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114年:醫物幅安(2)

某核種行β-衰變後，下列敘述何者正確？

A原子序減2，中子數減1，質量數減3
B原子序減2，中子數減2，質量數減4
C原子序加1，中子數減1，質量數不變
D原子序減1，中子數加1，質量數不變

詳細解析

本題觀念：

本題考查放射物理學中「放射性衰變（Radioactive decay）」的基礎原理。特別是貝塔衰變（Beta decay）的物理機制，以及發生此類核轉換反應對母核種的原子序（Z，質子數）、中子數（N）及質量數（A，質子加中子總數）所造成的影響。

選項分析

  • 選項 A：原子序減2，中子數減1，質量數減3 這不符合任何標準的天然放射性衰變模式。
  • 選項 B：原子序減2，中子數減2，質量數減4 這是**阿伐衰變（α衰變，Alpha decay）**的特徵。母核釋放一個阿伐粒子（即氦原子核，包含2個質子和2個中子），因此質量數（A）減少4，原子序（Z）減少2，中子數（N）減少2。
  • 選項 C：原子序加1，中子數減1，質量數不變 這是**貝塔負衰變（β-衰變，Beta-minus decay）**的特徵。在核內中子過多（中子/質子比例過高）的不穩定核種中，一個中子會轉變為質子，並釋放出一個電子（即β-粒子）與反電子微中子。因為中子減少1個、質子增加1個，所以原子序加1，中子數減1，而總核子數（質量數）保持不變。此為正確選項。
  • 選項 D：原子序減1，中子數加1，質量數不變 這是**貝塔正衰變（β+衰變，Positron emission）或電子捕獲（Electron Capture, EC）**的特徵。在核內質子過多（中子/質子比例過低）的不穩定核種中，一個質子會轉變為中子，並釋放出正子與電子微中子。其結果為原子序減1，中子數加1，質量數不變。

答案解析

β-衰變通常發生在「中子過剩」的放射性同位素中。在弱交互作用的影響下，原子核內的一個中子（nn）會衰變成一個質子（pp），同時釋放出一個高能電子（即β-粒子，e−e^-）以及一個反電子微中子（νˉe\bar{\nu}_e）。 完整的反應式可表示為：n→p+e−+νˉen \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e。 反應結束後，母核的質子數增加1（即原子序 Z 增加 1），中子數減少1（即中子數 N 減少 1）。由於質子與中子的總數沒有改變，因此質量數 A 維持不變。選項 C 完美描述了此物理過程。

核心知識點

醫事放射師國考中，放射物理學的基礎衰變模式為必考絕對重點，考生必須熟記以下幾種主要衰變的特徵與核子變化：

  1. α衰變（Alpha decay）：釋放 24He^4_2He。原子序 -2、中子數 -2、質量數 -4。常見於重核（如鈾、鐳、氡）。
  2. β-衰變（Beta-minus decay）：中子轉質子，釋放電子與反電子微中子。原子序 +1、中子數 -1、質量數不變。發生於中子過多的核種（如 14C,131I,90Y^{14}C, ^{131}I, ^{90}Y）。
  3. β+衰變（Beta-plus decay/Positron emission）：質子轉中子，釋放正子與電子微中子。原子序 -1、中子數 +1、質量數不變。發生於質子過多的核種（如 18F,11C^{18}F, ^{11}C）。
  4. 電子捕獲（Electron capture, EC）：核內質子捕獲內層軌域電子轉變為中子。變化與β+衰變相同（原子序 -1、中子數 +1、質量數不變），常伴隨特性X射線（Characteristic X-ray）或歐傑電子（Auger electron）的釋放。
  5. 同質異構躍遷（Isomeric transition, IT） / γ衰變：處於激發態（metastable state）的原子核釋放加馬射線（γ-ray）回到基態。原子序、中子數、質量數皆不變（如 99mTc→99Tc^{99m}Tc \rightarrow ^{99}Tc）。

臨床重要性

理解放射性核種的衰變特性對於核子醫學及放射治療的應用有極大的臨床意義。例如：會發生 β-衰變 的核種（如碘-131 治療甲狀腺疾病、釔-90 應用於肝臟微球治療）因其釋放的 β 粒子具有較強的組織游離破壞能力，且在組織中的射程短（通常在數毫米以內），非常適合用來精準殺死局部的腫瘤細胞（標靶放射性治療）。相對地，發生 β+衰變 的核種（如氟-18 去氧葡萄糖, FDG）則因正子與電子發生互毀反應（Annihilation）產生一對 511 keV 的 γ 射線，而被廣泛應用於臨床的正子斷層造影（PET）檢查中。

參考資料

  1. 核穩定與放射性蛻變/衰變（二） - 李鈞震2023藝術文化讀書會 (https://chem1180.blogspot.com/2015/02/blog-post_46.html)
  2. What happens to the atomic number and mass number of a nucleus when it emits (a) an electron? (b) a positron? (c) a gamma ray? - Vaia (https://www.vaia.com/en-us/textbooks/physics/physics-for-scientists-and-engineers-10th-edition/chapter-44/problem-12-what-happens-to-the-atomic-number-and-mass-number/)
  3. 放射性- 維基百科，自由的百科全書 (https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%94%BE%E5%B0%84%E6%80%A7)
  4. β衰變- 維基百科，自由的百科全書 (https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%CE%92%E8%A1%B0%E8%AE%8A)
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