淺談伽瑪射線

生活科學趣談

Absorption_of_glass_and_ITO_glass

玻璃看起來透明,是因為玻璃不吸收可見光(400nm~700nm),玻璃的吸收峰是在200nm~283nm的遠紫外線區(UVC),300nm~310nm的中紫外線(UVB)可部分吸收,320nm的近紫外線(UVA)則能穿透玻璃。這是因為光子能量較高的UVC可讓玻璃主成分二氧化矽中的電子受到激發(electron excitation)而躍遷至受激態,因此UVC被吸收就無法穿透玻璃。紅外線IR範圍(上圖未畫出)所對應的能量則是在二氧化矽的分子振動範圍(vibrational region),因此也會被部分吸收。正因為可見光正好落在玻璃吸收光譜的空窗區,在這個區段沒有適當的能階可接受光子,因此玻璃才是透明的。

但若以伽瑪射線來照射時,由於光子能量非常高,遠超過二氧化矽分子中的電子游離能,所以電子就會被游離出來而形成自由電子,這種現象稱為康普頓效應。如果伽瑪射線的強度夠高,照射的時間也夠久,那麼游離出來的自由電子數量就會十分龐大。此時基於自由電子的阻擋作用(自由電子可吸收任何可見光波長的光子),就會導致玻璃呈現不透明的黑色。

compton-scattering

 

至於將變黑的玻璃放入高溫爐加熱後又會回復透明,這是因為高溫提高了自由電子的平均熱速率與晶格熱振動的劇烈程度,這有利於原先產生的電子電洞對之復合。類似LED陷阱中心以釋放光能的形式,電子回到價電帶與電洞復合,電子-電洞對於是消失,這種現象稱為熱釋光效應,檢測輻射鋼筋屋所使用的熱發光劑量計 TLD 就是運用這種原理。加熱後一旦自由電子全部回復為共價鍵結狀態,玻璃隨即恢復為透明。

影片中鈷-60旁邊出現的藍光則是先前這篇《淺談微中子振盪》所提及的 契忍可夫輻射

至於鈷-60的應用,商業上會使用做為輻射殺菌用途(註:歐盟和日本禁止輻照食品進口)

在醫療方面,早期的放射治療是用鈷-60來幫癌症病患做治療,但因為鈷-60是放射線核種,放射線強度有衰變的特性(半衰期約5年),加上治療的副作用較大,目前多已淘汰不用而改採高能X光來治療。