입자물리 3부

 

 

앞서 이야기 했던 베타 붕괴라는 것을 보자.

불안정한 원자핵이 자발적으로 에너지를 방출하는 것을 말하는데 쉽게 말하면 라듐 같은 광물에서 방사선이 발산되는 것을 이야기 한다. 방사선은 알파선, 베타선과 감마선으로 나뉘고 헬륨 같은 무거운 핵 원자가 자연적으로 붕괴 될 때 나오는 알파선과 그보다 강력한 전자 방출의 베타선, 그리고 불안정한 원자핵에서 강력한 광자가 발산되는 감마선으로 나눌 수 있다.

여기서 베타 붕괴는 바로 베타선의 발산 과정인 것이다.

 

 

 

 

 

더 자세히 살펴보자.

 

알파 붕괴에 의한 알파선은 원자핵의 핵자수가 많아지면서 핵이 무거워지면 양성자와 중성자가 각각 2개씩 떨어져 나가게 된다. 이 때 떨어져나간 양성자와 중성자가 알파선을 이루는 것이다. 입자가 큰 만큼 투과성은 좋지 못하지만 호흡기로 인체에 유입되었을 때는 인체 내에서 이온변화를 가져오기때문에 가장 위험한 방사선이라 한다.

 

 

 

 

 

베타 붕괴에 의한 베타선은 양성자에 비하여 중성자가 많아지면 중성자가 붕괴되어 베타선을 방출하면서 양성자로 바뀌는 것이다. 원자핵에서 중성자는 양성자들 사이에서 시멘트와 같은 역할을 한다고 한다. 시멘트가 너무 많으면 흘러내리듯이 중성자의 수가 많으면 떨어져서 음의 베타 붕괴를 일으키게 된다.

일반적으로 별다른 설명 없이 베타 붕괴라 할 때는 음의 베타 붕괴를 말한다.

중성자는 down쿼크+down쿼크+up쿼크로 이루어졌는데 붕괴 시 W-보존을 방출하면서 down쿼크가 up쿼크로 바뀌어 양성자가 되고 여기서 방출된 W-보존이 전자와 반중성미자가 된다. 바뀌며 방출된 전자가 베타선이다.

 

이것을 식으로 나타내면

β-  :   N → P + e + /ν

 

양의 베타 붕괴는 반대로 up쿼크+up쿼크+down쿼크로 이루어진 양성자가 에너지를 흡수하여 W+보존을 방출하면서 중성자로 바뀌고 반전자인 양전자와 중성미자로 되는 것을 말한다. 베타선의 방출은 바뀐 양전자이다.

 

이것을 식으로 나타내면

β+  :       P + Energy → p + (e + /e) + (ν + /ν)

                        → (P +/ν + e) + /e + ν

                        → N + /e + ν

 

베타 붕괴에서 베타선과 함께 바뀐 중성미자가 발견되기 전에는 에너지 보존법칙에 따라 양성자 힘의 양과 붕괴된 전자 힘의 양이 원래의 중성자보다 작아서 베타 붕괴가 에너지 보존법칙의 예외라는 논란이 있었다. 하지만 중성미자의 발견으로 에너지 보존법칙은 불변이라는 것이 입증되었고, 입자의 반대 물질인 반입자의 존재 또한 확인하였다.

 

 

 

 

 

알파 붕괴와 베타 붕괴가 원자핵 내에서의 변화로 원자 구조가 변화하는 것에 비해 감마 붕괴는 원자 에너지의 변화이다. 알파 붕괴와 베타 붕괴에서 원자 입자를 방출하고 바뀐 새로운 원자는 핵자와 전자의 수가 맞지 않게 되어 불안정한 원자상태가 된다. 양성자와 중성자보다 많은 에너지를 가진 들뜬 상태의 전자는 바닥상태로 전이될 때 강력한 광자를 방출하게 되며 이 광자가 바로 감마선이다.

 

원자는 원자를 구성하는 핵자의 수가 많아져도 불안정해지며 양성자와 중성자의 비율, 핵자와 전자의 비율이 맞지 않아도 불안정해 지는 것이다. 반면 안정된 원자는 핵자수가 56으로 결집에너지가 최대가 되는 원자를 말하며 원자번호 26인 철(Fe)이 가장 안정된 원자라 하겠다. 철보다 핵자수가 작으면 융합을 통해 안정을 얻으려고 할 것이고 많으면 붕괴를 통해 안정을 얻으려고 할 것이다. 

 

 

 

 

 

 

감마선은 광자가 방출되는 것이니 만큼 전자기파의 일종으로 진동수가 높고 파장이 가장 짧은 전자기파이며 투과율도 높고 강력한 에너지를 가진 방사선이다. 반면 알파선과 베타선은 핵붕괴 방사선의 일종일 뿐 엄밀히 말하면 전자기파는 아닌 입자선

으로 X-선과는 어느 정도 구별이 된다.

 

 

 

 

 

X-선은 전자기스펙트럼에서 감마선의 바로 하위 범위인데 발생 원리는 가속된 전자를 금속판에 충돌시키면 제동복사에 의해 전자에서 강력한 전자기파를 복사한다. 일종의 제동방사선이며 발견자인 뢴트겐이 어떤 광선인지를 모르겠다고 하여 X선이라 불렀다. 

 

일반적으로 방사선은 방사선이 투과된 분자나 원자가 이온화 되는 전리방사선을 칭하는데 종류로는 알파선, 베타선, 감마선, X선과 중성자선이 있다.

중성자선은 원자력 발전에서 방출되어 핵붕괴의 연쇄반응을 일으키는 입자선이다. 우라늄, 플루토늄과 같은 무거운 원자핵에 감마선이나 핵분열 시 발생된 중성자를 충돌시키면 원자는 핵분열이 일어나고 여기서 또 다른 중성자 입자와 알파선, 베타선, 감마선이 발생되어 안정된 원자가 될 때까지 연쇄적인 핵붕괴를 일으키게 되어 막대한 에너지를

방출하게 되는 것이다.

이렇게 핵붕괴 과정에서 산출되는 에너지는 자연계에 영향을 주기도 하며 생활연료나 의료용, 산업용 등 우리의 일상에서도 유용하게 사용되고 있으나 양날의 칼이니 만큼 인류가 현명하게 사용하여야 하며 오만함의 바벨탑을 쌓아서는 안될것이다.