Chemistry/생활 속 화학

핵화학 | 방사능

곰뚱 2021. 1. 24.

방사능(radioactivity)은 아주 우연히 1896년에 프랑스의 물리학자 Henri Becquerel에 의하여 발견되었다. 그는 우라늄염(K₂SO₄, UO₂SO₄, 2H₂O)을 연구하고 있었는데 그것은 인광성(phosphorescent)으로 빛에 노출되면 재발광하였고 빛을 제거해도 계속 발광하였다. Becquerel은 눈에 보이는 인광성의 섬광이 사진건판에 도달하는 것을 막기 위하여 우라늄염을 검은 종이로 싸두었는데도 사진건판에 그 상을 남긴다는 것을 발견하였다.

Becquerel이 관찰한 것은 γ선의 방출효과였다. 방사능은 입자의 불안정한 핵에 의해 저절로 방사선이 방출되는 성질이고 저절로 붕괴하는 동위원소를 방사성 동위원소(radioactive isotope 또는 radioisotope)라고 부른다. 천연 방사능(natural radioactivity)은 자연계에서 발견되는 방사성 동위원소의 붕괴이고, 인공 방사능(artificial radioactivity)은 인공 방사성 동위원소의 붕괴이며 안정한 동위원소는 저절로 붕괴하지 않는다.

1897년에 Marie Curie는 방사능을 조직적으로 연구하기 시작하였고 그 결과 우라늄과 토륨에 방사능이 있다는 것을 발견하였다(그림1 참조). 천연 방사성 원소에서 방출되는 방사선은 그것들의 상대질량 즉, 질량의 손실과 전장에서 그들의 행동에 의하여 특정 지워진다. α선은 양전하를 띠며 음전하를 띤 β선에 비하여 큰 질량을 갖고 있다. 그리고 γ선은 중성이며 질량이 없다. α선은 Rutherford에 의하여 두 전자를 떼어버린 헬륨 원자(⁴₂He²⁺)의 핵이다. β선은 전자의 흐름으로 밝혀졌으며 γ선은 높은 에너지의 파장인 짧은 전자기복사이다(표 1 참조).

이 름	질 량	전 하(e)	본체(identity)
Alpha(α)	4.0026	+2	헬륨핵
Beta(β)	1/1837	-1	전자
Gamma(γ)	0	0	고에너지의 전자기복사선

표 1 방사성 입자의 특성

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γ붕괴

α붕괴나 β붕괴 등의 결과로 원자핵은 바닥 상태의 핵에너지 준위보다 높은 들뜬 상태에 있게 된다. 그리고 이 들뜬 상태는 가장 안정된 에너지 준위로 되돌아가기 위하여 핵은 γ선을 방사하여 전자기복사의 형태로 초과된 에너지를 방출한다. X선과 γ선의 파장 범위는 대개 1～0.01nm로 X선은 이 범위 보다 긴 파장에 있고, γ선은 그 범위 보다 짧은 파장에 있다. X선은 전자의 에너지 변화에 기인하고 γ선은 핵에너지 변화에 기인한다. γ붕괴(γ-decay)에 있어서는 전하나 질량수의 변화가 없다.

γ선은 천연 방사선 중에서 가장 투과력이 강하다. 1～10MeV의 에너지를 가진 γ선을 중지시키기 위해서는 40cm가 넘는 두께의 알루미늄판이 필요하며 같은 에너지의 β선보다 100배의 투과력을 갖는다. 이러한 γ선 방출은 보통 α붕괴 혹은 β붕괴에 잇달아 10^-9초 내에 일어나므로 사실상 동시에 일어난다고 볼 수 있다.

α붕괴

α붕괴(α-decay)는 너무 무거워 불안정한 핵종(Z>83과 A>200인 핵종)에서 주로 발생한다.

α붕괴는 방사성 핵종에 의한 α입자의 방출로서 질량수 4, 원자번호 2로 감소시켜 중성자-양성자의 비를 증가시킨다.

α입자의 방출로 핵종은 들뜬 상태로 되고 이어서 γ선을 방출하여 안정 상태에 이른다. 방출된 α입자와 γ입자의 에너지 총계는 반응 에너지와 같다. 예를 들면 [그림 2]에서 에너지 α1+γ2+γ3 혹은 α1+y2+γ1은 총 반응 에너지, E1-E2와 같다.

방사거리는 매체에 따라 다르며 α입자 방사는 투과력이 별로 강하지 않다. 1～10MeV의 α입자에 있어서 방사거리는 공기 중에서 수 ㎝이고 알루미늄에서는 10^-3㎜ 정도로 단 한 장의 종이로도 차단될 수 있다.

β붕괴

β선은 α선보다 더 침투력이 있다. 예를 들면 3MeV β입자는 공기 중에서 10m를 움직일 수 있지만, 0.5㎜ 두께의 알루미늄판에 의하여 차단된다. β붕괴(β-decay)에는 세 형태인 전자방출, 양전자방출 그리고 전자포착 등이 있다(표 2 참조).

① 전자 방출 : 음의 β입자인 전자방출은 핵 중의 질량수에는 아무런 변화를 주지 않고 핵에 양전하를 하나 증가시켜 중성자-양성자의 비를 감소시킨다.

② 양전자 방출 : 양전자(positron)는 -1이 아닌 +1의 전하를 갖는 것 외에는 에는 모든 성질이 전자와 같은 입자로 우주선을 연구하던 중에 처음으로 검출되었다. 그 후 1934년에 Frederic과 Irene Joliot-Curie가 인공 방사성 핵종인 P-30의 방사성 붕괴에서 양전자를 확인하였다. 그리고 아직까지 양전자방출은 인공 방사성 동위원소에서만 관찰되었다. 양전자 즉 β+ 방출로 원자번호는 1이 감소되지만 질량수에는 변화가 없고 중성자-양성자의 비를 증가시킨다.

너무 적은 중성자를 가진 동위원소는 이런 식으로 붕괴한다. 전자처럼 양전자는 에너지의 연속적인 범위를 가지면서 방출되며 나머지는 에너지를 운반하는 질량과 전하가 없는 중성미자(neutrino)를 동반한다.

③ 전자포착 : 불안정한 핵의 양전하는 전자포착(electron capture) 즉 내부 궤도전자 중 하나가 핵에 포착되어 감소되지만 질량수에는 변화가 없고 중성자-양성자의 비를 증가시킨다.

그리고 핵 속의 양성자가 전자를 포착하여 중성자로 변하고 동시에 중성미자를 방출한다. 또 핵으로 끌려 들어간 전자를 보충하기 위하여 전자의 자리옮김이 일어나기 때문에 X선이 방출된다. β붕괴와 다른 자발적인 핵 붕괴 반응은 [표 3]에 나타내었다.

전자방출

양전자 방출

전자포착

표 2 β붕괴 반응의 알짜효과

반 응	반응기호	변 화			보 기
반 응	반응기호	A	Z	n/p	보 기
전자 방출	β^-	0	+1	감소
양전자 방출	β⁺	0	-1	증가
전자포착	EC	0	-1	증가
α-입자 방출	α	-4	-2	증가
이성핵전이	IT	0	0	―
자발적인 분열	SF	―	―	―