백과

모든 원자는 원자핵 주변을 전자들이 둘러싼 형태로 이루어져 있는데, 이때 전자들의 에너지수준이 가장 낮은 상태로 배치된 순간을 바닥상태(ground state)라고 한다. 그리고 외부로부터 원자핵에 에너지가 가해지면 불안정한 상태에 놓이게 되는데, 이때를 들뜬상태(excited state)라고 한다.

자연계의 모든 물질은 불안정한 상태(들뜬상태)에서 안정한 상태(바닥상태)로 가려는 성질이 있다.

한편, 외부에서 에너지를 가해 주지 않아도 본래 원자의 상태가 불안정한 원소들이 있는데, 이들 원소를 방사성핵종(방사성물질)이라고 한다. 이들 방사성핵종의 원자핵이 불안정한 상태에서 안정한 상태의 원자핵으로 바뀌는 현상이 방사성 붕괴이다.

방사성핵종들은 자연 상태에서는 일정한 시간이 지나면 그 양이 원래 원자의 개수에서 절반으로 줄어드는 특성이 있다. 그렇게 반감되는 시간을 반감기라고 하며, 방사성핵종마다 고유한 반감기를 가진다. 반감기(T)는 아래 공식으로 구할 수 있다.

방사성 붕괴의 유형에는 크게 5가지 유형이 있다.

알파붕괴는 비교적 무거운 핵종(주로 원자번호 83 이상)에서 일어나며 원자핵 속의 알파입자(헬륨 원자핵 가 터널효과^각주2) 를 이용해 원자핵에서 탈출하는 현상이다. X원소가 Y원소로 알파붕괴하는 과정은 아래 식과 같이 표현되며,

이때 방출되는 운동에너지는 Y원소와 α입자가 질량에 반비례하여 가지므로 운동에너지 스펙트럼이 불연속적이다.

베타붕괴는 알파붕괴와 달리 생성되는 양전자나 음전자의 운동에너지가 원자핵과의 전기에너지 장벽보다 높기 때문에 터널효과와는 관련이 없다. 베타붕괴는 베타플러스 붕괴와 베타마이너스 붕괴로 나뉜다.

베타플러스 붕괴는 중성자보다 양성자가 더 많아 양성자를 중성자로 변환시켜 더 안정된 상태를 이루는 현상이다.

X원소가 Y원소로 베타플러스 붕괴 시 아래와 같이 표현할 수 있으며,

이때 는 양전자, 는 반중성미자이다. 가 방출되는 운동에너지의 일부를 임의로 가지므로 베타플러스 붕괴 시 운동에너지 스펙트럼은 연속적이다.

베타마이너스 붕괴는 양성자보다 중성자가 더 많아 중성자를 양성자로 변환시켜 더 안정된 상태로 변하는 현상이며, 아래와 같이 표현된다.

이때 는 음전자이고, 는 중성미자이다.

알파플러스 붕괴와 마찬가지로 가 방출되는 운동에너지의 일부를 임의로 가지므로 붕괴 후 운동에너지 스펙트럼은 연속적이다.

전자포획은 중성자보다 양성자가 더 많은 방사성핵종에서 일어나는 붕괴현상으로 원자핵 내의 양성자가 주변의 전자를 포획하여 중성자로 변환된다. 아래와 같이 표현되며,

포획한 전자의 빈자리를 메우기 위해 더 높은 에너지수준의 전자가 고유X선을 방출하며 빈자리로 들어간다.

또한 방출되는 가 베타붕괴와 달리 일정한 운동에너지를 가지므로 전자포획 후 운동에너지 스펙트럼은 불연속적이다. 전자포획은 양성자가 더 많을 때 일어나는 베타플러스 붕괴와 원자핵 내에서 경쟁적으로 일어나게 된다.

감마 붕괴는 원자핵이 바닥상태 이상의 에너지를 가져 불안정해질 때 안정한 바닥상태로 가기 위해 남는 에너지를 전자기파의 형태로 방출하는 현상이다. 원자핵 내의 구성이 변하지 않기 때문에 원자번호와 질량수는 그대로 유지된다.