방사성 붕괴

放射性崩壞, Radioactive decay

불안정한 상태의 원자핵이 그 상태를 견디지 못하고 방사선을 방출하면서 안정된 상태로 넘어가는 과정이다.

발생 원인

양성자(proton)가 중성자(neutron)에 비해 지나치게 많은 핵은 핵자간 핵력이 전기적 반발력을 이기지 못한다. 이 경우에는 전기적 인력에 의해 양성자 혹은 헬륨 원자핵인 α입자(alpha particle)가 방출된다.

또한 중성자는 양성자보다 많은 경우 상대적으로 질량이 무겁고 불안정한 중성자는 양성자+전자+반중성미자로 붕괴된다. 이에 따라 잉여전자가 β입자(beta particle) 형태로 방출되기도 한다.

때로는 에너지가 높은 핵자가 에너지가 낮아지면 그 만큼의 강력한 전자기파를 방출하기도 하는데 이를 γ(감마)선이라고 부른다.

이 밖에도 중성자가 많은 핵자가 중성자를 통채로 방출하거나 무거운 핵이 핵분열(nuclear fission) 시에 중성자를 방출하는데, 이를 중성자선이라고 부른다.

방사성 붕괴의 종류

• α붕괴

  방사선 중에서 He⁴(헬륨) 원자핵을 α입자라고 부른다. 보통 무거운 핵이 붕괴할 때 생성된다. +전하를 띠고 있어 전기장이나 자기장 위에서 +방향으로 흐른다. 핵자가 무거워 상대적으로 속도가 느리기 때문에 공기중에서도 수 cm만 진행해도 급격히 약해지고, 종이나 알루미늄 호일조차 통과하지 못하지만 접촉했을 때 전리적 능력이 강해 큰 피해를 입힌다.

• β붕괴
  • 전자 방출

    방사선 중에서 전자가 방출하는 것을 β 입자라고 부른다. 중성자가 지나치게 많은 핵은 중성자 하나가 붕괴하면서 양성자+전자+반중성미자를 방출하는데, 그 전자가 핵자 바깥으로 나가는 것이다. β입자는 α입자보다 질량이 훨씬 가볍기 때문에 속도가 빨라 공기 중에서 진행거리도 더 길다.

  • 양전자 방출

    양성자가 중성자에 비해 많을 경우, 양성자에서 양전자가 방출되어 중성자로 바뀐다. 이 과정도 β붕괴로 분류된다.

• γ붕괴

  들뜬 핵자가 광자 형태로 에너지를 방출하는 것으로, 극히 에너지가 높은 전자기파(감마선) 형태이다. 전하를 띠지 않기에 전기장이나 자기장에서 직진하며, 굉장히 투과성이 강해서 공기 중에서는 거의 무제한으로 진행한다.

• 양성자 방출

반감기

반감기는 방사성 붕괴로 인해 그 양이 절반으로 줄어드는 시간을 의미한다. 94번 이상의 인공원소들은 반감기가 매우 짧다는 특징이 있다. 반면에 92번 우라늄-238은 반감기가 44억 6800만년에 달한다. 이 반감기가 매우 짧은 원소들은 불안정해 금방 더 가벼운 원소로 붕괴된다.