방사성 원소의 붕괴(2012, 고3, 10월)

방사성 원소의 붕괴 (이미지 출처, 디라이브러리)

자연에 존재하는 대부분의 원자핵은 안정된 상태이지만, 원자 번호가 83을 초과하면 양성자 사이의 전기적 반발력이 커져 불안정해진다. 이러한 원자핵은 자발적으로 방사선을 방출하여 안정된 다른 종류의 핵으로 변환하려고 한다. 이때 방출되는 방사선에는 알파선, 베타선, 감마선이 있으며, 이와 같은 방사선을 방출하여 안정된 다른 종류의 원자핵이 되는 현상을 방사성 원소의 붕괴라고 한다.

알파 붕괴란 알파선을 방출하는 방사성 원소의 붕괴로, 질량수가 큰 불안정한 원자핵들이 질량수가 작은 안정된 원자핵으로 변환되는 것이다. 이때 방출되는 알파선은 헬륨의 원자핵인데, 이것은 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 이루어져 있다. 따라서 방사성 원소가 알파 붕괴를 하면 양성자와 중성자의 수가 각각 두 개씩 줄어들어, 원자 번호는 2만큼 감소하고 양성자와 중성자의 합인 질량수는 4만큼 감소하게 된다. 92개의 양성자와 146개의 중성자를 가진 우라늄 238이 알파 붕괴를 하면 90개의 양성자와 144개의 중성자를 가진 토륨이 되는데, 이를 아래와 같은 핵 반응식으로 나타낼 수 있다.

 

베타선을 방출하는 베타 붕괴는 중성자가 양성자보다 지나치게 많은 불안정한 원자핵이 중성자의 수를 줄여 보다 안정된 원자핵으로 변환되는 것이다. 베타 붕괴를 할 때에는 원자핵에 있는 중성자가 양성자와 전자로 변한 다음, 양성자는 핵에 그대로 남고 전자만 외부로 방출된다. 이 경우 사라지는 중성자 대신 양성자가 하나 생기게 되므로 원자 번호는 하나 증가하지만 질량수는 변화가 없다. 55개의 양성자와 82개의 중성자를 가진 세슘이 베타 붕괴를 하면 56개의 양성자와 81개의 중성자를 가진 바륨이 되며, 그 핵 반응식은 다음과 같다.

 

감마선을 방출하는 감마 붕괴는, 알파 붕괴와 베타 붕괴를 통해 새로 생긴 원자핵이 불안정한 들뜬 상태에 있을 때 안정된 상태로 변하기 위하여 전자기파의 형태로 에너지를 방출하는 것을 말한다. 따라서 감마 붕괴는 원자 번호와 질량수에 변화가 없고, 알파 붕괴나 베타 붕괴와 연동하여 발생된다. 즉, 알파선과 감마선이 함께 방출되거나 ㉠베타선과 감마선이 함께 방출된다.

자연 방사성 원소는 납과 같이 안정된 물질에 이르면 더 이상 붕괴되지 않는다. 그러나 안정된 원자핵일지라도 입자 가속기에서 나온 고속의 입자를 충돌시켜 불안정한 상태를 만들어 주면 인공적으로 방사선을 방출시킬 수 있다. 이와 같은 인공적 방사성 원소는 쉽게 만들어 낼 수 있고 값도 비싸지 않아 과학적인 탐구나 산업, 의료 활동 등에 많이 활용된다. 그러나 방사선은 생명체를 통과하면서 전리(電離)* 현상을 일으켜 세포의 분열 저해, 돌연 변이, 조직의 파괴 등 여러 가지 생물학적 변화를 유발할 수 있다. 따라서 일반인과 달리 방사성 원소를 많이 취급하는 사람은 일정량 이상의 방사선에 노출되지 않도록 유의해야 한다.

*전리:전하를 띠는 양이온 또는 음이온으로 됨.

― 할러데이 외, ‘일반물리학’