1. 방사능 (Radioactivity)
ㅇ 원자핵이 자발적으로 붕괴하여 방사선(α,β,γ 등)을 방출하는 성질 또는 능력
- 원자핵이 불안정할 때, 더 안정한 상태로 가기 위해 에너지를 방출하게 됨
. 이때 방출되는 방사선을 방사성 광선 이라고 함 ☞ 방사선 (Radioactive Ray) 참조
2. 방사성 광선(방사선)의 종류
ㅇ 방사성 광선(방사선)을 대전된 판 사이를 통과시킬 때, 전하의 부호,입자 특성에 따라 구분됨
- `-` 극에 끌리는, (+) 전하를 띈 알갱이 : α (알파선)
. 특징 : 투과력이 약하고, 무거움
. 구성 입자 : 헬륨핵 (2p + 2n) (양성자 2개와 중성자 2개의 덩어리)
. 대표 발생 원소 : 우라늄, 라듐 같은 무거운 방사성 핵종의 원자핵이 방출
- `+` 극에 끌리는, (-) 전하를 띈 알갱이 : β (베타선)
. 특징 : 투과력이 조금 강함
. 구성 입자 : 전자(e⁻) 또는 양전자(e⁺) (원자핵에서 튀어나오는 전자)
. 대표 발생 원소 : 탄소 - 14, 코발트 - 60
- 감지할만한 전하나 질량이 없는 빛 알갱이 : γ (감마선)
. 특징 : 전하나 질량이 없어, 자기장,전기장에 휘지 않으며, 높은 투과력을 가짐
.. 따라서, 납(Pb)과 같은 두꺼운 차폐물이 필요함
. 구성 입자 : 눈에 안보이는 고 에너지의 광자(전자기파)
. 대표 발생 원소 : 거의 모든 방사성 붕괴 시 동반
3. 방사성 붕괴 (Radioactive Decay) = 원자핵 붕괴 (Atomic Disintegration)
ㅇ 불안정한 원자핵이 자발적으로 변환되어, 다른 원자핵으로 바뀌며, 방사선을 방출하는 현상
ㅇ 붕괴의 물리적 배경
- 원자핵은, 핵력과 쿨롱력과의 균형에 의해, 안정된 구조를 유지하다가,
- 불안정해지면, 알파 입자 및 베타 입자를 방출하며, 더 안정한 다른 핵종으로 변함
ㅇ 방사성 붕괴 법칙 : (지수함수적)
- {# N(t) = N_o e^{-λt} #}
. (N0 : 초기 핵종의 수, λ : 붕괴 상수, N。: 초기 핵 수, t : 시간)
ㅇ 원자핵 붕괴 형식의 종류
- 알파 붕괴 (α decay)
. 우라늄(U),토륨(Th) 등 매우 무거운 원자들이, 알파선을 방출해, 다른 가벼운 원자가 되는 것
.. 원자핵 크기를 줄여가며 핵의 안정성을 높이는 방법
. 원자번호 -2 변화(감소), 질량수 -4 변화(감소)
. 例) 238U → 234Th + α
- 베타- 붕괴 (β- decay)
. 중성자가 양성자로 변하며 전자(e⁻) 방출
. 원자번호 +1 변화, 질량수 0 변화
. 例) 14C → 14N + e− + {#\bar{ν}_e#}
- 베타+ 붕괴 (β+ decay)
. 양성자가 중성자로 변하며 양전자(e⁺) 방출
.. 원자핵 내 양성자가 중성자로 또는 중성자가 양성자로 변환하며 핵이 붕괴되는 현상
. 원자번호 -1 변화, 질량수 0 변화
. 例) 11C → 11B + e+ + {#ν_e#}
- 전자 포획 (EC)
. 핵이 전자를 흡수해 양성자가 중성자로 변환
. 원자번호 -1 변화, 질량수 0 변화
. 例) 40K + e- → 40Ar + {#ν_e#}
- 감마 붕괴 (γ)
. 들뜬 핵이 에너지를 방출해 안정화됨
. 원자번호 0 변화, 질량수 0 변화
. 例) 60Co∗ → 60Co + γ
- 자발 핵분열 (Spontaneous Fission)
. 매우 무거운 핵이 2개 이상의 핵으로 분열
. 원자번호 다양하게 변화, 질량수 다양하게 변화
. 例) 252Cf → 140Ba + 108Kr + 4n
* (원자핵이 잉여 에너지를 방출하는 여러 유형)
4. 방사성 물질 (Radioactive Material)
ㅇ 자발적으로 방사선을 방출하는 물질(핵종) → 자연적 또는 인공적으로 존재함
ㅇ (동의어)
- 방사성 핵종 (Radionuclide), 방사성 동위체, 방사성 동위원소 (Radioisotope, RI)
ㅇ 방사선을 방출하는 물질(핵종)
- 자연 방사성 핵종 (Natural Radionuclide) : 천연 광물 중 성분 원소로 붕괴되는 것
. 주로, 원자번호 81번 탈륨 ~ 92번 우라늄 동위원소에 흔함
. 탄소 - 14 (14C) β- 붕괴 : 연대 측정 (고고학적 연령 측정)
. 요오드 - 131 (131I) β-,γ 붕괴 : 갑상선 질환 진단 및 치료
. 코발트 - 60 (60Co) β-,γ 붕괴 : 암 치료(방사선 조사), 살균
. 우라늄 - 238 (238U) α 붕괴 : 원자력 발전, 방사성 연대 측정
. 라듐 - 226 (238Ra) α,γ 붕괴 : 과거에 방사선원으로 사용됨
- 인공 방사성 핵종 (Artificial Radionuclide) : 입자 가속기,원자로 등에 의해 만들어지는 것
. 99mTc : 핵의학 영상 진단용 (SPECT)
. 137Cs : 두께 측정, 방사선 교정용
. 32P : 암세포 성장 억제 연구
5. [참고사항]
ㅇ 가이거 뮐러 계수기 (Geiger–Müller counter)
- 전리 방사선을 검출,계수하는 대표적 측정 장치
ㅇ 방사능에 의한 연대 측정
- 방사성 탄소 연대 측정 : 옛 물건들의 연대 측정 (by 탄소 - 14)
- 방사성 지질 연대 측정 : 지층,암석 등의 지질학적 연대(지질연대) 측정 (by 우라늄 - 238)
ㅇ 반감기 (Half Life)
- 방사성 원소가 붕괴하면서, 원래 양의 절반이 안정된 원소로 변하는데 소요되는 기간
[# T_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda} #]
. 例) 14C : 5,730년, 238U : 약 4.5 x 109년
131I : 8일