방사능과 방사성붕괴

방사능의 정의

 

원자핵이 불안정할 경우 안정해지기 위하여 방사선을 방출하면서 다른 원자핵으로 변환하는 것을 방사성붕괴 또는 원자핵변환이라 합니다. 이러한 붕괴 정도를 나타내는 양을 방사능이라 하며, 방사능은 방사성붕괴를 일으키는 성질로써, 방사능의 세기란 방사성핵종의 단위시간당 붕괴수로 나타냅니다. 방사성물질이 1초당 1붕괴할 때 그 물질의 방사능 단위의 세기를 1 Bq이라하며, 1 Bq은 1 disintegration per second (=1 dps)로 표현할 수 있습니다. 예전에는 방사능의 단위를 Ci로 사용하였는데, 1 Ci는 Ra-226 1 g의 방사능 세기로 정하였으며, 1 Ci를 Bq 단위로 환산하면 37 GBq로 나타낼 수 있습니다.

 

 

핵의 붕괴수와 방출하는 방사선의 수는 반드시 일치하는 것이 아니며, 예를 들어 Co-60의 경우 원자핵이 1붕괴할 때 1.17 MeV(100%), 1.33 MeV(100%) 2개의 γ선과 1개의 β선을 방출하며, Cs-137의 경우 100붕괴당 85개의 0.662 MeV의 γ선을 방출합니다.

 

방사성핵종은 단위시간당 원자핵이 방괴할 확률을 가지고 있으며, 1개의 원자핵이 단위시간당 붕괴할 확률을 λ라 표시하고, 붕괴상수라고 합니다. 방사성물질이 붕괴하는 속도는 붕괴상수에 의해서만 결정되며, 붕괴상수가 클수록 방사성물질이 붕괴하는 속도는 빨라집니다. N개의 붕괴되지 않은 원자핵이 존재할 때 dt시간동안 붕괴되는 dN은,

 

 

으로 나타낼 수 있으며, (-)기호는 시간이 경과할수록 방사성원소의 수가 점검 감소하는 것을 의미합니다. 이 식을 정리하면 

 

 

로 나타낼 수 있습니다. 여기서 N0는 최초의 방사성원자 수이고, t 시간 후에 N 으로 줄어들게 됨을 의미합니다. 이 식은 방사성붕괴식로 정의할 수 있으며, 방사능은 방사성핵종의 단위시간당 붕괴수로 정의되므로 방사능 A = λN으로 나타낼 수 있습니다. 따라서,

 

 

이며, 이 때 A0 는 최초의 방사능, t 는 경과시간, A 는 t 시간 경과후의 방사능을 의미합니다.

 

방사성붕괴

 

불안정한 원자핵이 스스로 붕괴하여 방사선을 방출하면서 다른 핵종으로 변환하는 것을 방사성붕괴라고 하며, 불안정한 원자핵이 붕괴를 일으키는 형태는 다음과 같이 4가지로 나눌 수 있습니다.

 

    - α붕괴

    - β붕괴 : β+, β-, EC

    - γ붕괴(전이 또는 방출)

    - 자발핵분열(SF : Spontaneus Fission)

 

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1. α붕괴

 

불안정한 원자핵이 양성자 2개와 중성자 2개의 합에 해당하는 α입자(4He원자핵)을 방출하고 다른 원자핵으로 변환하는 것을 말하며, 다음과 같이 식으로 표현할 수 있습니다.

 

 

2. β-붕괴

 

β- 붕괴는 중성자가 과잉인 불안정한 원자핵에서 주로 발생하며, 중성자가 양성자로 변환되면서 β- 입자와 반중성미자(antineutrino)를 방출하는 것을 말하며, 이 때 방출되는 β- 입자와 반중성미자는 붕괴에너지를 나누어 가지며, 연속스펙트럼분포를 나타냅니다. β- 붕괴를 할 때 원자핵은 원자번호가 1증가하고 질량수 변화는 없습니다.

 

 

3. β+붕괴

 

β+ 붕괴는 양성자가 과잉인 불안정한 원자핵에서 주로 발생하며, 양성자가 중성자로 변환되면서 β+ 입자와 중성미자(neutrino)를 방출하는 것을 말하며, 이 때 방출되는 β+ 입자와 중성미자는 붕괴에너지를 나누어 가지며, 연속스펙트럼분포를 나타냅니다. β+ 붕괴를 할 때 원자핵은 원자번호가 1감소하고 질량수 변화는 없습니다.

 

 

4. 전자포획(Electron Capture : EC)

 

전자포획도 β+ 붕괴와 동일하게 양성자 과잉핵종에서 주로 발생하는데, 원자핵 내의 양성자수가 많은 경우 원자핵 외의 궤도전자를 포획하여 안정한 원자핵으로 변환되는 것을 말합니다. 주로 K각의 전자를 포획하며, 원자핵에서 중성미자를 방출하게 됩니다. 그리고 전자포획으로 발생된 궤도전자의 공동을 외각 전자로 채우는 과정에서 특성X선 또는 오제전자를 방출할 수도 있습니다. 전자포획시 원자핵은 β+ 붕괴와 마찬가지로 원자번호 1이 감소하고 질량수는 변하지 않습니다.

 

 

5. γ붕괴(전이 또는 방출)

 

불안정한 원자핵이 입자를 방출하지 않고 에너지를 전자기파 형태로 방출하는 것으로, α, β 붕괴에서 수반하여 핵에서 에너지가 방출됩니다. γ 붕괴가 일어나면 원자번호나 질량수 변화는 없습니다.

여기상태의 원자핵은 γ선을 방출하고 안정한 상태로 전이하지만, 경우에 따란 원자핵이 γ선을 방출하는 대신 γ선의 에너지를 궤도전자에 주어 궤도전자를 전리시키는 경우도 있는데, 이를 내부전환(Internal Conversion)이라고 합니다. 이 때 발생된 전자를 내부전환전자라 하며, 내부전환은 원자번호가 클수록, 방출되는 γ선의 에너지가 낮을수록 잘 일어납니다.

 

 

 

6. 자발핵분열(SF : Spontaneus Fission)

 

초우라늄원소(Z>92)에서 볼 수 있는 붕괴형식으로, 원자핵이 무겁기 때문에 원자번호가 다른 두 개의 원자핵으로 핵분열하여, 중성자를 방출하게 됩니다.

자발핵분열의 대표적인 핵종은 Cf-252로 약 3%의 확률로 자발핵분열을 하며, 나머지 97%는 α붕괴를 하므로 실제적인 반감기는 약 2.65년입니다. 방출되는 중성자의 평균에너지는 2.3 MeV 정도이며, 주로 중성자 표준선원으로 많이 사용되고 있습니다.  

 

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