물리학 고3 양자와 미시세계 심화

방사성 붕괴

불안정한 핵이 α(헬륨핵), β(전자·반중성미자), γ(고에너지 광자) 방사선을 방출하며 안정한 핵으로 변환됨을 이해한다.

불안정한 원자핵이 알파선(헬륨 원자핵), 베타선(전자), 감마선(고에너지 광자)을 내보내며 더 안정한 핵으로 저절로 바뀌는 현상입니다.

언제 무너질지는 아무도 모르지만, 아주 많이 모아 놓으면 몇 개가 무너질지는 정확히 예측되는 건물 같습니다. 개별 핵은 완전히 무작위이고, 집단의 통계는 시계처럼 정확합니다.

쉽게 말하면

원자핵 구조에서 봤듯이, 양성자와 중성자의 비율이 안정 영역에서 벗어난 핵은 그대로 있지 못합니다. 방사성 붕괴는 이런 핵이 더 안정한 조합을 향해 스스로 바뀌는 과정이고, 붕괴할 때 남는 에너지가 방사선으로 튀어나옵니다.

알파 붕괴는 핵에서 양성자 2개와 중성자 2개가 묶인 덩어리(헬륨 원자핵)가 통째로 빠져나오는 것입니다. 그래서 질량수는 4, 원자번호는 2 줄어듭니다. 무거운 핵에서 주로 일어납니다. 흥미로운 것은 알파 입자가 핵 밖으로 나갈 만한 에너지가 없다는 점입니다 — 그런데도 나옵니다. 터널 효과 덕분입니다.

베타 붕괴는 핵 속의 중성자 하나가 양성자로 바뀌면서 전자와 반중성미자를 내보내는 것입니다. 핵자 수는 그대로이므로 질량수는 변하지 않고, 양성자가 하나 늘어 원자번호만 1 커집니다. 중성자가 너무 많은 핵이 균형을 잡는 방법입니다.

감마 붕괴는 들뜬 상태의 핵이 남는 에너지를 광자로 내보내며 바닥 상태로 내려가는 것입니다. 핵자 수도 양성자 수도 변하지 않으므로 원소가 바뀌지 않습니다. 알파·베타 붕괴 직후에 딸린 채로 함께 관측되는 경우가 많습니다.

언제 붕괴할지는 예측할 수 없지만, 단위 시간당 붕괴할 확률은 핵마다 일정합니다. 그래서 개수가 지수적으로 줄고, 여기서 반감기가 나옵니다. 이 규칙성 덕분에 암석의 절대 연령(방사성 동위원소)을 잴 수 있습니다. 한편 방사선은 세포의 DNA를 손상시켜 돌연변이를 일으킬 수 있어 차폐와 관리가 필요합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

알파 붕괴 — 위아래 숫자 맞추기

$_{92}^{238} U \to_{90}^{234} Th +_{2}^{4} He$

질량수는 $238 = 234 + 4$ , 원자번호는 $92 = 90 + 2$ 로 양변이 맞습니다. 이 두 보존이 핵반응식을 완성하는 유일한 열쇠입니다. 원소 이름을 몰라도 원자번호만 계산하면 무엇이 되는지 알 수 있습니다.
예시 2

베타 붕괴 — 원소가 바뀌지만 질량수는 그대로

$_{6}^{14} C \to_{7}^{14} N + e^{-} + \overset{ν}{ˉ}$

핵자 수는 14로 그대로인데 양성자가 하나 늘어 탄소가 질소가 됩니다. 나온 전자는 핵 안에 원래 있던 전자가 아니라, 중성자가 양성자로 바뀌는 순간 만들어진 것입니다.
예시 3

투과력이 다른 이유

알파선은 무겁고 전하가 커서 물질 속 전자와 격렬하게 부딪혀 종이 한 장에도 막힙니다. 베타선은 훨씬 가벼워 알루미늄 판 정도가 필요하고, 전하가 없는 감마선은 납이나 두꺼운 콘크리트라야 줄어듭니다. 다만 투과력이 약하다고 안전한 것은 아닙니다 — 알파선을 내는 물질을 마시거나 삼키면 체내에서 모든 에너지를 좁은 부위에 쏟아붓습니다.

세 가지 방사선

구분	알파( $α$ )	베타( $β$ )	감마( $γ$ )
정체	헬륨 원자핵 $_{2}^{4} He$	전자 $e^{-}$	고에너지 광자(전자기파)
전하	$+ 2$	$- 1$	$0$
질량수 변화	$- 4$	변화 없음	변화 없음
원자번호 변화	$- 2$	$+ 1$	변화 없음
투과력	약함(종이)	중간(알루미늄 판)	강함(납·콘크리트)