115年:核醫診療(2)

[²²²Rn→²¹⁸Po+α+∆Q],²²²Rn 原子質量為222.0176 amu,²¹⁸Po 原子質量為218.0090 amu,α質量為4.0015 amu,⁴He 原子質量為4.0026 amu,反應能∆Q 為何?

A4.57 MeV
B5.59 MeV
C6.61 MeV
D7.48 MeV

詳細解析

本題觀念

α 衰變的反應能 ΔQ 來自母核、子核與 α 粒子之間的 amu 數值差。衰變前的總 amu 數值若大於衰變後的總 amu 數值,減少的靜止能量會轉成 α 粒子、子核的動能以及可能的核激發能;在題目以 ΔQ 表示的情況,核心就是正確建立數值差並換算成 MeV。

本題最容易出錯的地方是混用「帶電 α 粒子的 amu 數值」與「中性氦原子的 amu 數值」。母核與子核給的是原子數值,因此應使用 ⁴He 的原子數值 4.0026 amu。若直接把 α 的 4.0015 amu 與中性原子數值放在同一個差值中,電子數目沒有一致處理,就會得到錯誤結果。

選項分析

A. 4.57 MeV:錯誤。這個數值不是由題目提供的中性原子數值差換算而來。先確認各數值的定義,再進行相減,才能避免因選錯 α 產物數值而偏離正確結果。

B. 5.59 MeV:正確。使用中性原子數值,差值為 222.0176 − 218.0090 − 4.0026 = 0.0060 amu;再乘以 1 amu 約等於 931.5 MeV/c²,得到 ΔQ = 0.0060 × 931.5 MeV ≈ 5.589 MeV,四捨五入為 5.59 MeV。

C. 6.61 MeV:錯誤。若把帶電 α 粒子的 4.0015 amu 直接代入,會得到 222.0176 − 218.0090 − 4.0015 = 0.0071 amu,換算約 6.61 MeV。這正是混用帶電粒子數值和中性原子數值造成的干擾值,不是本題一致的計算。

D. 7.48 MeV:錯誤。此數值不符合上述差值,也不是以 ⁴He 原子數值及 931.5 MeV/c² 換算得到的結果。計算時若出現此值,應回頭檢查相減、單位或換算常數。

答案解析

本題依公告答案選 B。原子數值法的公式是 ΔQ = [M(母核) − M(子核) − M(⁴He)]c²;當數值以 amu 表示時,可直接用差值乘以 931.5 MeV。代入數值:

Δm = 222.0176 − 218.0090 − 4.0026 = 0.0060 amu

ΔQ ≈ 0.0060 × 931.5 = 5.589 MeV ≈ 5.59 MeV。

使用 4.0015 amu 的帶電 α 數值看似只差 0.0011 amu,乘上 931.5 後卻會造成約 1.02 MeV 的差距,正好反映電子數目處理不一致的影響。只要題目同時提供 ⁴He 原子數值,就應優先採用一致的原子數值公式。

核心知識點

  1. α 衰變 Q 值由衰變前後的 amu 數值差決定,ΔQ 越大,代表可釋放的能量越多。
  2. 使用中性原子數值時,α 產物要用 ⁴He 原子數值;使用帶電 α 數值時,則必須把電子數目以一致方式處理。
  3. 1 amu 約等於 931.5 MeV/c²,因此以 amu 得到的差值可直接換算成 MeV。
  4. 本題的關鍵計算是 0.0060 amu × 931.5 MeV ≈ 5.59 MeV;單位中的 c² 在質能換算後已納入常數。
  5. 選擇題提供相近數值時,先看是否誤用 4.0015 amu;這是本題設計的主要陷阱。

參考資料

  1. NNDC:α 衰變計算與原子 amu 用法
  2. Radioactive decay:衰變與amu 差值概念
  3. 核物理 α 衰變計算例
  4. Radon-222