【深造物理】放射性其實很日常：從香蕉到核醫，拆解原子不穩定的故事

說到「放射性」(radioactivity)，不少人第一反應是核電廠、核爆、超危險。其實，放射性並非遙不可及，也不是純粹的恐怖代名詞。你每天都會接觸到天然的放射源：香蕉、花崗岩、甚至我們自己的身體，都含有微量放射性。理解放射性，就像學懂火：知道它如何產生、怎樣安全使用、何時應避開，才是成熟社會的態度。本文會用貼近日常的語言，由原子的結構講起，一步步拆解放射性為何會存在、有甚麼種類、如何影響健康，以及它在醫療與科技中的關鍵角色。

原子為何會「放」東西？— 不穩定的核心

每個原子都有一個原子核(nucleus)，裡面由質子(proton)和中子(neutron)組成。質子帶正電，彼此會互相排斥；但「強作用力(strong nuclear force)」在極短距離內很強，能把質子和中子緊緊綁在一起。當原子核的「綁力」不夠穩定時，它會自發地轉換到更穩定的狀態，過程中釋放出粒子或能量，這就是放射性衰變(radioactive decay)。

• 穩定與不穩定：某些質子/中子比例令原子核能量最低(穩定)，偏離這個比例就不穩定。
• 能量的「找出路」：不穩定原子核會「放東西」(粒子或電磁輻射)來降低自身能量，走向更穩定。
• 自發性：放射性衰變不需要外界觸發，像計時器的「機率倒數」；何時衰變是隨機，但統計上可預測。

三大常見衰變類型：α、β、γ 有何分別？

放射性不是一種東西，而是一系列過程。最常見的有三種：

• α 衰變(alpha decay)：原子核射出一個氦核(2質子+2中子)，電離能力強，但穿透力弱，一張紙或皮膚就能擋住。典型例子：鈾-238。
• β 衰變(beta decay)：涉及弱作用力(weak interaction)。有兩種：
  • β−：一個中子變成一個質子，同時放出一個電子(e−)和一個反微中子(antineutrino)。例：碳-14。
  • β+：一個質子變成一個中子，放出一個正電子(positron)和一個微中子(neutrino)。例：氟-18。
• γ 衰變(gamma decay)：原子核已在正確的「組合」，但處於激發態(exited state)，會放出一個高能光子(γ 光子)降回基態。穿透力很強，需要厚鉛或混凝土屏蔽。

此外還有自發裂變(spontaneous fission)、電子捕獲(electron capture)等機制，但日常接觸最多的，仍是上述三類的組合。

半衰期：從「幾秒」到「十億年」的時間標記

放射性有一個關鍵概念：半衰期(half-life)。它代表有一半的原子核完成衰變所需的平均時間。重要的是：半衰期是統計概念，與單一原子何時衰變無關，像擲硬幣很多次的平均行為。

• 短半衰期：如氟-18約110分鐘，適合醫學影像，因為快速衰變、身體不會留存太久。
• 長半衰期：如鈾-238約45億年，與地球年齡同級，適合地質定年。
• 活度(activity)：單位時間內衰變次數，常用貝可(Becquerel, Bq)。1 Bq = 每秒一次衰變。

天然放射性：你家其實也有

「天然＝安全、人工＝危險」是常見誤解。放射性是否有風險，取決於劑量(dose)、種類與暴露方式，而非是否「人工」。例子：

• 香蕉與鉀-40：香蕉含鉀，其中約0.01%是放射性同位素鉀-40(K-40)。吃一根香蕉的額外劑量極微，可當作幽默的「香蕉等效劑量」參照。
• 花崗岩與氡氣(radón, Rn)：花崗岩含鈾、釷，衰變會釋出氡氣。通風不良的地下空間，氡濃度可升高，是某些地區肺癌風險因子之一。
• 宇宙線(cosmic rays)：高空飛行機組人員每年劑量較地面高；香港長期在海平面，宇宙線劑量較低。

輻射與劑量：Sv、Gy、mSv 是甚麼？

我們用幾個量度來描述「吸收了多少輻射」，以及對健康的影響：

• 吸收劑量(absorbed dose)：單位戈瑞(Gray, Gy)，代表每公斤物質吸收的能量(焦耳/公斤)。
• 當量劑量(equivalent dose)與有效劑量(effective dose)：單位希沃特(Sievert, Sv)。Sv會考慮輻射種類(α、β、γ、中子)與身體不同器官敏感度，較貼近生物效應。
• 常見量級：
  • 胸部X光：大概0.02 mSv
  • 胸部CT：大概5–7 mSv
  • 全球平均天然本底輻射：每年約2–3 mSv (地區差異大)

重點是「總劑量」與「劑量率」(dose rate)。同樣的1 mSv，分一年慢慢吸收，和在1分鐘內吸收，生物效應不同。

電離輻射 vs 非電離輻射：不要混為一談

放射性釋放的α、β、γ屬「電離輻射(ionizing radiation)」，能夠打斷分子鍵，造成DNA損傷。相對地，手機、Wi‑Fi屬「非電離輻射(non-ionizing radiation)」，能量不足以電離。兩者在物理本質與健康風險上完全不同，不宜混淆。

為何會致癌？細胞如何被「擊中」

電離輻射可直接或間接(透過自由基)破壞DNA。細胞有修復機制，但若錯誤修復或累積突變，可能演變成癌症。風險與劑量整體相關，低劑量長期暴露的精確風險評估仍有學術爭論，但「越少不必要劑量越好」是醫學與輻射防護的共識(ALARA 原則：As Low As Reasonably Achievable)。

放射性不是只有風險：醫療、考古、能源的工具箱

• 核醫影像(nuclear imaging)：如PET(Positron Emission Tomography)用氟-18標記葡萄糖(FDG)，觀察腫瘤的新陳代謝。β+ 衰變的正電子與電子湮滅，產生兩束對向511 keV γ 光子，被環形探測器捉到。
• 放射治療(radiotherapy)：高能γ或X光、甚至質子(proton therapy)精準打擊腫瘤，靠的是劑量分佈控制與影像導航。
• 年代測定(radiometric dating)：碳-14定年適用於考古(數萬年尺度)；鈾-鉛(U‑Pb)定年可追溯至地球早期(十億年尺度)。
• 工業與材料：無損檢測(NDT)用γ射線照相找焊縫缺陷；示踪(Tracer)研究流體管道洩漏。
• 能源：核裂變(fission)發電利用鏈式反應釋放的能量，與放射性同源，但需要嚴格安全與廢料管理。

安全三原則：時間、距離、屏蔽

輻射防護有三個實用概念：

• 時間(Time)：縮短接觸時間，總劑量就降低。
• 距離(Distance)：輻射強度通常按平方反比定律隨距離下降(1/r^2)。遠離源頭，有效減劑量。
• 屏蔽(Shielding)：
  • α：一張紙、皮膚已足夠，但口服/吸入含α放射體危險。
  • β：塑膠、玻璃、鋁板可屏蔽。
  • γ/中子：需高密度材料(鉛、混凝土)或含氫材料(對中子)配合。

常見迷思速答

• 吃了放射治療的病人會「帶輻射」嗎？視乎療法。外照射(radiotherapy)不會殘留射線源；但某些核醫注射或植入的放射性藥物/種子會在短期內發出輻射，醫護會提供清晰指引。
• 輻射能把人「變異」成超能力？科幻而已。現實更多是DNA損傷與細胞死亡，醫療上反而用來殺死腫瘤細胞。
• 輻射能「消失」嗎？不是變沒有，而是放射性核素衰變成其他核素；同時也會擴散、稀釋。處理關鍵是時間、封存與隔離。

香港人的日常關注點

• 食物輻射檢測：進口食品若來自事故區域，政府會進行抽檢。單位多用Bq/kg與符合的管制限值，公佈透明。
• 居家氡：若住處位於花崗岩含量高的地區或低層密閉空間，可考慮做氡檢測及加強通風。
• 醫療檢查：與醫生討論影像學檢查的必要性與替代方案(如超聲波、MRI屬非電離)，在需要時放心做，避免過度擔心。

深入一點：為何某些核素穩，某些就不穩？

原子核的穩定性可從「核殼層模型(nuclear shell model)」和束縛能(binding energy)理解：

• 魔數(magic numbers)：2、8、20、28、50、82、126等核子數，對應較穩定的「滿殼層」。鉛-208(82質子+126中子)特別穩。
• 束縛能峰值：每核子束縛能在鐵-56附近達峰，意味著比它重的核素傾向裂變，比它輕的傾向聚變，這也是恆星能量來源的物理基礎。
• 弱作用力的角色：β衰變本質上是弱作用力改變味(flavor)的過程，把不理想的質子/中子比例「修一修」。

測量與監測：我們怎樣「看見」無形的輻射？

• 蓋革-米勒計數器(Geiger-Müller counter)：對β、γ靈敏，咔嚓聲就是氣體被電離的脈衝。
• 閃爍體(scintillator)：輻射讓晶體閃光(光子)，光電倍增管把光轉成電信號，可定量能譜。
• 半導體偵測器(HPGe, Si)：能量解析度高，可分辨不同核素的γ射線「指紋」。

事故與風險評估：怎樣看待新聞中的「核」字

看到「核」別先恐慌。評估重點：

• 釋放的是甚麼核素？碘-131短半衰期，對甲狀腺風險高；銫-137半衰期約30年，環境遺留較久。
• 暴露途徑：外照射、吸入、攝入、皮膚污染，風險大不同。
• 劑量數據：以mSv呈現是否有醫學意義？與常見參照比較。
• 時間尺度：短期尖峰還是長期低劑量？清理與封鎖措施是否到位？

把風險放回「比例」：理性面對，明智使用

放射性的本質是原子核尋找更穩定狀態的自然過程。它既帶來風險，也創造醫療、科研與能源的價值。理性的態度是：用科學的方法量度、透明地溝通、按需要採取防護，而不是一刀切拒絕所有與「核」有關的事物。就像我們理解刀既能切菜也能傷人，關鍵在於是否懂得使用與管理。

結語：了解之後，恐懼就會縮小

從香蕉到PET掃描，從考古定年到核能發電，放射性已深植現代生活。它不是神秘力量，而是可量化、可管理、可善用的自然現象。當我們掌握了半衰期、劑量與屏蔽等基本概念，就能分辨新聞資訊的輕重，作出更聰明的健康與公共政策選擇。理解，永遠是減少恐懼的第一步。