「輻射+化學」：輻射普拉斯

趙自強

長庚大學 放射醫學研究中心
Email: chaot@gap.cgu.edu.tw

摘要：本文探討游離輻射在科學與應用領域的多元結合與影響。從居禮夫人與倫琴的開創性研究談起，說明輻射如何成為現代物理、化學與醫學發展的重要推手，進一步延伸至癌症治療、太空科技、動物臨床研究與安全標誌設計等實際應用。輻射本無絕對的好壞，關鍵在於其使用方式與風險管理。透過「+」的觀點，本文強調輻射加上跨領域的整合應用，不僅能帶來創新突破，也具備教學與社會溝通的潛力。文中亦介紹臺灣在質子治療與輻射模擬平台上的進展，展現我國在放射科學與產業應用的實力。輻射是一把雙面刃，既蘊藏風險，也蘊含機會，唯有秉持科學倫理與安全原則，才能善用輻射帶來的正向價值，造福人類社會。

• 前言

輻射普拉斯這個題目，輻射很好理解，指的是游離輻射，游離輻射是指能量足以將原子或分子游離，也就是把原子中的電子擊出，使其成為自由粒子與正離子的輻射(Lechner, 2018)。常見的游離輻射包括X光、γ射線、α粒子、β粒子、質子、重離子和中子等。由於其具有高能量，游離輻射可與生物組織發生作用，引發細胞損傷或遺傳物質破壞，因此在醫療、核能與科研應用上，必須嚴格控制曝露量並落實防護措施。

普拉斯指的是「+」，此符號常常有一個更好的涵義，例如A+代表比A更好，C++代表比C更好的語言。然而，輻射本身沒有好壞之分，關鍵在於「如何使用」。用得對，它可以用來診斷疾病、治療癌症、保存食品、監測設備、探索宇宙；但若濫用或疏忽管理，則可能造成傷害甚至災難。就像電與火一樣，都是人類生活中不可或缺的能量來源，妥善運用就能造福社會，用錯了就會釀成風險。

因此，本文題目之「+」，並不是指更好的輻射，而是當游離輻射加上一個不同的應用，可能帶來教學研究的機會，或給人類帶來更美好的生活，這些種種源自於游離輻射的發現。

• 居禮夫人與輻射的發現

瑪麗・居禮（Maria Curie，圖1左）是近代科學史上最具代表性的女性科學家之一，其科研歷程與對輻射的發現對物理、化學與醫學領域產生深遠影響。她於1891年前往法國巴黎就讀索邦大學 (Sorbonne University)，展現卓越的數理能力，並與物理學家皮耶・居禮(Pierre Curie)結為伴侶及研究夥伴(Rockwell, 2003)。1896年，居禮夫婦延續安東尼・亨利・貝克勒爾(Antoine Henri Becquerel)對鈾放射性的研究，發現天然礦石中存在放射性更強的未知物質。他們透過電荷測量與化學分離實驗，成功分離出兩種新元素：釙(polonium)與鐳(radium)，奠定放射性研究的基礎。1903年，兩人與貝克勒爾共享諾貝爾物理學獎；1911年，瑪麗再度因研究鐳的化學性質獲得諾貝爾化學獎，成為史上首位兩度獲獎者。她的研究不僅揭示原子內部結構的奧秘，也促成放射線在醫學診斷與治療上的應用，對後世科學與社會發展產生重大貢獻。

鐳屬於第2族鹼土金屬，化學性質類似鋇（Ba），具高反應性，能與水劇烈反應產生氫氣與氫氧化鐳。最常見的同位素為Ra-226，半衰期長達1600年，會進行α衰變並產生氣態的氡（Rn），具高度放射性。20世紀初鐳廣泛應用於癌症治療與發光錶面，但由於輻射防護意識不足，造成工人（如「鐳女孩」(Gunderman & Gonda, 2015)）罹患骨癌、貧血等傷害，現已被其他放射源所取代，僅用於科研與歷史教育。

釙是由居禮夫婦於1898年從鈾礦中首次分離出的放射性元素，化學性質與碲（Te）相似。釙最重要的同位素為Po-210，為強烈的α粒子發射源，具有高揮發性與劇毒性，進入人體後會集中於肝臟、骨髓並造成嚴重輻射傷害。雖然Po-210可應用於靜電消除器與太空探測器的微型放射電源，但因其高毒性與放射性風險，目前多用於實驗研究與輻射防護訓練中。

釙與鐳的發現不僅開啟了放射化學的研究，也促進了醫學影像與治療的發展。這兩種元素都屬於天然放射性核種，具有高度學術與教育價值，有助於提升科學素養與風險意識，亦能激發對放射線科技與科學倫理議題的關注。

威廉・倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen，圖1右)更比居禮夫婦早些年發現游離輻射，他是一位德國物理學家，以發現X射線聞名於世。1895年，他在實驗陰極射線管時(圖3左)，偶然發現一種肉眼無法見的「看不見的光」，可穿透紙張與薄金屬，並使螢光屏發亮。他最著名的成果是拍攝了世界上第一張人體X光影像——他妻子手部的骨骼與戒指(圖3右)，這項突破為醫學診斷開啟全新視野。倫琴並未為此發明申請專利，反而開放全球使用，展現其科學家的道德胸懷。他於1901年成為第一屆諾貝爾物理學獎得主，肯定其在新型輻射研究上的開創性貢獻。倫琴的發現促進了放射物理學、醫學影像與現代診斷學的發展，也奠定後續居禮夫人、貝克勒爾等人對放射性元素研究的基礎。他是一位將實驗觀察與理論推論完美結合的典範，其對科學與人類健康的貢獻影響深遠。

圖1：居里夫人(左)；威廉·倫琴(右)

• 輻射 + 標誌

現今常見的輻射警告標誌（三葉形符號）源自1946年美國加州大學柏克萊分校的輻射實驗室。當時研究人員為了標示放射性物質的危險性，設計出一個三葉向外擴散的圖樣，象徵放射線自中心源頭發散。最初此標誌採用粉紅色圖案搭配白色底色，因粉紅色在當時顯眼且不易與其他符號混淆。隨著國際標準的建立，現今通用版本改為黃色背景配黑色三葉圖案，更具警示效果。此符號廣泛應用於醫療、核能、工業與太空等領域。

然而，為了更有效傳達「此處有潛在輻射危險」的訊息。讓不同歷史、文化背景的人即便不了解放射線的原理，也能看到符號也能立即意識到風險，2007年國際原子能總署進一步推出補充標誌，加入紅底、骷髏與逃跑人形等圖像，用於高度危險源的容器。放射線標誌不只是科學符號，更體現了風險溝通與安全設計的整合，是核子時代最具代表性的視覺語言之一。

圖2：輻射警告標誌的演進

• 輻射 + 物理/化學/醫學

自19世紀末放射性被發現以來，輻射成為推動現代科學發展的關鍵力量，廣泛應用於物理、化學與醫學三大領域。在歷屆諾貝爾獎得主的研究成果中，輻射技術不僅展現其基本科學意涵，更反映其對人類健康、能源、材料與生命科學的革命性影響。

威廉・倫琴於1901年成為第一屆諾貝爾物理學獎得主，肯定其在輻射研究上的開創性貢獻。之後，在物理領域，1903年諾貝爾物理學獎頒給亨利・貝克勒爾與居禮夫婦，肯定他們對天然放射性的發現與量測方法建立，開啟原子物理與核子物理的研究時代。1935年詹姆士・查德威克 (James Chadwick) 因發現中子而獲獎，這一粒子成為核分裂理論與核能應用的基礎。1944年，奧托・哈恩 (Otto Hahn) 的鈾核分裂實驗則促成核能與武器發展，也使人類對輻射風險有了深刻反省。

在化學領域，1911年瑪麗・居禮因成功分離鐳與釙，揭示放射性元素的化學性質，榮獲諾貝爾化學獎。此後的放射化學研究推動了同位素標定技術、核反應合成與新元素的發現。1960年，美國科學家威拉得·法蘭克·利比 (Willard Frank Libby) 因建立碳-14放射性定年法而獲化學獎，為考古與地球科學提供了可靠的年代測定工具。

在醫學與生理學領域，輻射應用改變了人類對健康與疾病的認識與處理方式。1927年赫爾曼・穆勒 (Hermann Müller) 因證明X射線可誘發遺傳突變而獲獎，奠定輻射生物效應與癌症成因的理論基礎。1946年，美國放射生物學家赫爾曼·約瑟夫·馬勒 (Hermann Joseph Muller) 進一步揭示DNA損傷與輻射劑量的關係。2001年，李察・蒂姆・亨特 (Richard Timothy Hunt) 等人獲得醫學獎，研究細胞週期與DNA修復機制，促進放射線治療（如質子或重離子治療）的精準化與個人化。

此外，正子斷層掃描（PET）則結合放射性同位素與分子影像技術，讓臨床醫師可追蹤腫瘤或神經疾病的生理變化。2003年諾貝爾醫學獎表彰針對MRI (Magnetic Resonance Imaging)原理與應用的研究，也進一步擴展了非侵入式影像診斷的安全性與解析度。

從這些科學家的研究歷程可見，輻射不僅是一種物理現象或能量型態，更是促進跨領域合作與創新的核心技術。它既可用於破壞腫瘤細胞，也可能對健康造成風險，突顯科學倫理與風險溝通的重要性。未來，隨著粒子加速器、核醫材料與太空輻射模擬技術的進步，輻射科學將持續為能源、健康與材料科學開創新局，為人類生活帶來更多可能。

圖3：左側為倫琴於1895年拍攝的第一張X光影像，顯示其妻子手部骨骼與戴著的戒指；右側為X光管示意圖，描繪電子自陰極發射，經高電壓加速後撞擊陽極金屬靶產生X射線。此原理奠定現代醫學影像技術的基礎。

• 輻射 + 治療

1899年，瑞典醫師塔格・謝爾根 (Tage Sjögren) 成為最早嘗試以X光治療癌症的先驅之一。在倫琴於1895年發現X光僅四年後，謝爾根便開始將這種新型輻射應用於皮膚癌與狼瘡性結節病患的治療。他透過局部、控制劑量的X光照射，觀察到腫瘤明顯縮小與症狀改善的成效。這項成果雖然在技術上仍屬初期階段，但卻提供了放射線可用於「治療」而非僅作影像診斷的關鍵證據。謝爾根的臨床實驗被視為現代放射腫瘤學的雛形，開啟了以輻射治療癌症的新紀元。

放射治療是利用高能輻射破壞癌細胞的治療方式，已成為現代癌症治療的三大主軸之一，與手術、化學治療並列。傳統放射治療以光子為主，雖能有效殺死癌細胞，但同時也會影響周圍健康組織，可能引發不良副作用。隨著科技進步，質子治療因具備優越的劑量分佈特性，逐漸成為放射治療的新趨勢。本期另有四篇文章描述質子治療的發展與其在醫學影像、輻射生物、微劑量學的研究發展。

質子治療的原理是利用質子在人體內沉積能量的布拉格峰 (Bragg peak)效應，能將最大劑量集中於腫瘤位置，顯著降低對周圍正常組織的照射傷害，尤其適用於兒童癌症、顱底腫瘤及難以手術的深部腫瘤。臨床研究顯示，質子治療在降低復發率、減少併發症、提升生活品質等方面均具優勢。

臺灣自2015年長庚紀念醫院設立首座質子治療中心以來，粒子治療逐漸普及。目前已啟用的治療中心包括林口長庚、高雄長庚、台北醫學大學、臺北榮總(碳離子)、中國醫藥大學附設醫院、與台大癌醫中心，建置中者如彰化基督教醫院等等。各中心採用不同機型與配置，包括Sumitomo、IBA ProteusONE與Varian Probeam360等，提供1至4條治療光束軌道。根據統計，長庚醫療體系由2015至2024年中已累積治療超過7,500名病患，適應症涵蓋頭頸癌、乳癌、肝癌與肺癌等。

整體而言，質子治療在臺灣的快速發展，不僅擴大癌症治療的選擇，也帶動影像導引、劑量優化、生物標靶追蹤等技術的進步。未來隨著個人化精準醫療的深化，結合生物影像的質子治療可望成為癌症放療的新標準，為患者提供更安全、有效與客製化的治療方案。

• 輻射 + 動物

動物在輻射臨床前研究中扮演重要角色，主要用於探討放射線對生物體的影響機制、治療效果與安全性。這些研究通常利用動物模型（如小鼠、大鼠、犬、貓等）模擬人體疾病狀態，評估新型放射線治療策略的有效性與潛在風險。臨床前實驗可觀察腫瘤對不同劑量與粒子類型（如質子、重離子）的反應，並分析放射線對特定器官（如腦、肺、肝、骨髓）造成的急性或慢性影響，是推動精準放療與生物標靶治療設計的基礎。在此應用下，正子攝影（Positron Emission Tomography, PET）、單光子電腦斷層（Single-Photon Emission Computed Tomography, SPECT）與磁振造影（MRI）等多模態影像技術可用於追蹤腫瘤代謝變化、血流分布與治療反應。其中，正子影像能顯示腫瘤缺氧、細胞增殖或DNA損傷等生物特徵，成為評估放射線效果與劑量設計的重要依據。結合即時影像與病理驗證，寵物模型不僅能驗證放療新技術的可行性，也有助於推動人醫與獸醫放射治療的跨界合作，發展更貼近臨床需求的治療策略。

近年來，寵物影像學的引入為輻射研究開啟新方向。犬與貓等中大型哺乳動物與人類在生理、腫瘤發展與治療反應上更為相似，成為介於小動物實驗與人體試驗之間的「轉譯研究橋梁」。許多臨床前放射治療計畫開始納入患有自然發生腫瘤的犬貓病患，利用臨床級放射線設備（如質子治療機、影像導引系統）進行治療，同步搭配影像追蹤、組織分析與長期觀察，提供極具臨床價值的資料。

從經濟面來看，寵物治療已成為一個潛力龐大的醫療服務市場。隨著全球飼養犬貓等伴侶動物的家庭逐年上升，飼主對寵物健康的關注也趨於人性化與高端化，願意投資先進醫療（如放射影像診斷、放射治療）的比例大幅提升。這樣的市場需求推動獸醫腫瘤學快速發展，投入放射影像與治療設備於寵物醫療不再僅止於科研用途，也具備商業可行性。因此，結合臨床前輻射研究與寵物醫療市場，不僅可加速新療法的發展與驗證，亦符合現代社會對動物福祉與高品質照護的期待。透過寵物經濟的支持，其輻射醫學研究正朝向更具實證性、轉譯性與產業價值的方向邁進。

許多患有自然發生性腫瘤的寵物病患，如犬隻的鼻腔癌、腦瘤與骨肉瘤，與人類癌症在生物學行為、放射反應與病程發展上高度相似。透過這些寵物個體進行放射治療臨床前驗證，科學家能收集與人體更接近的治療效應與毒性資料，彌補傳統小鼠模型的不足。相對於人類臨床試驗面臨的倫理與招募困難，寵物病患提供了一個高價值、具真實世界參考性的轉譯研究平台。

• 輻射 + 太空環境/電子可靠度

太空是一個充滿遊離輻射的環境，包括宇宙輻射與太陽風，由質子、電子、重粒子…組成，對太空機電、材料與人體帶來了顯著風險(Simonsen et al., 2020)。由於半導體技術日新月異，台灣也在半導體先進製程居於國際領先地位。隨著元件體積所小，其輻射敏感性急劇增加。自動化系統與AI平臺都必須有對輻射損傷有足夠的耐受力(Balasubramanian & Maskell, 2023; Kochendarfer & Pabst Jr, 1971)。

電子元件的輻射損傷可分為三種：例如單一事件效應(Chiang et al., 2021; Dodd et al., 2004; Liu et al., 2023)，是指單一高線能粒子擊中電子元件的空乏區，產生電流造成資料錯誤，可能導致系統誤推、動作異常、甚至電路燒毀；總游離劑量效應，多半發生在氧化層，使元件逐漸遠離其動態設計範圍最後導致失效；位移損傷，發生在所有晶格，因為晶格位移損傷造成能階改變，並改變半導體電性(Poulin & Bourgoin, 1980)。這些損傷是太空安全系統設計之基礎，為了準確預測這些效應，必須依靠成熟的計算模型。

長康大學與日本富山高級專門學校合作，建立了「PTSIM-Space」太空環境模擬平臺，用於預測分析太空輻變對電子元件與人體的影響。該平臺添加了元件模擬、對應模擬及LET資料量等功能，也展開了對電子元件細節的模擬。此系統基於GEANT4 (GEometry ANd Tracking, V4) (Agostinelli et al., 2003)，能模擬不同輻射對半導體、人體、動物、材料的輻射損傷。從而推動我國在太空安全與先進製程設計上的發展，進一步與國際接軌。

於太空中作業的人類，還對輻射劑量特別敏感。更多的研究顯示，不僅是骨質減少、視力變化、記憶力衰退等。對於未來的月面移民、火星人類任務，都必須建立太空人輻射劑量與健康風險的評估與管理方案。PTSIM-Space也有模擬人類與動物在太空環境曝露劑量的評估功能。

此外，該系統也考量材料降解模擬(Garoli et al., 2020; Olano-García & Montero, 2020)。成熟的材料是達到太空變環機車作業長期維持緊急機能的重要之一。

• 輻射 + 傷害

2011年美國西維吉尼亞州一間醫院就因腦部CT(computed tomography)過度曝光，導致數十名病患接受到超量輻射，引發輿論關注與監管機構的調查。該事件突顯醫療輻射曝露風險絕非理論，而是真實存在的危害。

輻射傷害是指人體受到過量游離輻射（如X光、γ射線、質子、重離子等）曝露後，產生的組織傷害或生理異常。這些輻射會對細胞造成直接或間接傷害，例如直接打斷DNA雙股結構，或透過水分子產生自由基，進而破壞細胞內的重要蛋白質與遺傳物質(Incerti et al., 2010)。

根據曝露時間與劑量不同，輻射傷害可分為急性與慢性兩類。急性輻射傷害常見於大量短時間曝露，例如核災現場或醫療事故，可能出現噁心、嘔吐、掉髮、皮膚潰爛、造血功能抑制等症狀。若劑量過高，更可能導致死亡。慢性傷害則可能在多年後發生，包括白內障、不孕、免疫功能下降，甚至癌症或基因突變等長期影響。

為了保障人員健康，輻射安全的核心原則是「合理可行最小化曝露」。醫療院所或研究機構需配備個人劑量計，監控輻射工作人員的劑量累積情況；定期接受職業健康檢查，並安排輪值與休息時間，以降低長期累積風險。

針對職業曝露而言，台灣《游離輻射防護法》已針對放射線工作人員訂有明確規範。例如全身年劑量不得超過20毫西弗，孕婦輻射工作人員更需調整工作崗位以保護胎兒健康。相關單位如原能會、勞動部等亦有持續修訂技術指引，落實源頭管理與事後追蹤。

若發生核災或輻射外洩事件，例如福島核災、車諾比事件，則需立即啟動「去污」與「管制區設置」措施，並依情況進行人員撤離、碘片服用、全身污染監測等作業。在台灣，原能會與衛福部、消防署已有制定緊急應變計畫，各地也會定期舉辦演練，以強化災害應變能量。

總之，輻射是一項可怕但可控的有用工具，只要遵守防護原則、落實教育訓練與制度管理，不論在醫療、工業、科研或太空領域，輻射應用都能達到「高效、低風險」的平衡點，為人類社會帶來實質助益而不致造成危害。

• 結語

輻射沒有好壞之分，關鍵在於我們怎麼用。從診斷疾病、治療癌症，到探索宇宙、發展新材料，輻射在各領域的應用早已深植人類生活。然而，每一項科技進展的背後，也提醒我們需謹慎面對潛在風險、強化防護機制、維持科學倫理，才能讓輻射有更多應用，物理、化學、醫學、生物與太空等不同場域，展現其廣泛的應用潛力與教育價值。長庚大學放射醫學研究中心將把握這些跨領域議題，啟發學生對科學的興趣與風險意識，讓輻射不只停留在教科書或實驗室，而是成為理解自然、造福社會的橋梁。未來，期待臺灣能持續發揮研究能量與產業優勢，培育出能在輻射科學與應用領域中，結合理性與人文關懷的新世代人才。

• 參考資料

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