방사성잘 이해되지 않은 단어입니다. 공포에 휩싸이고 본질적으로 외계적이고 위험 해 보이는 방사성 붕괴의 본질은 여러분이 물리학 학생이든 관심있는 평신도인지에 대해 배울 가치가있는 것입니다.
현실은 방사능이 원소의 원자 번호 변화 및 / 또는 감마선 방출로 이어지는 핵 반응을 본질적으로 설명한다는 것입니다. 방출 된 방사선이 "이온화"되기 때문에 다량으로 위험합니다 (즉, 원자에서 전자를 제거하기에 충분한 에너지를 가짐). 하지만 이것은 흥미로운 물리적 현상이며 실제로 대부분의 사람들은 위험에 처할만큼 방사성 물질 주위에 있지 않습니다.
핵은 융합에 의해 더 낮은 에너지 상태를 달성 할 수 있습니다. 즉, 두 핵이 융합되어 더 무거운 핵, 그 과정에서 에너지를 방출하거나 핵분열에 의해 무거운 원소가 더 가벼운 하나. 핵분열은 원자로와 핵무기에서 에너지의 원천이며, 특히 대부분의 사람들이 방사능에 대해 생각할 때 그리는 것입니다. 하지만 대부분의 경우 핵이 본질적으로 낮은 에너지 상태로 변하면 방사능 붕괴로 귀결됩니다.
방사성 붕괴에는 알파 붕괴, 베타 붕괴 및 감마 붕괴의 세 가지 유형이 있지만 베타 붕괴 자체는 세 가지 유형이 있습니다. 이러한 형태의 핵 붕괴에 대해 배우는 것은 모든 핵 물리학 과정에서 중요한 부분입니다.
알파 붕괴
알파 붕괴는 핵이 "알파 입자"(α- 입자)를 방출 할 때 발생합니다. 알파 입자는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자의 조합으로, 주기율표를 안다면 헬륨 핵으로 인식 할 것입니다.
이 과정은 결과 원자의 질량과 속성 측면에서 이해하기 매우 쉽습니다. 질량수 (양성자 2 개, 전자 2 개)와 원자 번호 2 개 (양성자 2 개) 잃어버린). 이것은 원래 원자 (즉, "모"핵)가 알파 붕괴를 겪은 후에 다른 요소 ( "딸"핵을 기반으로 함)가됨을 의미합니다.
알파 붕괴로 방출되는 에너지를 계산할 때 헬륨 핵의 질량을 빼야합니다. 모 원자의 질량에서 딸 원자를 추출하여 아인슈타인의 유명한 방정식이자형 = mc2. 원자 질량 단위 (amu)로 작업하고 누락 된 질량에 계수를 곱하면 일반적으로이 계산을 수행하는 것이 더 쉽습니다.
씨2 = 931.494 MeV / amu. 이는 MeV (즉, 메가 전자 볼트) 단위의 에너지 값을 반환하며, 전자 볼트는 1.602 × 10입니다.−9 줄이며 일반적으로 원자 규모의 에너지 작업에 더 편리한 단위입니다.베타 붕괴: 베타-플러스 붕괴 (양전자 방출)
베타 붕괴에는 세 가지 종류가 있기 때문에 유사점이 많지만 각각에 대해 차례로 배우는 것이 도움이됩니다. 베타 플러스 붕괴는 양성자가 중성자로 변할 때, 베타 플러스 입자 (즉, β + 입자)가 중성미자라고하는 전하가없는 거의 질량이없는 입자와 함께 방출됩니다. 이 과정의 결과로 딸 원자는 부모 원자보다 양성자가 하나 적고 중성자는 하나 더 많지만 전체 질량 수는 동일합니다.
베타 플러스 입자는 실제로 전자에 해당하는 반물질 입자 인 양전자라고합니다. 그것은 전자의 음전하와 같은 크기의 양전하와 전자와 같은 질량을 가지고 있습니다. 방출 된 중성미자는 기술적으로 전자 중성미자라고합니다. 이 과정에서 하나의 일반 물질 입자와 하나의 반물질 입자가 방출됩니다.
이 붕괴 과정에서 방출되는 에너지를 계산하는 것은 다른 형태의 에너지보다 조금 더 복잡합니다. 왜냐하면 부모 원자의 질량은 딸 원자의 질량보다 하나 더 많은 전자의 질량을 포함하기 때문입니다. 질량. 또한, 그 과정에서 방출되는 β + 입자의 질량도 빼야합니다. 기본적으로 딸 입자의 질량을 빼고두부모 입자의 질량에서 전자를 얻은 다음 이전과 같이 에너지로 변환합니다. 중성미자는 너무 작아서 안전하게 무시할 수 있습니다.
베타 붕괴: 베타 마이너스 붕괴
베타-마이너스 붕괴는 본질적으로 베타-플러스 붕괴의 반대 과정으로, 중성자가 양성자, 베타-마이너스 입자 (β- 입자)와 전자 항 중성미자를 방출합니다. 방법. 이 과정으로 인해 딸 원자는 부모 원자보다 중성자가 하나 적고 양성자가 하나 더 많을 것입니다.
β- 입자는 실제로는 전자이지만, 붕괴에 대한 베타 방출이 처음 발견되었을 때 아무도 입자가 실제로 무엇인지 몰랐기 때문에이 맥락에서 다른 이름을 가지고 있습니다. 또한, 베타 입자라고 부르는 것은 그것이 베타 붕괴 과정에서 비롯된 것임을 상기시켜주기 때문에 유용합니다. 각각에서 일어나는 일을 기억하려고 노력합니다. 양성 베타 입자는 베타 플러스 붕괴로 방출되고 음성 베타 입자는 베타 마이너스로 방출됩니다. 부식. 그러나이 경우 중성미자는 반물질 입자이지만 다시 한 번 반물질 입자와 규칙 물질 입자 하나가 그 과정에서 방출됩니다.
이러한 유형의 베타 붕괴에서 방출되는 에너지를 계산하는 것은 조금 더 간단합니다. 딸 원자가 보유한 여분의 전자가 베타 방출에서 손실 된 전자와 함께 상쇄되기 때문입니다. 이것은 ∆를 계산하는 것을 의미합니다.미디엄, 부모 원자의 질량에서 딸 원자의 질량을 뺀 다음 빛의 속도 제곱 (씨2), 이전과 같이 원자 질량 단위당 메가 전자 볼트로 표현됩니다.
베타 붕괴 – 전자 포획
마지막 유형의 베타 붕괴는 처음 두 가지와 매우 다릅니다. 전자 포획에서 양성자는 전자를 "흡수"하고 전자 중성미자를 방출하면서 중성자로 변합니다. 따라서 이것은 원자 번호 (즉, 양성자 수)를 1 감소시키고 중성자 수를 1 증가시킵니다.
이것은 하나의 물질과 하나의 반물질 입자가 방출되는 지금까지 패턴을 위반하는 것처럼 보일 수 있지만이 균형의 실제 이유에 대한 힌트를 제공합니다. "렙톤 수"( "전자 가족"수라고 생각할 수 있음)는 보존되며 전자 또는 전자 중성미자는 렙톤 번호가 1이고 양전자 또는 전자 반 중성미자는 렙톤 번호가 −1.
다른 모든 프로세스가이를 쉽게 수행하는 것을 볼 수 있어야합니다. 전자 포획의 경우 전자 포획시 렙톤 수가 1 감소하므로 균형을 맞추기 위해 렙톤 수가 1 인 입자를 방출해야합니다.
전자 포획에서 방출되는 에너지를 계산하는 것은 매우 간단합니다. 전자는 부모 원자에서 나오기 때문에 부모와 딸 사이의 전자 수 차이에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 원자. 당신은 ∆를 찾습니다미디엄단순히 부모 원자의 질량에서 딸 원자의 질량을 빼면됩니다. 과정에 대한 표현은 일반적으로 왼쪽에 전자와 함께 작성되지만, 간단한 규칙은 이것이 실제로 질량 측면에서 부모 원자의 일부임을 상기시킵니다.
감마 붕괴
감마 붕괴는 고 에너지 광자 (전자기 복사)의 방출을 포함하지만 원자의 양성자와 중성자의 수는 그 과정의 결과로 변하지 않습니다. 전자가 더 높은 에너지 상태에서 더 낮은 에너지 상태로 전환 될 때 광자의 방출과 유사하지만이 경우 전환은 원자의 핵에서 발생합니다.
유사한 상황 에서처럼, 더 높은 에너지 상태에서 더 낮은 에너지 상태로의 전환은 광자의 방출에 의해 균형을 이룹니다. 이것들은 10keV 이상의 에너지를 가지며 일반적으로 감마선이라고합니다.하지만 정의가 실제로 엄격하지는 않지만 (예를 들어 에너지 범위는 X 선과 겹칩니다).
알파 또는 베타 방출은 핵을 더 높은 에너지의 여기 상태로 남길 수 있으며 이러한 과정의 결과로 방출되는 에너지는 감마선 형태로 이루어집니다. 그러나 핵은 다른 핵과 충돌하거나 중성자에 부딪힌 후에도 더 높은 에너지 상태가 될 수 있습니다. 모든 경우의 결과는 동일합니다. 핵은 여기 상태에서 낮은 에너지 상태로 떨어지고 그 과정에서 감마선을 방출합니다.
방사성 붕괴의 예 – 우라늄
우라늄 -238은 알파 입자 (즉, 헬륨 핵)의 방출과 함께 토륨 -234로 붕괴되며, 이것은 방사성 붕괴의 가장 잘 알려진 예 중 하나입니다. 프로세스는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
^ {238} \ text {U} \ to \; ^ {234} \ text {Th} + \; ^ 4 \ text {그}
이 과정에서 방출되는 에너지의 양을 계산하려면 원자 질량이 필요합니다. 238U = 238.05079 amu, 234Th = 234.04363 amu 및 4He = 4.00260 amu, 모든 질량은 원자 질량 단위로 표시됩니다. 이제 프로세스에서 얼마나 많은 에너지가 방출되는지 알아보기 위해 ∆미디엄원래 부모 원자의 질량에서 생성물의 질량을 뺀 다음 이것이 나타내는 에너지의 양을 계산합니다.
\ begin {aligned} ∆m & = \ text {(상위 질량)}-\ text {(제품 질량)} \\ & = 238.05079 \ text {amu}-234.04363 \ text {amu}-4.00260 \ text {amu} \\ & = 0.00456 \ text {amu} \\ E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00456 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 4.25 \ text {MeV} \ end {정렬}
다단계 방사능 붕괴의 예
방사성 붕괴는 종종 시작 지점과 최종 지점 사이에 여러 단계가있는 사슬에서 발생합니다. 이러한 붕괴 사슬은 길고 전체 과정에서 방출되는 에너지의 양을 계산하는 데 많은 단계가 필요하지만 그러한 사슬의 일부를 취하면 접근 방식을 알 수 있습니다.
사슬의 끝에 가까운 토륨 -232의 붕괴 사슬을 보면 불안정한 핵 (즉, 불안정한 동위 원소의 원자, 짧은 반감기) 비스무트 -212의 베타-마이너스 붕괴를 거쳐 폴로늄 -212로 분해 된 다음 알파 붕괴를 거쳐 납 -208, 안정된 동위 원소. 이 과정에서 방출되는 에너지를 단계별로 계산할 수 있습니다.
첫째, 비스무트 -212에서 베타-마이너스 붕괴 (미디엄= 211.99129 amu)를 폴로늄 -212 (미디엄= 211.98887 amu)는 다음을 제공합니다.
\ begin {aligned} ∆m & = \ text {(부모의 질량)}-\ text {(딸의 질량)} \\ & = 211.99129 \ text {amu}-211.98887 \ text {amu} \\ & = 0.00242 \ text {amu} \ end {aligned}
전자 수의 변화는 베타 마이너스 붕괴에서 상쇄된다는 것을 기억하십시오. 릴리스 :
\ begin {aligned} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00242 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 2.25 \ text {MeV} \ end {aligned}
다음 단계는 폴로늄 -212에서 납 -208 로의 알파 붕괴입니다 (미디엄= 207.97665 amu) 및 하나의 헬륨 핵.
\ begin {aligned} ∆m & = \ text {(상위 질량)}-\ text {(제품 질량)} \\ & = 211.98887 \ text {amu}-207.97665 \ text {amu}-4.00260 \ text { amu} \\ & = 0.00962 \ text {amu} \ end {aligned}
그리고 에너지는 :
\ begin {aligned} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00962 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 8.96 \ text {MeV} \ end {aligned}
그러면 전체적으로 2.25 MeV + 8.96 MeV = 11.21 MeV의 에너지가 프로세스에서 방출됩니다. 물론주의하면 (알파 입자 포함, 프로세스에 베타 플러스 붕괴가 포함 된 경우 추가 전자 포함) 단일 단계에서 질량의 차이를 계산 한 다음 변환 할 수 있지만이 접근 방식은 각 시간에서 방출되는 에너지를 알려줍니다. 단계.