於量 子條件。因此，他提出的原子模型最基 本的構思就是拉塞福核型原子加量子 條件。他自己形容這個模型是一個“小 型機械系統，它一些主要特點像我們的 行星系”，不過電子運行規律受量子條 件的制約。 波耳在拉塞福有核原子模型的基礎 上，提出兩條基本假設：第一，原子中 電子在庫侖力作用下，在一些許可的軌 道上運動。僅當電子的軌道角動量(L) 為： π = 2 h n L (2.1) (其中 n＝1,2,3,…,h 是普朗克常數)，這 些軌道才是許可軌道。電子在這些軌道 上運動不會發射電磁波，也就是說這是 一系列定態。第二，當電子在這些許可 軌道之間躍遷時，就會發出相對應頻率 的光波，也就是說電子軌道躍遷將產生 光輻射。波耳在接受 1922 年度諾貝爾 物理學獎時，在他的講演中指出：“其 實，第一條假設指出了原子的普遍穩定 性，第二條假設指出了銳線光譜的存 在”。 波耳當時只有27 歲，他取得如此巨 大的科學成就，固然有種種客觀原因， 但是就主觀素質而言，他不受古典著作 的約束，他思想大膽創新。他在科學探

索的道路上敢於改革，富有革命性。因 此，不是普朗克而是波耳，成了原子力 學的創建人、近代原子論的奠基者和 “量子理論家”的真正領導人。不過， 波耳的原子理論也並非一帆風順，開始 時人們並不都贊成，視之為“令人驚異 的雜交品種”。然而，波耳的導師拉塞 福雖有懷疑，但卻真摯地支持和協助 他，相信他會成功。還有像索末菲這位 慕尼黑大學的理論物理權威，當時就認 真閱讀波耳的論文，並表示非常贊賞。 此後，索末菲又把這一理論向前推進了 一大步，成為後人所稱呼的波耳-索末菲 原子理論。

§2.5 中子的發現

電子、放射性和X 射線的發現，就 像給人類一把“金鑰匙”，打開了通往 微觀世界的大門；拉塞福提出的“原子 有核模型”，開創了人們正確認識原子 結構的新紀元；量子論、相對論和量子 力學的建立為人類認識微觀世界的運動 規律提供了科學的理論基礎。20 世紀的 物理學，已經超出了古典物理的範疇， 並以穩健的步伐跨進了微觀世界的腹 地，許多令人振奮的發現接踵而來。 根據拉塞福的原子模型：原子有 核，核外有電子；核電荷數與核外電子 的電荷數相等；電子就像太陽系的行星 那樣沿著各自的軌道繞核旋轉。所以， 拉塞福的原子有核模型也稱為“行星模 型”。 按照這個模型，人們十分關心的 是：原子核電荷有多少？它和核外電子 數有什麼關係？ 首先，對原子核結構提出設想的是 居里夫人，即瑪麗‧居里。她在 1913 年布魯塞爾國際科學會議上提出：原子 核 應 由 帶 正 電 的 粒 子 和 電 子 所 構 成 的。這個設想，能夠解釋放射性物質既 能放出α粒子，又能放出β射線的事 實。 例如：

( )

α + → Rn He Ra 4 2 222 86 226 88 可見，鐳(226Ra 88 )進行一次α衰變後變成 氡(222Rn 86 )，相當於它的原子序數減少 2，在元素周期表上的位置移前二個位 置。還有鈷(60Co 27 )的β衰變，如

( )

β + → Ni ₋e Co 0 1 60 28 60 27 鈷進行一次β衰變，使它的原子序數增 加 1，它在元素周期表上的位置移後一 位。 顯然，這種放射性元素的α或β衰 變只能在原子核內發生。所以，居里夫 人的設想在當時就得到不少物理學家的 支持。 其次是質子的發現。許多科學家對 於原子核的電荷發生濃厚的興趣，就是 說原子核中荷電的是什麼東西？早在 1886 年 ， 德 國 的 物 理 學 家 戈 德 斯 坦 (Eugen Goldstein, 1850-1930)在研究陰

極射線時發現了一種“奇怪的射線”。 這種射線是來自陽極，它和陰極射線的 方向相反。如果在陰極上開個小孔，那 麼這種射線還會穿透出來。後來，這個 現象在 1907 年被湯姆生稱為“陽極射 線”。這種“陽極射線”的進一步研究 表明：它在磁場中會發生偏轉(說明它帶 有電荷)，並且是粒子流；它的電荷和質 量正好等於氫的正離子，即和氫原子核 相同。1914 年拉塞福綜合了實驗事實 後，提出了這種粒子就是氫原子核，叫 做質子。 這個令人鼓舞的發現，促使當時的 物理學界接受了原子核結構的“質子 -電子”模型。按照這個模型可以估算出 原子核內的質子數和電子數。例如：鈉 原子，它的原子序數為11，其核內有 22 個質子，11 個電子。顯然這個核所帶的 正電荷為 ll e (e 為電荷單位，為 1.6× 10-19_{庫侖)。從整體上來說，鈉原子呈中} 性，但卻無法符合“自旋的理論”。 這樣一來，“質子-電子”模型受到 了嚴重的挑戰。由於這種難於調和的矛 盾，促使勇於探索自然秘密的人們轉而 注意 1920 年拉塞福提出的設想。拉塞福 在第二次貝克講座中，提出可能存在質 量和質子相仿的中性粒子。他認為，這 個中性粒子是由於庫侖引力的作用，使 質子和電子結合而產生的。1921 年美國 的 一 位 化 學 家 哈 金 斯(William Darper Harkins, 1873-1951)把這個粒子命名為 “中子”。這僅是一個猜想，因為當時 還沒有在實驗中找到過中子。 隨著科學技術的發展，在1930 年， 兩 位 德 國 的 物 理 學 家 博 思(Wahher Wihelm Georg Bothe, 1891-1957)和貝克 爾(H.Becker)用α粒子撞擊金屬鈹時，發 現了一種特別的輻射。這種輻射具有很 強的穿透能力，甚至幾厘米厚的鉛板都 能穿透。當時人們已經知道γ射線具有 很強的穿透本領，並且在磁場中不會發 生偏轉。博思把這種“輻射”放在磁場 和電場中試驗，結果發現：它既不受磁 場的作用，也不受電場的影響。所以， 博思和貝克爾以為：他們發現的輻射是 γ射線，並公布於眾。 當時，約里奧-居里(F. Joliot-Curie, 1900-1958) 和 他 的 妻 子 伊 倫 娜 ‧ 居 里 (Irene Joliot-Curie, 1897-1956)對博思的 實驗很感興趣，並且認真地重複了博思 的實驗，還加以發展。他們讓這種“輻 圖2.2 約里奧-居里夫婦攝於 1934 年

射”去作用石蠟，發現有粒子被打出。 他們經過仔細的檢驗，發現這個粒子原 來是從氫化合物中釋放出來的氫核── 質子。可是，對於γ射線來說，儘管它 的穿透能力很強，但不可能從石蠟中打 出質子的。約里奧-居里夫婦(見圖 2.2) 公布了這個研究結果。他們離發現中子 已經不遠了。遺憾的是，他們失掉了一 次機會。 約里奧-居里夫婦的研究結果，引起 了拉塞福實驗室的密切關注。拉塞福的 年 輕 學 生 ， 英 國 的 物 理 學 家 查 兌 克 (James Chadwick, 1891-1974)對約里奧-居里夫婦的實驗進行了更加深入的研 究。他認為γ射線是沒有質量的，根本 不可能從石蠟中打出質子。他用博思發 現的這種“輻射”與硼作用，發現產生 了新的原子核。查兌克通過測定，發現 新原子核的質量增加了，並且證實這個 增加的質量幾乎和質子的質量相等。這 樣就可以斷定：博思發現的“輻射”實 際上是質量與質子相等的粒子流。查兌 克讓這些粒子流通過電磁場，沒有發現 任何的偏轉現象，說明它們是呈現電中 性的。經過艱苦的實驗和探索，查兌克 (見圖 2.3)認為這些粒子流就是中子，並 於1932 年 2 月 17 日寫了封信寄給「自 然」雜誌，發表了這一結果。這樣，人 們尋找已久的中子終於被發現了！查兌 克也就因為發現中子而獲得了 1935 年 的諾貝爾物理學獎。 中子的發現具有深遠的意義。首先 海 森 伯 (Werner Karl Heisenberg, 1901-1976)立即提出“質子-中子”模 型，代替了“質子-電子”的模型。這 樣，人類才認識到原子核是由質子和中 子組成的；其次，人們對於原子量與原 子序數的關係，以及原子核的自旋、原 子核的穩定性等問題，有了新的認識； 第三，人類對於中子的研究和應用，推 動了核子物理的飛躍發展，開創著新的 時代。

§2.6 原子核的分裂反應

二十世紀上半葉電能已經廣泛應 圖2.3 查兌克玉照

用，成為一系列新興工業的能源基礎。 與此同時，在能源開發方面也正在發生 深刻的革命，即人類掌握核能的時代到 來了！ 根據愛因斯坦的質能關係： 2 mc E= (2.2) 式中的 m 為物體的質量，c 為光速(3× 108_{米/秒)。質能關係式是從理論上預言} 了發掘強大能源的可能性。但是，人類 真正掌握核能的開發技術，卻經歷了艱 難曲折的過程。 1. 原子核反應的發現 原子核反應比之人們熟悉的化學 反應有著許多新的特點，是人類一個 嶄新的課題。最早從事這方面工作的 是英國科學家拉塞福。他用α粒子撞 擊原子，才認識了原子的結構。他用 α粒子撞擊氮核，發現氮原子核轉變 成氧原子核(同位素 17)，同時釋放出 一個質子(氫原子核)，即 H O He N 1 1 17 8 4 2 14 7 + → + 顯然，這一過程的發生不是原子的反 應，而是原子核的反應，即由於核的 相互作用導致了新原子核的形成(氮 核 和 氦 核 作 用 後 變 成 了 氧 核 和 氫 核)。拉塞福在 1919 年的這一發現， 是人類第一次實現了原子核的人工蛻 變。這個人工蛻變和以往的自然蛻變 (天然放射過程)完全不同，具有深遠 的意義。 隨著人們對原子核反應的繼續探 索，許多類似的核反應不斷被發現。 在這中間，約里奧-居里夫婦發現，用 α粒子撞擊硼和鋁，可以獲得人工放 射性元素──氮和磷。這是他們的首 次發現，取得了決定性的一步。反應 方程式如下： n N He B 1 0 13 7 4 2 10 5 + → + n P He Al 1 0 30 15 4 2 27 13 + → + 此 式 中 的13₇N 和30₁₅P都 是 放 射 性 同 位 素。當停止α射線的撞擊後，它們還能 繼 續 保 持 著 放 射 性 ， 但 持 續 的 時 間 不 長。氮的同位素(13N 7 )放出一個正電子後 轉變為碳，大約經過10 分鐘的時間，放 射性強度減小一半(即半衰期)；磷的同位 素(30P 15 )放出一個正電子後轉變為矽，其 半衰期為2.2 分鐘。 約里奧-居里夫婦用人工蛻變的 方法產生了放射性同位素，這一發現 為人類探索和研究核反應開闢了一個 嶄新的領域。他們由此而獲得了1935 年的諾貝爾化學獎。 然而，利用α粒子撞擊氮核、硼 核和鋁核，由此引起的核反應的能力 和效率不高，因而很難顯示出核反應 過程中所蘊藏的巨大能量。這一個劃 時代的問題怎樣解決呢？ 當英國物理學家查兌克發現中子 以後，引起了許多物理學家的重視， 特 別 是 義 大 利 年 輕 的 物 理 學 家 費米 (Enrico Fermi, 1901-1954)立即採用中

子來產生放射性元素。鑒於中子是電 中性的，它不受靶核的靜電排斥，所 以中子肯定比α粒子(帶正電荷)容易 打進靶核而引起反應，尤其是引起一 些重元素的核反應。費米(見圖 2.4)基 於上述的考慮，他和他的合作者們： 阿 瑪 爾 迪 、 達 戈 斯 蒂 諾 (O.d’Agostino)、拉賽蒂(Franco Rasetti, 1902-) 和 埃 米 利 奧 ‧ 賽 格 雷 (Emilio Segre) ， 後 來 還 有 龐 德 科 伏 (B.Pontecorvo) ， 用 鈹 和 鐳 作 為 中 子 源，進行了三年的研究工作，首批發 現了約 40 種新的放射性物質──同 位素，取得了可喜的成就。 1934 年，費米等人在一次偶然的 機 會 中 發 現 ： 通 過 石 蠟 過 濾 後 的中 子，它產生的核反應要比直接從鐳＋ 鈹 的 射 源 所 產 生 的 核 反 應 要 有 效得 多。這一現象，一經確認，費米就天 才地提出了解釋，即中子通過石蠟， 由 於 彈 性 碰 撞 的 緣 故 使 其 放 慢 了速 度。這種慢中子，在產生某種核反應 上，它比快中子的能力將是成百倍地 提 高 。 費 米 抓 住 這 個 “ 慢 中 子 ”不 放，進行了專門的研究，創造了中子 慢化的數學理論，為開拓原子核物理 方面作出了重大貢獻。費米因此而獲 得了 1938 年的諾貝爾物理獎。 在1934 年，費米等人已開始用中 子撞擊鈾的實驗，發現反應物中存在 一種新的放射性物質，但沒有檢測出 來 。 德 國 化 學 家 哈 恩(Otto Hahn, 1879-1968)和奧地利的女物理學家邁 特娜(Lise Meitner, 1878-1968)相信他 們 能 夠 找 出 這 種 “ 新 的 放 射 性 物 質”，因而在柏林進行實驗工作，開 展了鈾核分裂的重大課題研究。他們 合作得非常成功。 哈恩(見圖 2.5)生於 1879 年，誕 生地是德國的法蘭克福。少年時的哈 恩並不是非常優秀的學生，但他酷愛 科學實驗，特別是化學實驗。他考入 馬爾堡大學，又轉入慕尼黑大學。他 當過威廉‧拉母賽(William Ramsay, 圖2.4 美國於 2001 年發行的費米紀念郵票

1852-1916，他在 1904 年，因發現惰 性氣體獲得諾貝爾化學獎)、艾米爾‧ 費 歇 爾 (Emil Hermann Fischer, 1852-1919，他得過諾貝爾化學獎)和 拉塞福(1908 年的諾貝爾化學獎獲得 者)的助理。他曾經發現過放射性釷和 錒 ， 又 和 邁 特 納 一 起 發 現 了 放 射性 鏷，於 1928 年被任命為柏林皇家化學 研究所所長。 梅特娜(見圖 2.6)，是奧地利人。 她是一位傑出的、具有猶太血統的女 科學家。她是普朗克的助手，爾後在 柏林皇家研究所成為一名科學家。她 在核物理方面作出過許多重要貢獻。 她和哈恩一起從事鈾核分裂的研究工 作。由於希特勒的瘋狂排猶，儘管哈 恩作了許多努力，她不得不於 1938 年逃離德國，到斯德哥爾摩避難。她 和哈恩共同工作的結果，是製定了一 套新的放射化學的實驗方法。正是這 種方法使得哈恩和他的助理斯特拉斯 曼(Fritz Strassmann, 1902-)在梅特娜 逃亡後的幾個月內成功地發現了鈾分 裂，取得了這項震驚世界的科研成果。 哈恩和斯特拉斯曼用中子撞擊原 子序數為92 的鈾，發現得到了原子序 數為56 的鋇，和原子序數為 36 的氪。 這個分裂的反應方程式如下： n 3 Kr Ba U U n 1 0 92 36 141 56 * 236 92 235 92 1 0 + → → + + 1938 年 12 月，哈恩等人把這個結果 寄給德國「自然科學」發表，並獲1944 年諾貝爾化學獎。 梅特娜在瑞典得悉這個消息後， 圖2.6 梅特娜教授玉照 圖2.5 哈恩教授約攝於 1950 年