핵붕괴

1 개요

핵붕괴 또는 방사성 붕괴는 불안정한 원자핵이 자발적으로 이온화 입자와 방사선의 방출을 통해서 에너지를 잃는 과정이다. 이러한 알파 입자, 베타 입자, 감마선 등을 자발적으로 배출하는 물질을 방사능 물질이라고도 한다.

이러한 핵붕괴는 양자 역학에 의한 확률적인 현상으로, 물질 안에 들어 있는 어떤 원자가 붕괴할 지 예측하는 것은 불가능하다. 이는 원자에서 전자의 위치를 정확하게 알아내지 못하는 것과 같은 맥락이다. 다만, 평균적으로 얼마나 많은 핵이 붕괴할 지는 정확히 알 수 있으며, 이것의 척도는 다름 아닌 반감기이다.[1] 핵붕괴를 하고 나면, 대부분 원자의 구성요소 바뀌므로 붕괴 전후를 구분해야한다.[2] 변환 전의 원자를 부모 핵종, 변환 후의 원자를 딸 핵종 왜 아들세포도 없고 아들핵종도 없을까이라고 한다.

2 핵붕괴의 종류

초기 과학자들은 전기장 또는 자기장을 통해서 방사선을 구분하였는데, 여기서 나온 이름이 알파, 베타, 감마이다. 이름에서 볼 수 있듯이, 그냥 1번, 2번, 3번 선이라고 구분한 거랑 같은 것이다. 조금 배운 위키러라면 알파선은 헬륨 원자핵, 베타선은 전자, 감마선은 파장이 매우 짧은 빛이라는 것을 알 텐데, 왜 굳이 따로 이런 이름이 붙었나 하면 얘네들은 원자핵이라는 존재가 제안되기 전에 관찰되었다. 이 세 가지 (이온화)방사선은 대표적으로 핵붕괴 시 주로 발생하는 방사선이지만, 다른 방사선들도 존재한다. 양전자라던가...

다음 표는 질량수 A, 원자번호 Z인 부모 핵종이 여러 핵붕괴를 했을 때의 결과를 나타낸 것이다.

붕괴의 방식붕괴에 관여하는 입자딸핵
핵자를 방출하는 붕괴
알파 붕괴원자핵으로부터 알파 입자가 방출됨(A-4,Z-2)
양성자 방출원자핵으로부터 양성자가 방출됨(A-1,Z-1)
중성자 방출원자핵으로부터 중성자가 방출됨(A-1,Z)
이중 양성자 방출원자핵으로 부터 두개의 양성자가 방출됨(A-2,Z-2)
자발 핵분열원자핵이 두 개 이상의 작은 원자핵과 다른 입자로 분열됨-
뭉치 붕괴원자핵이 특정한 작은 원자핵을 방출함(A-A1,Z-Z1) + (A1,Z1)[3]
베타 붕괴
베타 마이너스 붕괴원자핵이 하나의 전자(=베타입자)와 반중성미자[4]를 방출함(A,Z+1)
베타 플러스 붕괴[5]원자핵이 하나의 양전자와 중성미자를 방출함(A,Z-1)
전자 포획원자핵이 궤도를 도는 전자 하나를 포획하고 중성미자를 방출함(A,Z-1)
이중 베타 붕괴원자핵이 전자와 반중성미자를 두 개씩 방출함(A,Z+2)
이중 전자 포획원자핵이 궤도를 도는 두 개의 전자를 포획하고 두 개의 중성미자를 방출함.(A,Z-2)
양전자 방출 전자 포획원자핵이 궤도를 도는 전자를 포획하고 양전자 하나와 두 개의 중성미자를 방출함(A,Z-2)
이중 양전자 방출원자핵이 양전자와 중성미자를 두 개씩 방출함.(A,Z-2)
동일 원자핵의 다른 상태로 전이
이성질핵 전이들뜬 원자핵이 고에너지 광자(감마선) 하나를 방출함(A,Z)
내부 전환들뜬 원자핵이 그 에너지로 원자로부터 전자 하나를 방출함(A,Z)

참고로, 분명 핵붕괴이지만 오히려 원자 전체 질량이 조금 증가하는 경우도 있다. 양성자보다 중성자가 조금 더 무거운데, 베타 플러스 붕괴를 할 경우 원자번호가 하나 줄고 중성자가 하나 늘어 전체 질량은 조금 증가한다. 이는 베타 플러스 붕괴가 에너지를 방출하는 게 아니라 에너지를 흡수하는 현상이기 때문이다. 또한 감마선은 배출되는 경우가 거의 없어보이는데, 붕괴가 일어났을 때 발생한 에너지가 감마선의 형태로 방출되기 때문에 대부분의 붕괴에서 발생한다고 생각하면 된다.

  • ↑ 이는 양자역학의 골때리는 특성이다. 분명 확률적이라서 엄청 애매모호해 보이는데, 인류가 만들어낸 그 어떤 학문보다도 정확하다.
  • ↑ 모든 핵붕괴 이후에는 양성자 및 중성자 개수가 변화한다.
  • ↑ 이 핵종은 알파입자보다 클 수도 작을 수도 있음.
  • ↑ 중성미자의 반입자이다.
  • ↑ 양전자 방출이라고도 한다.