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방사성의 방출 성질

저절로 일어나는 방사성 붕괴에서 가장 흔하게 방출되는 것은 알파(α) 입자, 베타(β) 입자, 감마(γ)선, 중성미자이다. 알파 입자는 실제로 2개의 양전하를 지닌 헬륨-4(⁴He) 원자핵이다. 중성의 헬륨은 핵 외부에 2개의 양전하와 균형을 이루는 전자 2개를 가지고 있다.베타 입자는 음으로 하전되어 있는 전자(음의 베타, 기호 e^－)일 수도 있고, 양으로 하전되어 있는 양전자(양의 베타, 기호 e^＋)일 수도 있다(음의 베타[β^－] 입자는 원자의 궤도전자와는 아무런 관련없이 실제로 베타 붕괴중에 핵 안에서 생성된 전자임).

양전자는 전자의 반입자로 여겨지고 있다.

왜냐하면 두 입자가 서로 합쳐지면 서로 소멸되기 때문이다. 감마선은 전파·빛·X선과 같은 전자기파이다. 베타 방사능은 중성미자(ν)와 반중성미자를 만들어내기도 하는데, 이 입자들은 전하가 없으며 정지질량을 가지고 있지 않다.

핵분열 파편, 중성자, 양성자가 방출되는 방사능의 형태도 있는데, 이러한 방사능은 흔하지 않다. 핵분열 파편 자체는 보통 어미핵의 전하 Z와 질량 A의 1/3~2/3를 가지고 있는 복합핵이다. 중성자는 자유로운 상태에서 오랫동안 존재하지 못한다.

이것은 물질 속의 핵에 의해서 빠른 속도로 포획된다. 그렇지 않을 경우 중성자는 반감기가 12.8분인 음의 베타 붕괴를 하여 양성자·전자·반중성미자를 생성한다. 양성자는 보통 수소의 원자핵이고 안정하다.

유형

알파 붕괴

알파 붕괴에서는 고에너지의 헬륨 이온(알파 입자)이 방출되고, 어미핵보다 원자번호가 둘 적고 원자량이 넷 적은 딸핵이 남는다.

예로는

우라늄의 동위원소 우라늄-238(²³⁸U)이 토륨 딸핵과 알파 입자를 낳는 붕괴가 있다.

이 식과 뒤에 나오는 식에서 Q는 방출된 에너지이고 t_1/2은 반감기이다. 유의해야 할 것은, 모든 반응에서 원소기호의 아래첨자로 표시한 양성자수와 원소기호의 위첨자로 표시한 원자량은 화살표의 양쪽에서 각각 균형을 이루고 있다는 사실이다.

음의 베타 붕괴

음의 베타 붕괴, 즉 전자 방출에서는 고에너지의 전자가 방출되는데 이때 원자번호는 하나 더 증가하고 원자량은 같은 딸핵이 생성된다.

예로는

이와 같이 우라늄의 붕괴 생성물인 토륨-234(²³⁴Th)가 프로트악티늄-234(²³⁴Pa)로 되는 붕괴과정이 있다.

여기서 v는 반중성미자를 나타낸다(상대성 이론에서는 입자는 E=mc²에 따라 전체 질량 m을 가지고 있다. 여기서 c는 광속이고 E는 전체 에너지이다. 대부분의 입자는 고유한 정지질량, 즉 움직이지 않을 때의 질량 m₀을 가지고 있다.

중성미자와 반중성미자의 정지질량은 0이다. 따라서 그것들은 항상 광속으로 움직일 수밖에 없음).

감마 붕괴

세번째 유형의 복사인 감마선은 보통 알파·베타 붕괴에 수반된다.

감마선은 광자들이고, 정지질량이나 전하를 가지고 있지 않다. 알파 붕괴나 베타 붕괴는, 감마선을 방출하지 않고 단순하게 딸핵의 바닥상태로 직접 진행할 수도 있지만, 전체적으로 또는 부분적으로 딸핵의 에너지가 더 높은 상태(들뜬 상태)로 진행할 수도 있다. 후자의 경우 들뜬 상태의 핵이 감마선을 방출하면서 동일 핵의 보다 낮은 에너지 상태로 전이된다.

이성핵 전이

감마선 방출과정의 반감기는 상당히 넓은 범위에 걸쳐 있다.

감마선 방출 반감기가 10^－9초보다 클 경우, 들뜬 핵은 준안정 상태 또는 이성핵 상태에 있다고 한다. 그리고 이 붕괴는 보통 이성핵 전이로 분류된다. 이성질체의 예는 ²³⁸U붕괴 사슬의 ²³⁴Pa의 핵에서 발견된다.

질량수 뒤에 나오는 m은 준안정 상태를 나타내고 이성핵임을 표시한다.

양의 베타 붕괴

1930년대에 핵반응의 인공 생성물 중에서 새로운 유형의 방사능이 발견됐는데, 이것은 양의 베타 붕괴, 즉 양전자 방출과 전자 포획이었다.

양의 베타 붕괴에서는 중성미자와 함께 고에너지의 양전자가 생성되어 방출되는데, 핵은 원자번호가 하나 적고 질량수는 같은 딸핵으로 변환된다. 예를 들면 탄소-11(¹¹C)은 다음 식과 같이 양전자 하나와 중성미자 하나를 방출하면서 붕소-11(¹¹B)로 붕괴한다.

전자포획

전자포획은 핵에 의해서 궤도전자가 포획되어 일어나는 붕괴과정이다.

이것은 핵이 원자번호가 하나 적은 딸핵으로 변환한다는 점에서 양전자 방출과 비슷하다. 그러나 전자구름으로부터 궤도전자가 핵에 의해서 포획되어 소멸당하고, 이어서 빈 궤도가 다른 전자에 의해서 채워짐으로써 X선이 방출된다는 점에서 양전자 붕괴와 다르다. 예를 들면 내부전자 중의 하나를 포획해 리튬-7(⁷Li)을 생성하는 베릴륨-7(⁷Be) 핵이 있다.

자발적 핵분열

또다른 유형의 방사능은 자발적 핵분열이다.

이 과정에서 핵은 질량이 어미핵의 절반 정도인 2개의 파편 핵으로 분할된다. 이 과정은 우라늄에서는 알파나 베타 붕괴에 비해서 드물게 감지되지만, 페르뮴-256(²⁵⁶Fm) 같은 무거운 인공핵의 경우에는 주요한 방사성 붕괴 유형이다. 붕괴식은

과 같다.

이 식에는 여러 개의 생성물 중에서 하나만 나와 있다. 이 동위원소의 핵분열에서는 몇 개의 중성자가 항상 방출되는데, 이는 연쇄반응에 필수적인 것이다. 자발적 핵분열을 핵반응로 속에서 일어나는 유도된 핵분열과 혼동해서는 안 된다. 우라늄-235 ²³⁵U, 플루토늄-239(²³⁹Pu), 다른 동위원소들은 느린 중성자를 흡수하여 핵분열하는 성질을 가지고 있다. 핵분열을 시작하기 위해서 중성자를 포획해야 한다는 것 외에 유도된 핵분열은 방출된 총에너지, 2차 중성자의 수 등과 관련해서 자발적 핵분열과 매우 비슷하다.

양성자 방사능

1970년에 발견된 양성자 방사능은 코발트-53의 들뜬 이성질체 상태(^53mCo)에서 나타난다.

그중에서 1.5％는 양성자를 방출한다. 붕괴식은

과 같다.

위에서 서술한 유형의 방사능 외에 드물게 나타나는 특수한 베타 붕괴가 있다.

이 과정에서 베타 붕괴는 부분적으로 높은 들뜬 상태의 딸핵을 만드는데, 이 상태는 무거운 입자를 빨리 방출한다.

특수 베타 붕괴 과정

그러한 과정 중의 하나는

과 같은 베타-지체 중성자 방출이다(*표는 수명이 짧은 산소-17(¹⁷O)의 중간 들뜬 상태를 나타내고, Emax n은 방출된 중성자에서 관측된 최대 에너지를 나타냄).

핵분열에 이어서 소량의 지체 중성자 방출제가 형성되는데, 이 방사능은 기계적으로 움직이는 제어봉으로 핵반응로를 조절할 수 있도록 적당한 반응시간을 제공하는 중요한 역할을 한다.

중이온 방사능

1980년 A. 산둘레스쿠 등은 알파 붕괴와 자발적 핵분열의 중간의 유형으로 무거운 핵이 붕괴할 가능성을 암시하는 계산결과를 발표했다.

중이온 방사능에 대한 최초의 관측은 1984년 H.J. 로즈와 G.A. 존스에 의해서 이루어졌는데, 그들은 라듐-223(²²³Ra)에서 탄소-14(¹⁴C)가 방출되는 것을 확인했다. 여기서 ¹⁴C 붕괴와 알파 붕괴의 비는 약 5×10^－10이다(중이온).

산출

일부 방사성 핵종은 지구에서 자연적으로 생겨난다. 몇 가지 핵종은 별에서 원소들이 생성된 이후의 기간(약 6×10⁹년)에 비교될 만큼 긴 반감기를 가진다. 따라서 그것들은 별에서 생성된 후에 붕괴되지 않았다. 이 가운데 가장 중요한 것은 ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th이다.

또 포타슘-40(⁴⁰K)도 있는데, 이것은 조직의 포타슘 속에 들어 있기 때문에 인체가 방사선을 복사하는 주된 원천이다. 또한 베타 방출제인 바나듐-50(⁵⁰V), 루비듐-87(⁸⁷Rb), 인듐-115(¹¹⁵In), 텔루-123(¹²³Te), 란타넘-138(¹³⁸La), 루테튬-176(¹⁷⁶Lu), 레늄-187(¹⁸⁷Re), 그리고 알파 방출제인 세륨-142(¹⁴²Ce), 네오디뮴-144(¹⁴⁴Nd), 사마륨-147(¹⁴⁷Sm), 가돌리늄-152(¹⁵²Gd), 디스프로슘-156(¹⁵⁶Dy), 하프늄-174(¹⁷⁴Hf), 백금-190(¹⁹⁰Pt), 납-204(²⁰⁴Pb) 등도 있다.

자연 방사능의 또다른 부류에는 우주선 포격에 의해서 상층 대기권에서 생성되는 핵종이 있다. 중요한 것은 반감기 5,720년의 ¹⁴C, 12.3년의 삼중수소(T, ³H), 53일의 베릴륨-7(⁷Be) 및 270만 년의 베릴륨-10(¹⁰Be)이다. 1945년 이래의 핵폭발은 환경에 대한 방사능 방출량을 더 늘렸는데, 이 방사능은 핵분열 생성물과 핵무기에서 나온 중성자가 주위의 물질에 작용해서 형성된 2차 생성물 2가지로 이루어져 있다.

핵분열 생성물은 질량수 75~160 사이의 거의 모든 베타 방출제를 포함하고 있다. 핵반응로도 핵분열 생성물을 만들어낸다. 그러나 여기에서 나오는 방사능은 생성물을 용기에 보관함으로써 외부에 방출되는 것을 통제할 수 있다. 방사능은 지하수로 누출되지 않도록 반감기보다 오랜 기간 동안 이 용기 속에 가두어야 한다. 열핵융합이 실용적으로 실현될 수 있다면 연료인 중소수와 리튬이 풍부할 뿐만 아니라 방사성 생성물이 거의 발생하지 않기 때문에 핵분열보다 동력원으로서 우월하다.

자연 방사능 이외에 인간이 얻고자 하는 방사능과 핵분열 생성물은 핵반응로 중성자나 하전입자빔 또는 가속기의 감마선 빔으로 특정한 표적 물질을 쪼임으로써 생성시킬 수 있다.

방사성의 전이속도

개요

방사성 붕괴의 속도는 감지할 수 없을 정도로 느린 것부터 측정할 수 없을 정도로 빠른 것까지 아주 넓은 범위에 걸쳐 있다.

여기서는 방사성 붕괴를 기술하는 수학적 방정식과 여러 범위의 반감기를 측정하는 일반적 방법을 개관한다(활동도).

지수함수형 붕괴법칙

방사성 붕괴는 통계적인 지수함수적 과정으로 일어난다.

즉 주어진 미소(微小) 시간 간격 동안 붕괴하는 원자수(dN/dt)는 존재하는 원자수(N)에 비례한다는 것이다. 비례상수는 그리스 문자λ로 나타내고 붕괴상수라고 부른다. 수학적으로는 1차 미분방정식

으로 표현된다.

이 식을 적분하면

N(t)=N₀e^-λt, ②

을 얻게 된다.

여기서 N₀는 시각이 0일 때 존재하는 원자수이다. 위의 두 방정식에서 붕괴속도와 어미핵의 수가 시간에 따라 지수함수적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 반감기를 사용해서 식②를 표현하면

N(t)=N₀(_1/2)^r；r=t/t_1/2

과 같이 된다.

붕괴상수와 반감기는

λ=log_e2/t_1/2=0.693/t_1/2

의 관계를 가진다.

붕괴상수 λ의 역수는 평균수명으로서 그리스 문자 τ로 나타낸다.

여러 가지의 과정으로 붕괴되는 ⁴⁰K(89％는 β^－, 11％는 전자포획)과 같은 방사성 핵의 경우 총붕괴상수는 각각의 붕괴방식의 붕괴상수의 합이다.

반감기의 측정

수초에서 수년에 이르는 범위의 방사능 반감기의 측정에는 일반적으로 반감기와 비교될 수 있는 시간 범위에 걸쳐 연속해서 방사선의 강도를 측정하는 방법이 있다(방사선 측정). 측정 후 붕괴의 로그를 시간에 대해서 도시하고, 점의 배열을 가장 잘 나타내는 직선을 그린다.

식 ①과 식 ②에 의해서 이 직선 붕괴선에서 1/2만큼 감소하는 데 대한 시간 간격이 반감기이다. 시료에 하나 이상의 방사능이 존재할 경우 붕괴곡선은 전체가 모두 직선이 되지 않고, 직선의 지수함수항들의 합으로 나뉠 수 있다.

반감기가 수년 이상인 경우에는 상당히 긴 시간 동안 계수속도의 감소를 측정하는 것이 가능하다. 이러한 경우에 세심하게 정량된 양의 방사성 동위원소가 붕괴속도 D를 결정하기 위한 계측수단으로 사용된다. 그러면 식 ①을 써서 붕괴상수 λ를 계산할 수 있다.

이와 달리 N이 알려져 있도록 측정하고자 하는 방사능을 만들어내는 것도 가능하다. D를 측정하면 식 ①을 사용할 수 있다. 핵의 수 N은 어미핵의 방사능 붕괴를 계수하거나, 핵반응로나 가속기 빔에서 일어나는 핵반응에서 얻어지는 생성에 대한 정보를 통해 알 수 있다.

1ns~100μs의 반감기는 동시 실험에서 전자적으로 측정된다.

측정하고자 하는 핵종을 만들어내는 복사는 검출되어 전자시계를 움직이기 시작하며, 이 핵종이 붕괴하면서 내는 복사는 다른 기구에서 검출되어 전자시계를 멈추게 한다. 이 시간 간격의 분포는 반(半)로그 도표로 도시되며, 반감기는 앞에서 기술한 것같이 직선의 기울기로부터 결정된다.

100μs~1s의 반감기는 특수 기술로 결정해야 하는 경우가 많다.

예를 들어서 생성된 방사능은 고속으로 돌아가는 드럼이나 고속으로 움직이는 테이프 위에 용착되고 검출기는 움직이는 경로에 따라서 놓여진다. 방사능 물질은 진공 속을 일정한 속도로 움직이도록 장치해놓고 거리의 함수로서 붕괴속도를 측정한다.

응용

의학

방사성 동위원소는 진단과 치료에서 광범위하게 이용되고 있으며, 이로 인해 핵의학이라고 부르는 급속도로 성장하는 분야가 생겨났다. 이 방사성 동위원소는 특히 특정한 진단과정에서 추적자로서 효과적으로 이용될 수 있다는 것이 드러났다.

방사성 동위원소는 같은 원소의 안정한 동위원소와 화학적으로 동일하기 때문에, 생리과정에서 안정 동위원소의 역할을 대행할 수 있다. 더욱이 방사능을 가지고 있어서 극소량이 존재해도 쉽게 추적할 수 있다.

많은 방사성 동위원소가 추적자로 사용되고 있지만 그중에서 가장 중요한 것은 요오드-131(¹³¹I), 인-32(³²P) 및 테크네튬-99m(^99mTc)이다.

내과의는 ¹³¹I을 심박출량, 혈장량, 지방질 대사를 결정하고 특히 이 동위원소가 축적되는 갑상샘의 활동을 측정하기 위해서 사용한다. ³²P는 악성 종양 확인에 유용한데, 그것은 암세포가 정상 세포보다 인산염을 더 잘 축적하는 경향이 있기 때문이다. ^99mTc은 기관의 해부학적 구조를 연구하는 데 중요하다(→ 동위원소 추적자). 코발트-60(⁶⁰Co)과 세슘-137(¹³⁷Ce) 같은 동위원소는 암 치료에 사용된다. 이것들은 악성 종양에 선택적으로 작용하도록 조절될 수 있으며, 따라서 그 주위의 건강한 세포의 손상이 최소화된다.

산업

산업에의 응용 중에서 가장 두드러진 것은 우라늄의 핵분열 에너지의 방출에 바탕을 둔 전력생산이다. 다른 응용으로는 금속과 플라스틱 판의 두께나 밀도를 측정하고, 중합체의 교차결합을 촉진하고, 식물의 변이를 유발하고, 미생물을 죽여 특정 종류의 음식물을 저장하는 것 등이 있다.

과학

지구과학 연구는 방사성 원소에 의한 연대측정 기술의 사용으로부터 커다란 도움을 받았는데, 이 기술은 지질 물질 속의 특정한 방사성 동위원소(어미 방사성 동위원소)가 알려져 있는 일정한 속도로 딸 동위원소로 붕괴한다는 원리에 바탕을 두고 있다. 이 기술을 사용해서 탐구자들은 여러 가지 암석과 암석형성의 연대를 결정할 수 있었으며, 그에 따라 지질학적 시간 규모를 정량화할 수 있었다.

이런 형태의 방사성 연대측정 방법의 특수한 응용인 ¹⁴C 연대측정방법은 특히 자연 인류학자와 고고학자에게 유용하다는 것이 드러났다. 이 방법을 사용해서 그들은 500~5만 년 된 화석과 인조의 연대를 더욱 정확하게 알 수 있었으며, 그결과 과거 사건의 연대기적 순서를 더 잘 결정할 수 있게 되었다.

방사성 동위원소 추적자는 예를 들면 강과 호수의 수질오염 연구나 배기물에 의한 공기오염 연구 같은 환경 연구에 사용된다. 이것은 또한 해양의 심해류와 분수계의 눈-물 함유량을 측정하는 데 사용되었다. 생물과학의 연구자들도 복잡한 과정을 연구하기 위해서 방사성 추적자를 사용했다. 예를 들어 아미노산과 황·인·질소 화합물에 관한 수많은 식물 대사 연구에 사용되었던 것이다.