第二章 原子和元素
第2章 原子和元素
學習目標
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
描述原子的次原子粒子的結構。
定義「元素」和「原子符號」。
解釋在週期表中元素是如何排列的。
解釋如何利用原子序和質量數而瞭解原子核的組成。
描述同位素之間的差異性。
解釋何謂「莫耳」和描述莫耳數和原子量之間的關係。
定義核輻射和描述放射性同位素放出的四種常見的放射
線。
ƒ 解釋如何控制輻射的暴露量。
2
第2章 原子和元素
2.1 原子
ƒ 十九世紀的早期，英國化學家約翰‧道耳吞 (John
Dalton)首先對原子做科學的描述。
ƒ 依據道耳吞的原子說 (Dalton’s atomic theory)：原
子是構成物質的基本單位。
ƒ 依據現在的理論，物質是由原子組成的，原子可
分割為更小的次原子粒子 (subatomic particles) 叫
做質子 (protons)、中子 (neutrons) 和電子
(electrons)。
ƒ 質子和中子構成原子核 (nucleus)，電子則是以電
子雲方式分佈於原子核外 (圖2.1)。
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第2章 原子和元素
ƒ 原子和次原子粒子的質量通常以原子質量單位 (atomic
mass units, amu) 表示。
ƒ 一個質子或中子的質量大約相當於1 amu。電子的質量比質
子或中子小很多，大約是相當於 1/2000 amu。
ƒ 質子和中子的質量比電子的質量大很多，故原子的質量大
部分集中在由質子或中子構成的原子核。
ƒ 質子是帶正電的粒子，中子是中性的粒子 (不帶電荷的)，
電子則是帶負電的粒子 (表2.1)，原子核 (包含質子和中子)
是帶正電的，繞著原子核運動的電子是帶負電荷。
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
ƒ 質量和電荷量是次原子粒子最重要的兩種特性。
ƒ 一個質子的質量 ＝ 1.673×10-24 克
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
2.2 元素
ƒ 元素 (element)可用來描述僅含一種原子類型的物
質。一個碳原子、鑽石與一片石墨都是由稱為碳
的元素所組成 (圖2.2)。
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
ƒ
元素不經由任何特定的規則命名：
1. 一些元素是依本身的顏色來命名的。碘
「Iodine」的元素名稱是由iodes而來，iodes 的
希臘文是紫羅蘭 (violet) 之意。
2. 有些元素是由發現地來命名的 「Berkelium」
是由發現地加州之柏克萊來命名。
3. 由人名來命名 「鑀：Einsteinium」是由人名
艾伯特愛因斯坦 (Albert Einstein) 而來的 (圖
2.3)。
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
ƒ 原子符號 (atomic symbol)是由元素名稱的一個或二
個字母縮寫得來的 (表2.2)。
ƒ 構成人體大部分質量的四種主要元素為氧 (O)、碳
(C)、氫 (H) 和氮 (N)，約二十幾種元素在人體的化
學上扮演相當重要的角色(圖2.4)。
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第2章 原子和元素
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健康聯結：每日建議允許量
(RDAs)
第2章 原子和元素
ƒ 每日建議允許量 (Recommended Daily Allowances,
RDAs) 是主要元素和微量元素 (圖2.4)、維他命和
其他營養素的每日建議攝取量。
ƒ 每日建議允許量逐漸被比較新的建議量，稱為膳
食營養素參考攝取量 (Dietary Reference Intakes,
DRIs) 所取代。
ƒ DRIs 是以 RDAs 和其他營養規範為基礎而訂定出
來的。
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健康聯結：每日建議允許量
(RDAs)
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第2章 原子和元素
第2章 原子和元素
2.3 原子序和質量數
ƒ 一原子的原子核中的質子數就是原子序 (atomic
number)。
ƒ 一原子之原子核的質子數與中子數的總和稱作質
量數 (mass number)。
ƒ 例如：包含16個質子和16個中子的硫 (S) 原子，其
質量數是32。鋁 (Al) 原子包含13個質子和14個中
子，質量數是27。
ƒ 原子標記 (atomic notation)：原子的原子序是寫在
原子符號的左下角，原子的質量數寫在符號的左
上角。例如：147 N
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
同位素
ƒ 某特定元素的所有原子，必須具有相同的質子
數，但可能具有不同的中子數。故某一元素的原
子具有不同的中子數，則稱為同位素 (isotopes)。
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第2章 原子和元素
ƒ 氫的三種同位素用原子標記法表示：11H 、 12 H
和 13 H，或簡單化的使用元素名稱再接上質量數，
即氫-1 (H-1)、氫-2 (H-2) 和氫-3 (H-3) 來表示。
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
2.4 週期表
ƒ 元素週期表 (periodic table of the elements) (圖2.6)
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
ƒ 元素週期表中包含每個元素的原子符號、原子序
和原子量 (atomic weight )。
ƒ 原子量是該元素存於自然界中所有同位素的相對
含量之平均原子質量。例如：溴在自然界的同位
79
81
素有50% 的 35
Br 和50% 的 35
Br，故溴的原子量接
近80 amu。
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金屬、非金屬和半金屬
第2章 原子和元素
ƒ 元素分成三大類──金屬 (metals)、非金屬
(nonmetals) 和半金屬 (semimetals) (或類金屬，
metalloids)。
ƒ 圖2.6，粗線由硼的左側開始，然後呈鋸齒狀向下
到右側，此粗線兩側區域的元素是介於金屬和非
金屬之間過渡狀態的元素。
ƒ 金屬元素一般位於表中左半邊，非金屬元素 (氫例
外) 是在右半邊。
ƒ 半金屬元素位於粗線兩側的邊界地帶。
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第2章 原子和元素
ƒ 金屬 (圖2.7) 是電和熱的良好導體，金屬固體是具
金屬光澤 (金屬會發亮)、可鍛燒的 (金屬不需切割
就可搗碎) 和具延展性的 (金屬可延展成金屬線)。
ƒ 非金屬的特性不像金屬，它們是電和熱的不良導
體，在固體狀態，它們是不具有金屬光澤和容易
碎裂的。
ƒ 半金屬元素具有介於金屬和非金屬之間的物理性
質，例如矽具有金屬光澤，此性質像金屬，但它
是熱和電的不良導體，此一性質卻像非金屬。
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
族
ƒ 位於週期表中，同一直行的元素是屬於同一族
(groups) 的元素。族的命名可採用羅馬數字由 I 到
VIII並依字母A或B 命名之。
ƒ 鹼金屬 (alkali metals) (IA族)：H、Li、Na、K、
Rb、Cs和Fr。
ƒ 鹼土金屬 (alkaline earth metals) (IIA族) ：Be、
Mg、Ca、Sr、Ba和Ra。
ƒ 鹵素 (halogens) (VIIA族)：F、Cl、Br、I和At。
ƒ 鈍氣 (inert gases) (VIIIA族)：He、Ne、Ar、Kr、
Xe和Rn。
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第2章 原子和元素
ƒ IIIB族：Sc、Y、La和Ac 。
ƒ IA、IIA、IIIA、IVA、VA、VIA、VIIA及VIIIA稱
為典型元素 (representative elements)。
ƒ IB、IIB、IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB及VIIIB稱
為過渡金屬元素 (transition metals)。
ƒ 原子序從58到71 (位於週期表最下面) 是鑭系元素
(lanthanide elements) 和原子序90到103是錒系元
素 (actinide elements)。
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第2章 原子和元素
週期
ƒ 週期表中，同一橫列的元素是屬於同一週期
(period) 的元素。週期表由上而下，由第一週期至
第七週期。
ƒ 「週期」係指同一週期元素的化學性質，會呈現
週期性的變化。原子大小是顯示週期性變化的其
中一個性質。
ƒ 同一週期：由左至右元素的原子大小是愈來愈
小，而同一族的元素，由上而下其原子大小是愈
來愈大。
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第2章 原子和元素
ƒ 金屬和非金屬的性質亦呈現週期性的變化趨勢：
同一週期，位於愈左邊的元素，其金屬性愈高；
位於愈右邊的元素，其非金屬性愈高。
ƒ 第三週期：Na、Mg及Al是金屬，Si是半金屬，而
P、S、Cl及Ar皆為非金屬。
ƒ 同一族元素：由上往下移動，金屬性質逐增。例
如：比較IVA族的元素C、Si、Ge、Sn和Pb的金屬
性質，由上而下遞增，其中C是非金屬，Si及Ge是
半金屬元素，而Sn及Pb是金屬。
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
2.5 莫耳
ƒ 一般使用莫耳 (mole) 來表示原子的計數單位。
ƒ 計數單位 (counting unit) 是等於某特定的數目。一
莫耳相當於6.02×1023 個項目 (圖 2.8)。此數目即為
已知的亞佛加厥數 (Avogadro’s number)。
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
莫耳和質量
ƒ 由樣品的莫耳數可求得其原子數目，亦可利用莫
耳數計算樣品的質量。
ƒ 元素的原子量 (自然界中，該元素之原子的所有同
位素的平均質量，以amu為單位) 是相當於元素一
莫耳的質量 (以克為單位)。例如，鋰的原子量在
取到小數點第一位後是6.9 amu，則一莫耳的鋰＝
6.9克。
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
2.6 放射性同位素
ƒ 在地球上，超過300種以上的同位素已經鑑定出
來。另外超過1000種的人造同位素已被合成出
來。
ƒ 自然界存在的同位素與人造同位素中，有一些同
位素具不穩定的原子核，會自發性地蛻變成為更
穩定的原子並同時釋放出高能量的粒子 (一個或者
一群次原子粒子) 和/或高能量的電磁輻射。
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第2章 原子和元素
ƒ 在原子核的改變中，粒子與能量的釋放均稱為核
輻射 (nuclear radiation)，放出核輻射的原子稱為
放射性同位素 (radioisotopes)。
1
ƒ 氫的三種同位素：1 H 和12 H 是穩定的同位素，不會
放出核輻射，而 13 H 則是一種放射性同位素。
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第2章 原子和元素
常見核輻射的形式
ƒ 放射性同位素通常會發射一個或多個放射線，分
別為以下四種類的放射線：α粒子、β 粒子、正
子與γ射線。
4
ƒ α粒子 (alpha particle) ( 2 α ) 相當於一個He-4原子
( 24 He ) 的原子核，粒子有兩個質子和兩個中子，
並且帶2+電荷的粒子。
ƒ 一個典型的α粒子是以光速的5 ~ 10% 倍由放射性
同位素的原子核發射出來 (表2.4)。
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第2章 原子和元素
ƒ 當放射性同位素發射出一個α粒子，所形成的新
原子會比其原生的原子少二個質子和二個中子。
例如：以下核方程式 (nuclear equation) 所示：
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
ƒ β粒子 (beta particle) ( −10β ) 即為電子，它是由放
射性同位素的原子核，以高達光速的90% 速度射
出 (表2.4)。
ƒ β粒子是快速移動的電子，它的電荷及質量與電
子相同，當β粒子釋放時，形成的新原子會比原
生的放射性同位素多一個質子和少一個中子。例
如：核方程式所示：
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第2章 原子和元素
ƒ β粒子帶1-電荷，因其沒有中子或質子，它的質量
是零。
ƒ 將一個中子視為轉變成一個質子和電子，則此電
子可視為由原子核以β粒子的形式高速射出。
0 +
ƒ 正子 (positron) ( 1 β ) 是質量和β粒子相同的一種
次原子粒子，但電性和貝他粒子相反，是帶1+ 電
荷。
ƒ 正子是由放射性同位素的原子核以高達光速的90%
速度發射出來的粒子。
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第2章 原子和元素
ƒ 藉由釋放一個正子，使新形成的原子核比原生的
放射性同位素少一個質子及多一個中子。例如，
當氟-18 ( 189 F ) 放射出一個正子 ( 10β + ) (圖2.10c)，
並產生新原子氧-18 ( 188O )。
ƒ 第四種放射線的形式是伽瑪射線 (gamma ray)
( 00γ )，它是電磁輻射 (electromagnetic radiation)
的其中一種形式，其能量的傳遞是以波的形式進
行。
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第2章 原子和元素
ƒ 另外較為熟知的電磁輻射種類 (能量由低而高，順
序排列) 是無線電波、微波、紅外線、可見光、紫
外光、x射線和伽瑪射線。
ƒ γ射線是能量非常高的電磁輻射。α、β或正子
輻射的釋放常會伴隨γ射線的釋放。這些粒子當
中的任何一個粒子的釋放都會產生不穩定的新原
子核，此不穩定的原子核重新排列到更穩定的形
式時，多餘的能量會以γ射線的形式釋出 (圖
2.10d)。
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第2章 原子和元素
ƒ 碘-131
) 會放出β射線
的放射性同位素：
131
( 53 I
( −10
β ) 和γ射線 ( γ )
0
0
ƒ 伽瑪射線不帶電荷，又沒有質子或中子，故其質
量為 0。
53
第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
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2.7 放射性同位素在醫學上
的應用
第2章 原子和元素
ƒ 一次暴露於高劑量的核輻射所造成短期的影響是
於幾週內可能由噁心到死亡，視其劑量而定。
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第2章 原子和元素
ƒ 暴露於輻射線的遲發效應包括罹癌的風險及白內
障的增加和突變──精子和卵子細胞的改變，造
成遺傳疾病。
ƒ 背景輻射的劑量大小，依所居住的環境而定。例
如：在巴西、印度和中國地區發現的獨居石
(monazite，含放射性同位素Th-232和Ra-226)，造
成這些地區的背景輻射之劑量高出美國地區的背
景輻射平均劑量的好幾百倍。
ƒ 居住地的海拔決定你固定地受到多少來自外太空
宇宙線的背景輻射。居住的海拔愈高，你上方阻
擋宇宙射線的大氣層就愈少。
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第2章 原子和元素
如何控制輻射暴露量
ƒ 避免暴露在輻射線下的方法是使用適當的屏障物
(阻擋輻射線)。
4
ƒ 2 α 粒子快速的移動，在失去能量之前，只在空氣
中運行4到5 cm，只會稍微穿透周圍的物質 (圖2.13
和表2.4)。手套、衣服甚或一張紙，通常足以阻擋
4
2 α 粒子。
0
4
0 +
β
ƒ −1 粒子和正子 (1 β ) 運行的速度比 2 α 粒子快並
且粒子較小，並能在空氣中，運行超過1 m，故能
穿透較厚的物質。
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
半衰期
ƒ 半衰期 (half-life) 是指樣本中二分之一的原子衰變
(全部裂解) 所需的時間 (圖2.14)。例如，222
86 Rn 形成
218
84 Po 的衰變會釋出α粒子。
ƒ 222
86 Rn 的半衰期為3.8天，意即一開始有2 mg的此放
射性同位素樣本，在經過3.8天後，尚殘留1毫克
的 222
86 Rn。
ƒ 239
94 Pu 也是一種 α粒子的放射體，但其半衰期為
24,000年。
ƒ 放射性同位素用於治療和診斷疾病時，同位素的
半衰期長短需列入考慮的因素。
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
診斷和治療
ƒ 碘-131
) 可以監測甲狀腺的代謝狀態，因為甲
狀腺癌、甲狀腺機能亢進和其他甲狀腺的病症，
會導致甲狀腺吸收 131
53 I 在速率上特有的變化。
ƒ 病患被施予含 131
53 I 物質的一個劑量後，利用輻射
偵測器來測量此放射性同位素在甲狀腺體中的累
積情形 (圖2.15)。
131
( 53 I
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
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第2章 原子和元素
ƒ 放射學家利用鈷-60 (Co) 或銫-137 (Cs) 所發射的
γ 射線來殺死癌細胞 (圖2.16)，但副作用仍然無
法避免。，病患接受密集的輻射治療，會產生掉
髮、噁心、白血球數目減少等副作用。
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第2章 原子和元素
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健康聯結：電腦斷層掃描 (CT)
和正子發射斷層掃描 (PET) 造影
ƒ x 射線是電磁輻射的一種形
式，它的能量比伽瑪射線略
小一些。
ƒ 醫學上，x 射線的使用是將
病患安置在 x 射線的光源和
底片之間，x 射線依各類組
織吸收不同的範圍，而且只
有x-射線通過的那些組織才
會顯示在底片上 (圖2.17)。
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第2章 原子和元素
健康聯結：電腦斷層掃描 (CT) 和
正子發射斷層掃描 (PET) 造影
ƒ 有些物質會完全阻擋x射線，
故可使用能形成對照的媒介
使特定的結構突顯出來，例
如，含鋇物質通常以口服或
灌腸方式進入人體，有助於
仔細觀察腸胃道的情形。
ƒ 斷層掃描是產生各種二維空
間影像的一組技術，電腦斷
層 (CT)，亦為熟知的電腦軸
切斷層影像 (CAT) (圖2.18)。
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第2章 原子和元素
健康聯結：電腦斷層掃描 (CT) 和
正子發射斷層掃描 (PET) 造影
第2章 原子和元素
ƒ 正子發射斷層掃描 (positron emission tomography,
PET) 是利用可產生正子的放射性同位素，如碳11，將其引入人體而產生影像。
ƒ 正子發射斷層掃描 (PET) 通常使用在新陳代謝的
研究上，如監控胺基酸代謝的情形，首先給病患
服用含有碳-11 (C) 的甲硫胺酸 (methionine)，正子
發射斷層掃描 (PET) 可偵測出甲硫胺酸在腦部變
化的情況，以決定病患的腦部功能 (圖2.19)。
72
健康聯結：電腦斷層掃描 (CT) 和
正子發射斷層掃描 (PET) 造影
73
第2章 原子和元素
第2章 原子和元素
ƒ 使用高劑量的核輻射來處理郵件，可殺死炭疽
菌，所使用的放射性同位素是一不穩定的鈷-60
60
( 27
Co )原子，其於進行衰變反應時，會產生β粒
子和γ射線，γ射線的能量足以殺死炭菌。
74