핵안정성 및 방사성 붕괴

세그레표(Segre Chart) 또는 핵종 도표

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• 저작자: 위키미디어 유저 Sjlegg
• 라이선스: CC BY-SA 3.0

• 원자번호 $Z$가 20보다 큰 핵종들의 경우, 안정화를 위해 양성자 수보다 더 많은 중성자들이 필요
• 중성자들은 양성자들 간의 전기적 반발력을 이기고 핵을 묶어 두는 역할을 함

방사성 붕괴(Radioactive Decay)를 하는 이유

• 특정한 중성자와 양성자의 조합만이 안정한 핵종을 이룸
• 양성자 수 대비 중성자 수가 너무 많거나 적으면 해당 핵종은 불안정하여 방사성 붕괴(radioactive decay) 를 일으킴
• 붕괴 이후 생성된 핵은 대부분 들뜬 상태이므로, 감마선이나 엑스선의 형태로 에너지를 방출

베타붕괴($\beta$-decay)

양의 베타붕괴($\beta^+$-decay)

\[p \to n+\beta^+ +\nu_e\]

• 중성자 수가 상대적으로 부족한 경우 일어남
• 양성자($p$)가 중성자($n$)로 바뀌며 양전자($\beta^+$)와 전자 중성미자($\nu_e$)를 방출
• 원자번호는 1 감소, 질량수는 변화 없음

예) $^{23}_{12}\text{Mg} \to\;^{23}_{11}\text{Na} + e^+ + \nu_e$

음의 베타붕괴($\beta^-$-decay)

\[n\to p+\beta^- + \overline{\nu}_e\]

• 중성자 수가 상대적으로 과도한 경우 일어남
• 중성자($n$)가 양성자($p$)로 바뀌며 전자($\beta^-$)와 전자 반중성미자($\overline{\nu}_e$)를 방출
• 원자번호는 1 증가, 질량수는 변화 없음

예) $^3_1\text{H} \to\;^3_2\text{He} + e^- + \overline{\nu}_e$

방출되는 전자(양전자)의 에너지 스펙트럼

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• 저작자: 독일 위키피디아 유저 HPaul
• 라이선스: CC BY-SA 4.0

• 베타붕괴에서 방출되는 전자 또는 양전자는 위와 같은 연속 에너지 스펙트럼을 보인다.
• $\beta^-$ 붕괴: $\overline{E}\approx 0.3E_{\text{max}}$
• $\beta^+$ 붕괴: $\overline{E}\approx 0.4E_{\text{max}}$

붕괴 사슬(Decay Chain)

종종 베타붕괴를 통해 형성된 딸핵종(daughter nuclide) 도 불안정하여 연달아 베타붕괴가 일어나곤 한다. 이는 다음과 같은 붕괴 사슬(decay chain) 로 이어진다.

\[^{20}\text{O} \overset{\beta^-}{\rightarrow}\;^{20}\text{F} \overset{\beta^-}{\rightarrow}\;^{20}\text{Ne (stable)}\]

전자포획(Electron Capture) 또는 K-포획(K-capture)

\[p + e \to n + \nu_e\]

• 중성자 수가 상대적으로 부족한 경우 일어남
• 최내각(K-껍질)의 전자를 포획하여 원자핵 내의 양성자를 중성자로 전환
• 원자번호는 1 감소, 질량수는 변화 없음
• 전자포획 후에는 전자구름에 빈 공간이 형성되어 추후 바깥쪽의 다른 전자가 이동함으로써 채워지는데, 이때 엑스선이나 오제 전자(Auger electron)를 방출
• 전자포획에 의해 생겨난 딸핵종(daughter nuclide)은 $\beta^+$붕괴에 의해 생성된 핵과 동일하므로, 이 두 과정은 서로 경쟁한다.

알파붕괴($\alpha$-decay)

• 알파입자($\alpha$, $^4_2\text{He}$)를 방출
• 원자번호는 2만큼 감소하고, 질량수는 4만큼 감소
• 납보다 무거운 핵들에서 흔히 일어남
• 베타붕괴와 달리, 알파붕괴 시 방출되는 알파입자의 에너지는 양자화되어 있다.

예) $^{238}_{92}\text{U} \to\;^{234}_{90}\text{Th} +\; ^4_2\text{He}$

자발 핵분열(Spontaneous Fission)

• 매우 무겁고 불안정한 핵종은 중성자를 흡수하지 않고도 스스로 핵분열하기도 함
• 넓은 의미로 방사성 붕괴에 포함함

양성자 방출(Proton Emission)

• 양성자가 극도로 많은 불안정한 핵종의 경우, 양성자 1개를 단독으로 방출하기도 함
• 원자번호와 질량수가 1만큼 감소
• 매우 드물게 일어남

붕괴도와 이성체 천이

붕괴도(Decay Scheme)

붕괴도(decay scheme): 방사성 물질의 모든 붕괴 경로를 시각적으로 나타낸 도표

이성체 천이(Isomeric Transition)

• 방사성 붕괴에 의해 형성된 핵은 변환 후에도 들뜬 상태인 경우가 있는데, 이 경우 감마선의 형태로 에너지를 방출한다(감마선 방출 시 핵종이 바뀌지는 않으므로 엄밀히는 붕괴가 아니지만, 관습적으로 감마붕괴라는 표현을 사용하기도 한다).
• 들뜬 상태의 핵은 대부분 아주 짧은 시간 내에 감마선을 방출하며 바닥 상태로 천이하지만, 특정한 경우에는 감마선 방출이 지연되어 준안정상태처럼 보이기도 한다. 이러한 지연상태를 해당 핵의 이성체 상태(isomeric transition) 라 한다.
• 이성체 상태에서 감마선을 방출하며 바닥 상태로 천이하는 것을 이성체 천이(isomeric transition) 라 하고 IT로 표시한다.

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  • 저작자: 영국 위키미디어 유저 Daveturnr
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