방사성 붕괴

어떤 핵분열성 물질의 원자핵 핵자(양성자 및 중성자) 구성이 불안정하여 입자를 방출하면서 안정한 원소(또는 핵종, Nuclide)로 변화하는 현상을 방사성 붕괴(Radioactive Decay) 또는 방사붕괴(보다 일반적인 표현임)라 한다. 방사붕괴는 방출하는 에너지입자(방사선) 형태에 따라 구분하며 에너지를 가진 방사선은 인간에게 편익뿐만 아니라 불편함을 끼치기도 한다.

방사붕괴의 원인

모든 원소의 원자핵은 양성자와 중성자의 적정한 수로 균형이 이루어져 있을 때 에너지 관점에서 안정한 상태를 유지한다. 만일 두 핵자(양성자 및 중성자)의 수가 균형을 이루지 못할 때 원자핵이 불안정하여 에너지를 가진 방사선을 방출하고 안정된 원소로 변화하는 것이다.

방사성 물질(Radioactive Material)

방사붕괴를 통해 방사선을 방출하는 물질을 말한다. 핵분열로 발생하는 핵분열파편은 원자핵의 핵자구성이 불안정하여 방사붕괴를 거쳐 안전한 원소 변환한다. 의료용 및 산업용 목적으로 원자로나 가속기 등을 이용하여 인공적으로 방사성물질을 만들기도 한다.

방사붕괴의 종류

방사붕괴는 주로 원자핵을 구성하는 양성자 수가 중성자 수에 비해 너무 많거나 적을 때 에너지 입자를 방출하면서 일어난다. 또한 원자의 최 내각 전자를 포획하여 일어나기도 하며 때로는 스스로 자발 핵분열을 통한 붕괴가 일어나기도 한다.

• 알파붕괴 : 우라늄 이상의 무거운 물질에서 일어나며 알파입자(α)를 방출하고 핵변환 한다. 알파입자는 헬륨($_2^4He$) 원자핵이므로 알파붕괴가 일어나면 원자번호가 2만큼, 원자질량이 4만큼 줄어든 원소로 변한다.
• 베타붕괴 : 중성자가 양중성자에 비해 적정 수를 초과하면 중성자가 양성자 및 전자로 변환된 후($n$ → $p$+$e^-$ ) 전자를 방출하면서 핵변환을 한다. 이를 베타붕괴(β^-)라 한다. 베타붕괴로 생성된 원소는 원자번호가 1만큼 늘어들지만 원자질량은 변하지 않는다.
• 양전자붕괴 : 양성자가 중성자에 비해 적정 수를 초과할 경우 양성자가 중성자와 전자로 변환 된 후($p$ → $n$+$e^+$) 양전자를 방출하면서 핵변환을 한다. 이를 양전자붕괴(β⁺)라 한다. 양전자붕괴로 생성된 원소는 원자번호가 1만큼 줄어들지만 원자질량은 변하지 않는다.
• 감마붕괴 : 원자핵의 핵자 구성은 적정하나 핵의 에너지준위가 높은 경우 전자기파인 광자(γ선)를 방출하고 에너지준위를 낮추는 방사붕괴이다. 감마붕괴는 원자핵의 변환 없이 단지 에너지준위만 변한다. 베타붕괴와 함께 가장 많이 발생하는 방사붕괴 형태이다.
• 전자포획(Electron Capture) : 양성자가 과다하여 에너지 상태가 불안정한 경우 원자핵에 가장 가까운 궤도에 있는 전자를 포획하여 양성자 한 개가 중성자로 변하면서 뉴트리노(질량은 거의 없으며 전기적으로 중성인 소립자)를 방출하는 붕괴($p$+$e^-$ → $n$+ν)를 말한다. 포획된 전자 자리를 메꾸기 위해 바깥궤도의 전자가 안쪽 궤도로 이동하는데 궤도에너지 차이가 엑스선(X)으로 방출된다. 전자포획이 일어나면 원자번호가 1만큼 줄어들고 원자질량은 변하지 않는 원소로 변환된다.
• 자발 핵분열(Spontaneous Fission) : 중성자가 과다한 불안정한 원자핵이 스스로 핵분열을 하면서 중성자를 방출하는 것으로 넓은 범위에서 방사붕괴에 포함시킨다.

방사선의 특성

방사붕괴로 발생하는 방사선(α선, β선, γ선, 중성자, X선 등)은 물리·화학적 특성이 서로 다르며 활용분야, 피해, 차폐방법 등이 다양하다.(아래 링크 참조) (참고) 이곳에 “방사선”과 Link 삽입

에너지 준위(Energy Level)

원자핵의 핵자들은 양자역학적인 규칙에 따라 궤도에 배열된다. 핵자가 자리하는 궤도는 각기 에너지 상태가 다르다. 외부의 에너지 충격 등으로 인해 핵자의 수 변화나 궤도 이동이 생기면 에너지 상태는 불안정하게 되어 방사붕괴로 이어진다.

• 기저준위(Ground level) : 핵자들이 양자역학적 규칙에 따라 완벽하게 배열되어 상태에서 원자핵이 가지는 특정에너지 값이다. 매우 안정된 상태이므로 핵자 구성을 혼란시킬 정도의 외부로부터 에너지 충격이 없으면 원자핵은 안정된 상태를 유지한다.
• 여기준위(Excited Level) : 어떤 이유로 인해 핵자구성 또는 핵자배열의 규칙이 깨지면 원자핵의 에너지준위는 높아지며 불안정한 상태가 된다. 여기준위 상태에 있는 원자핵은 에너지를 방출하고(방사붕괴) 기저준위 상태로 돌아가려는 특성이 있다.