방사성붕괴-가상실험

 

 

1. 원자핵의 표현
  - 원자 번호(Z)：원자핵 속에 들어 있는 양성자수
  - 질량수(A) : 원자핵 속에 들어 있는 양성자수와 중성자수의 합
           질량수(A)=양성자수(Z)+중성자수(N)

  - 동위 원소 : 양성자수는 같지만 중성자수가 다른 원소로, 화학적 성질은 같으나 물리적 성질은 다르다.

    

 

2. 핵반응：핵이 분열하거나 융합하는 것을 말하며, 반응 전과 후 전하량과 질량수가 보존된다. 분열하거나 융합하는 과정에서 반응 전의 질량의 총합보다 반응 후의 질량의 총합이 작다. 이를 질량 결손이라 하고, 질량 결손에 해당하는 에너지가 방출된다.

① 핵반응식：원자핵 A와 B가 반응하여 원자핵 C와 D가 되었을 때 핵반응식은 다음과 같다.

 

  (전하량 보존 : w+x=y+z, 질량수 보존 : a+b=c+d)

 

② 질량결손(Δm)：반응 전 질량의 총합에서 반응 후 질량의 총합을 뺀 것을 질량 결손이라 하고, 아인슈타인의 질량·에너지 등가 원리에 따라 방출되는 에너지는 다음과 같다.

 

 

3. 핵변환과 방사선
 - 핵변환：불안정한 원자핵이 자발적으로 핵자의 조성을 바꾸면서 안정한 원자핵으로 변환되는 것을 말하며, 이 과정에서 방사선인 α(알파)선, β(베타)선, γ(감마)선을 방출한다. 이러한 원자핵을 갖고 있는 원소를 방사성 원소, 방사성 원소를 포함하고 있는 물질을 방사성 물질, 방사선을 내는 성질을 방사능이라고 한다.

 - 방사선의 종류：불안정한 원자나 원자핵이 안정한 상태로 변환되며 내놓은 입자나 전자기파를 방사선이라고 한다. 대표적인 방사선으로는 α선, β선, γ선 등이 있다.

 

종류	본질	전하량	투과력
α선	헬륨원자핵	+2e	약하다
β선	전자	-e	보통
γ선	전자기파	0	강하다

 

 

 

 

가. 알파붕괴

 알파붕괴(Alpha decay)는 방사성 감쇠의 일종이며, 원자핵이 알파 입자를 방출하면서 질량수가 4가 감소하고 또한 원자번호는 2가 감소하는 과정이다.

예를 들어 우라늄이 알파붕괴를 통해 토륨이 되는 과정은 다음과 같다.

 

 

 

 

나. 베타붕괴

일반적으로 불안정하고 무거운 방사성원소와 같은 원자핵이 중성자에서 양성자로 또는 양성자에서 중성자로 바뀌는 현상을 의미한다. 일반적으로 원자핵속의 중성자는 안정되어 있으나, 양성자의 수에 비해 중성자의 수가 더욱 많으면 원자핵 속의 중성자가 베타붕괴를 일으켜 양성자로 바뀐다. 이때 전자가 발생하는데 이러한 전자가 β선이다. 이러한 베타붕괴는 음의 베타붕괴(β-)와 ​양의 베타붕괴(β+)가 있으며, 이와는 별도로 전자포획이라는 원자핵의 붕괴과정이 또 있다.  대표 반응식은 아래와 같다.

 

 - 음의 베타붕괴(β-)

 

   음의 베타 붕괴에서는, 다음과 같이 약한 상호작용에 의해 중성자(n0)가 양성자(p+)로 바뀌면서 전자(e-)와 전자 반중성미자()를 방출하게 된다.

 

 

 

 - 양의 베타 붕괴 (β+)

    양의 베타 붕괴에서는 양성자가 에너지를 흡수하여, 다음과 같이 중성자로 바뀌면서 양전자(positron; e+)와 전자 중성미자()를 방출하게 된다.

 

 

 - 전자 포획

    어떤 원자핵종이든, 결합 에너지의 차이가 충분하여 양의 베타 붕괴를 일으킬 수 있다면 전자 포획도 역시 가능해진다. 전자 포획에서는 다음과 같이 원자를 구성하는 전자를 핵이 "잡아먹으면서" 중성미자를 방출하게 된다. 물론 전자 포획이 일어나기 위해서는 원자핵 주위에 전자 껍질이 조금이라도 있어야 가능하다.

 

다. 감마붕괴

 

 감마붕괴는 알파나 베타붕괴와 달리 전하가 개입되어 있지 않다. 이것은 원자가 낮은 상태로 떨어지면서 광자를 방출하는 과정과 같으나 관련 에너지가 MeV 정도로 매우 크다는 차이가 있다. 핵의 에너지 준위는 앞서 껍질모형에서 다룬 것처럼 하나의 양성자나 중성자에 의한 것일 수도 있지만 보다 일반적으로는 많은 핵자들이 종합적으로 관여하여 감마붕괴를 거치면서 이들은 복잡하게 재배치된다.