1896年法國科學家貝克勒 將感光底片緊緊夾在兩張黑色厚紙板之間 並且和鈾鹽一起放在黑暗抽屜內 結果發現底片竟然呈現出鈾鹽清楚的輪廓 貝克勒因此推測鈾礦可以發出一種射線 使得相機底片感光 接著 居禮夫婦發現釷礦也具有放射性 並從裡面提煉出更強的放射性元素釙和鐳 而這些放射性 有些會受到電磁場影響 有些則不會 但卻都可以把氣體游離 稱為游離輻射 表示具有高能量的特性 那麼這些游離輻射的本質 到底是什麼呢？ 就讓我們一起研究看看吧 同學們還記得 在原子核內 主要讓質子與中子緊緊束縛在一起的作用力 是什麼嗎？ 沒錯 是強作用力 不管是質子與質子 或中子與中子 或中子與質子 在核的範圍內都是互相吸引在一起喔 從穩定同位素曲線可以知道 原子序超過82的元素 都無法穩定存在 即具有放射線 而常見的射線為α、β、γ射線 以鈾238衰變為例 衰變前的原子核稱為母核 而衰變後產生的釷234、氦4 則稱為子核 而這些射線 又是被哪位科學家所發現的呢？ 在1897年 拉塞福分析了鈾的放射線成分 將其中穿透性較弱的射線 命名為α射線 可以被一張紙所阻擋 穿透性較強的 則命名為β射線 需要數公分厚的鋁片 才可以阻擋下來 穿透性更強的γ射線 則在1900年被保羅·維拉爾發現 他發現含鐳的氯化鋇 會發出一種新的射線 且通過電場與磁場皆不會產生偏折 此輻射還可以穿過厚鉛板 顯示其穿透力極高 1902年時 沃爾特·考夫曼 更進一步確認β射線就是電子 接著在1908年時 拉塞福確定了α射線為帶正電的氦原子核 並且在1914年 又由實驗發現γ射線為高能量電磁波 對原子核物理貢獻極大 被科學界稱為原子核物理學之父喔 那麼 原子核又是如何放出α射線的呢？ 這是因為在原子核中 有庫侖排斥力和強作用力在相抗衡 質子因為排斥力 一直想要逃脫到原子核外 又因為強作用力的關係 將質子拉回原子核 那麼從理論計算可以知道 質子及中子會有一定的機率脫離原子核 而這些粒子中 α粒子的機率 會比其他粒子的機率高得多 也就是說 α粒子更容易離開原子核束縛 這就是我們觀察到的α射線喔 另外 放出β射線 主因是原子核內的弱交互作用 在氮16的β衰變中 其反應式如畫面所示 經分析後 科學家發現原子核內的一個中子 會自發性的轉變為質子 並放出高能量的電子 即β射線 以及反微中子 而弱交互作用理論 是由物理學家－費米所提出的一個基本作用力喔 另外有趣的是 一開始科學家們 並沒有發現到反微中子的存在 但物理學家包立發現 原子核在放出β射線時 β射線的動能每次都不相同 但是如果母核衰變後 只有產生子核和電子 理論上電子的動能 應該要是某一定值才對 因此包立預測 應該還有一個粒子 是我們在過程中沒發現的 果真在之後更精密的測量中 發現了反微中子 是不是很有趣呢？ 最後 原子核可以放出γ射線 是因為原子核內的質子與中子束縛在一起 類似於電子繞原子核旋轉 而形成的原子能階 原子核內的質子與中子 也會形成核能階 和原子能階是不同能量等級 核能階多半都落在百萬電子伏特等級左右 大約是原子能階的數萬或數十萬倍以上 所以當核內的質子、中子處在較高的能階 因為不穩定而釋放光 回到低能階的狀態 這種高能量的光 就是γ射線的成因喔 那麼在衰變過程中 又會遵守哪些規則呢？ 科學家發現在核反應中 反應前後會遵守總質量數守恆 比如說鈾衰變成釷 並放出氦原子核 α射線 反應前的質量數為238 所以反應後的釷質量數為234 氦核質量數為4 所以質量數就是238等於234加4 另外 也要遵守總電荷數守恆 所以鈾原來有92個帶正電的基本電量 反應後的釷有90個帶正電質子 氦核有2個帶正電質子 也就是正電荷電量為92等於90加2 最後 我們還可以由實驗發現 α或β射線 通常都會伴隨γ射線的產生 但α、β射線是不會同時發生的喔 我們來思考一下這個問題 如果鈾238衰變到鉛206才會穩定 過程中進行x次的α衰變 y次的β衰變 則根據質量數守恆與電荷守恆 請問x和y等於多少？ 回到片頭的問題 這些放射性元素 所產生的游離輻射的本質是什麼？ α射線是氦的原子核 β射線是電子 γ射線則是高能量的電磁波 這些就是常見的原子核所放出的射線喔 這樣你懂了嗎？ 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 原子序超過82的原子核 一定具有放射性 放射線有α、β、γ三種 α射線是氦的原子核 β射線是電子 γ射線則是高能量的電磁波 α射線主因是強作用力 β射線主因是弱交互作用 γ射線主要是來自核能階躍遷 衰變過程中 會遵守總質量數守恆、總電荷數守恆 想一想 最早β衰變的時候 是沒有發現反微中子的 並且每次的β衰變 β粒子的動能都不是定值 根據這個實驗結果 如何推測在β衰變的時候 可能還存在有我們沒有發現的粒子呢？ 歡迎留言分享你的想法 我們下次見囉 Bye bye