방사능과 방사성붕괴

반감기와 평균수명

최초의 방사능이 1/2로 줄어드는 데 걸리는 시간을 반감기라고 한다.
방사성물질이 1/e로 줄어드는 데 걸리는 시간을 평균수명이라 한다. 방사성원소의 평균수명은 붕괴한 원자 수와 이들의 수명을 곱하고 모든 원자에 대해 이것을 합한 후, 최초 원자 수로 나누어 준다. 평균수명에 0.693을 곱하면 반감기가 된다. 즉 평균수명은 반감기보다 약 1.44배 정도 길다.

방사성 붕괴

불안정한 원자핵이 스스로 붕괴하여 방사선을 내면서 다른 핵종으로 변하는 것을 붕괴라고 한다. 불안정한 원자핵이 붕괴를 일으키는 방식은 크게 알파붕괴, 베타붕괴, 감마붕괴 자발핵분열의 4가지로 나눌 수 있다.

알파붕괴

알파붕괴란 불안정한 원자핵이 양성자 2개와 중성자 2개의 합에 해당하는 알파 입자를 방출하고 다른 원자핵으로 변환하는 것을 말한다. 알파붕괴는 에너지 보존법칙과 운동량 보존법칙이 성립한다. 알파붕괴는 대부분 원자번호 83번 이상인 원소에서 발생하며, 발생하는 알파선은 선스펙트럼 분포를 가진다. 일반적으로 알파선은 에너지가 클수록 붕괴상수가 크다. 이것을 Geiger-Nuttal의 법칙이라고 한다. 따라서 반감기가 짧은 알파선 방출 핵종일수록 에너지가 크기 때문에 비정이 크다. 알파붕괴를 하는 핵종들은 대체로 원자번호가 크며 그 퍼텐셜에너지도 약 30 MeV 정도로 크다. 알파선은 에너지가 4~8 MeV 정도이므로 이 정도의 에너지로는 원자핵으로부터 방출될 수 없다. 그러나 실제로는 알파선이 방출되고 있는데 이러한 현상을 터널효과라고 하며 알파선이 퍼텐셜장벽을 파동처럼 뚫고 나온다는 이론이다.

베타-붕괴

베타-붕괴는 중성자가 과잉인 불안정한 원자핵(n/p> 1)에서 주로 발생하고 중성자가 양성자로 변환되면서 베타-입자와 반중성미자를 방출한다. 이때 방출되는 베타-입자와 반중성미자는 붕괴에너지를 나누어 가짐으로써 연속스펙트럼분포를 나타낸다. 베타-붕괴 시 원자핵은 원자번호가 1 증가하고 질량수는 불변이다.

베타+붕괴

베타+붕괴는 양성자가 과잉인 불안정한 원자핵(n/p <1)에서 주로 발생하는데, 양성자가 중성자로 변환되면서 베타+입자와 중성미자를 방출한다. 이때 방출되는 베타+입자와 중성미자는 붕괴 에너지를 나누어 가짐으로써 연속스펙트럼붙포를 나타낸다. 베타+붕괴 시 원자핵은 원자번호가 1 감소하고 질량수는 불변이다.

 

전자 포획(EC) 

전자 포획도 베타+붕괴와 마찬가지로 양성자 과잉 핵종(n/p <1)에서 주로 발생된다. 전자 포획이란 원자핵 내의 양성 자수가 많은 경우 원자핵 외의 궤도 전자를 포획하여 보다 안정한 원자핵으로 변환되는 것을 말한다. 주로 k각의 전자를 포획하며 원자핵에서 중성미자를 방출한다. 또한 포획으로 발생된 궤도 전자의 공동을 외각의 전자로 채우는 과정에서 특성 X선 또는 오제 전자를 방출할 수 있다. 전자 포획은 핵의 반경이 크고 전자의 궤도들이 더 압축된 무거운 원자핵에서 주로 발생한다. 전자 포획 시의 원자핵은 베타+붕괴 시와 마찬가지로 원자번호는 1이 감소하고 질량수는 변하지 않는다. 전자 포획 시 발생하는 중성미자는 에너지를 배분하지 않으므로 선 스펙트럼을 가진다.

감마 붕괴 (전이 또는 방출) 

불안정한 원자핵이 입자를 방출하지 않고 에너지를 전자기파의 형태로 방출하는 것을 말하며, 알파, 베타 붕괴에 수반하여 여기 된 핵에서 에너지가 방출된다. 감마 붕괴가 일어나면 원자번호나 질량수는 변화가 없다. 여기 상태의 원자핵은 감마선을 방출하고 안정한 상태로 전이하지만, 어떤 원자핵은 감마선을 방출하는 대신 감마선의 에너지를 궤도 전자에 주어 궤도 전자를 전리시키기로 하는데 이를 내부 전환(IC)이라고 한다. 이때 발생된 전자를 내부 전환 전자라고 하며, 내부 전환은 원자번호가 높을수록, 방출되는 감마선의 에너지가 낮을수록 잘 일어난다. 내부 전환은 반드시 일어나는 현상은 아니고 어떤 일정한 비율로 발생되는 확률적 현상이며 감마선 방출과 경합적으로 일어난다. 따라서 어떤 원자핵이 감마 전이할 때는 감마선 방출과 내부 전환 전자의 방출은 일정한 비율로 일어나는데 그 비율은 내부 전환 계수로 표현된다. 내부 전환 계수는 감마 방출률에 대한 내부 전환율의 비로 나타내며 핵종에 따라 고유한 값을 가지며, 감마 방출률과 내부 전환율의 합은 1이다. 
감마 붕괴를 하는 핵종이 반드시 내부 전황을 일으키는 것은 아니고 어떤 핵종은 100% 내부 전환이 일어나는가 하면 어떤 핵종은 전혀 내부 전환을 일으키지 않는다. 내부 전환하는 대표적인 핵종인 137-Cs은 감마선 방출률이 85%이고 내부 전환율이 9.6%이다. 즉 100Bq의 137-Cs에서는 1초에 85개의 감마선과 9.6개의 내부 전환 전자가 방출된다. 내부 전환이 일어난 후에는 안쪽 전자가 공백을 메우기 위하여 궤도 전자의 천이가 일어나며 이때 특성 X선 또는 오제 전자가 방출된다.

자발핵분열

주로 초우라늄원소(Z>92)에서 볼 수 있는 붕괴형식이다. 원자랙이 무겁기 때문에 원자번호가 다른 두 개의 원자핵으로 핵분열하며 중성자를 방출한다. 252Cf는 대표적인 자발핵분열 핵종으로 3.1%의  확률로 자발핵분열하며, 나머지는 96.6%는 알파붕괴하므로 실제적인 반감기는 약 2.65년이다. 방출되는 중성자의 평균에너지는 2.3MeV정도로서 중성자 표준선원으로 사용되고 있다.

방사성핵종에 대한 정보는 붕괴도에 나타나므로 붕괴도식을 이해하는 것은 매우 중요하다. 붕괴도식에 나타나는 정보는 다음과 같다.

• 핵종 및 반감기
• 방사성붕괴의 방식 및 방출방사선 (붕괴방식은 알파붕괴, 베타+붕괴, EC는 좌하방향, 베타-붕괴의 경우 우하방형, 감마전이, 핵이성체전이, 내부전환의 경우 직하방향으로 표시한다.)
• 각 방사선의 방출순서
• 각 방사선의 에너지 및 방출강도