核物理學

放射性 崩壞 核分裂 核融合

放射性 崩壞 알파 崩壞 · 베타 崩壞 · 감마 崩壞

기타 崩壞 二重 베타 崩壞 · 이中 電子 捕獲 · 內部 轉換 · 異性質核 轉移 · 뭉치 崩壞 · 自發 核分裂

放出 過程 中性子 放出 · 陽電子 放出 · 陽性子 放出

高에너지 反應 核破碎 · 宇宙船 破碎 · 狂崩壞

核合成 恒星 核合成 大爆發 核合成 超新星 核合成

科學者 러더퍼드   · 바바   · 베크렐   · 베테   · 퀴리   · 페르미

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放射性 崩壞 (放射性崩壞), 또는 放射性 減衰 (放射性減衰), 核崩壞 (核崩壞, radioactive decay)란 不安定한 原子核 이 自發的으로 이온化 粒子와 放射線 의 放出을 통해서 에너지를 잃고 安定된 狀態로 가는 過程이다.

모든 原子는 原子核 周邊을 電子들이 둘러싼 形態로 이루어져 있는데, 이때 電子들의 에너지準位가 가장 낮은 狀態로 配置된 瞬間을 바닥狀態 (ground state)라고 한다. 그리고 外部로부터 原子核에 에너지가 加해지면 不安定한 狀態에 놓이게 되는데, 이때를 들뜬狀態 (excited state)라고 한다. 自然系의 모든 物質은 不安定한 狀態(들뜬狀態)에서 安定한 狀態(바닥狀態)로 가려는 性質이 있다.

한便, 外部에서 에너지를 加해 주지 않아도 本來 原子의 狀態가 不安定한 元素들이 있는데, 이들 元素를 放射性核種(放射性物質)이라고 한다. 이들 放射性核種의 原子核이 不安定한 狀態에서 安定한 狀態의 原子核으로 바뀌는 現象이 放射性 崩壞이다. 放射性核種들은 自然 狀態에서는 일정한 時間이 지나면 그 量이 元來 原子의 個數에서 折半으로 줄어드는 特性이 있다. 그렇게 半減되는 時間을 ' 半減期 '라고 하며, 放射性核種마다 固有한 半減期를 가진다. 半減期(T)는 ${\displaystyle T={\frac {\ln 2}{\lambda }}={\frac {0.693}{\lambda }}}$으로 求할 수 있다.

이러한 崩壞, 또는 에너지의 損失은 한 種類의 原子를 다른 種類의 原子로 變換시킨다. 여기서 元來의 原子를 父母 核種, 變換 後의 原子를 딸 核種이라고 부른다. 例를 들면, 炭素-14 原子 (父母)는 放射線 을 放出하고 窒素-14 原子(딸)로 變換된다. 이는 原子 水準의 無作爲的인 過程( stochastic process 또는 random process)이기 때문에 언제 하나의 原子가 崩壞할지를 豫測하는 것이 不可能하지만, ^[1] 많은 數의 同種 原子라면 그 平均 崩壞率은 豫測 可能하다.

이러한 作用의 SI 單位 는 베크렐 (Bq)이다. 1Bq은 1秒當 1番의 變換(或은 崩壞)으로 定義된다. 放射性 物質의 適當한 크기의 샘플은 많은 原子를 包含하기 때문에, 1 Bq은 崩壞에 對한 매우 작은 測定量이다. 따라서 GBq(기가베크렐, 秒當 10 ⁹ 番의 崩壞) 또는 TBq(테라베크렐, 秒當 10 ¹² 番의 崩壞)의 量이 主로 쓰인다. 放射能의 다른 單位는 퀴리 (Ci)이며, 이는 元來 1g의 純粹한 라듐-226과의 平衡狀態의 라듐 에마나티온 (radium emanation, 라돈-222)의 量이다. 現在는 定義에 依해, 1Ci는 崩壞率 3.7 × 10 ¹⁰ Bq으로 崩壞하는 核種의 作用과 같다. 現在는 國際單位系 (SI)가 Ci의 使用을 勸奬하지 않고 있다.

放射性 崩壞 에는 알파, 베타, 감마 崩壞 等等의 여러 가지 過程이 있다. 이러한 崩壞들이 發見되었을 때는 崩壞들의 特性을 잘 알지 못했기 때문에 알파, 베타, 감마라는 이름으로 命名되었었다. 放射性 崩壞 는 放射能 連帶 測定 에도 活用된다.

放射性 崩壞가 일어나는 理由 [ 編輯 ]

核과 核에 接近하는 다른 粒子들을 이루는 中性子 와 陽性子 는 몇 가지 相互作用을 한다. 익숙한 巨視的인 世界에서는 볼 수 없는 强한 核力 이 아원자 次元에서는 가장 剛한 힘이다. 電氣力 (electrostatic force)은 거의 恒常 重要하고, 베타 崩壞 의 境遇에는 弱한 核力 또한 관여된다.

이러한 힘들의 相互作用은, 粒子의 再整列으로 인한 에너지를 放出하는 서로 다른 수많은 現象을 만들어 낸다. 原子核의 粒子의 어떤 構成은 粒子들이 아무리 조금만 移動하더라도 粒子들은 낮은 에너지의 配列로 再配列하고 若干의 에너지를 放出한다. 山 위에 쌓인 눈과 같은 比喩를 생각할 수도 있다. 얼음 決定 사이의 摩擦力 이 눈의 무게를 支撐하지만, 그 界(system)는 낮은 에너지 狀態에 비하면 本質的으로 不安定하다. 따라서 外亂이 發生하면 큰 엔트로피 狀態로 가게 되는 것이다. 界는 熱을 發生하면서 바닥狀態로 移動하고, 全體 에너지는 수많은 量子 狀態 全體로 分散될 것이다. 結局, 애벌랜치(avalanche, 눈沙汰)가 發生한다. 이 過程에서 全體 에너지는 變하지 않았지만, 엔트로피의 法則 때문에, 어밸런치는 한 方向으로만 일어나며, " 바닥狀態 "(最大限의 에너지가 分配될 수 있는 가장 確率이 높은 境遇의 狀態)를 向하게 된다.

이러한 崩壞 는 特定한 活性化 에너지 가 必要하다. 눈沙汰(snow avalanche)에서는 이 에너지가 系의 外部로부터의 任意的으로 작은 外亂으로 나타난다. 들뜬 原子核 의 境遇에는, 任意的으로 작은 外亂이 兩者 眞空 搖動(vacuum fluctuations) 으로 나타난다. 放射性 原子(또는 兩者 力學의 어떤 들뜬 界)는 不安定하고, 따라서 自發的으로 덜 들뜬 系로 安定化된다. 그로 인한 變換은 核의 構造를 變換시키고 光子와 質量을 가진 高速 粒子( 電子 , 알파 粒子 또는 다른 種類의 粒子)의 放出을 招來한다.

放射性 崩壞의 發見 [ 編輯 ]

放射能은 1896年 프랑스 科學者 앙리 베크렐 이 螢光 物質( 우라늄 廉)에 對해 硏究하던 中 처음으로 發見되었다. 이 物質은 빛에 露出된 後에 어둠 속에서 빛을 내고, 그는 螢光 物質은 X-線 과 聯關이 있고, 그 빛은 X-線에 依해 陰極線管 에서 生成되었다고 생각했다. 그는 검은 종이로 感光板을 싸고 다양한 螢光廉(phosphorescent salt)을 그 위에 올렸다. 우라늄 殮을 쓰기 前까지 모든 結果가 否定的이었다. 그 化合物을 쓰니 판이 津한 검은色이 되었다. 이 放射線을 베크렐선이라고 불렀다.

곧 感光板의 黑化는 螢光 現象과는 아무 關聯이 없다는 것이 분명해졌다. 왜냐하면 殮이 빛을 받지 않아도 판이 黑化되었기 때문이다. 우라늄 의 비형光焰과 金屬 우라늄 또한 판을 黑化 시켰다. 分明히 종이를 通過할 수 있고 판을 검게 하는 複寫의 한 形態가 存在했다.

처음에는 當時에 發見된 X-線 과 비슷한 새로운 複寫現象으로 보였다. 베크렐 , 퀴리 , 러더포드 等의 以後의 硏究를 통해 放射能은 훨씬 더 複雜하다는 것이 알려졌다. 여러 種類의 崩壞가 發生할 수 있지만, 러더포드는 모든 崩壞가 同一한 近似化된 指數函數 公式(아래 參照)에 따른다는 것을 最初로 發見했다.

初期의 硏究家는 또한, 우라늄 以外의 많은 다른 化學 元素가 放射性 同位元素를 가진다는 것을 發見했다. 마리 퀴리 는 우라늄 광의 全體 放射能에서 體系的으로 探索한 結果 새로운 元素 폴로늄 을 分離시키게 되었고, 바륨 에서 라듐 을 分離하게 되었다. 그러지 않았다면 이 두 元素의 化學的 類似性 ( 바륨 라듐 모두 알칼리族이다.) 때문에 이 두 元素를 거의 제대로 區分하기 힘들었을 것이다.

放射性 物質의 危險 [ 編輯 ]

放射能과 放射線의 危險은 卽刻的으로 認識되지 않았다. 1896年, 電氣 工學者이자 物理學者인 니콜라 테슬라 가 自身의 손가락에 X-線을 意圖的으로 쪼였을 때의 X-線의 使用에서 放射線의 極甚한 影響이 처음으로 觀察되었다. 그는 畫像의 理由가 X-線보다 오존 때문일 것이라고 했지만, 그는 火傷에 關하여 觀察한 內容을 出版했다. 그의 負傷은 後에 治療되었다.

癌 發生率에 對한 效果를 包含한 放射線의 遺傳的 效果는 훨씬 後에 認識되었다. 1927年에 허먼 조지프 멀러 는 遺傳的 效果를 보여주는 硏究結果를 出版하였다. 1946年에 그의 發見으로 노벨賞 을 받았다.

放射線의 生物學的 效果가 알려지기 前에, 많은 內科 醫師들과 企業들은 放射性 物質을 特許 藥品과 放射性 엉터리 治療劑(radioactive quackery)로 販賣하기 始作했다. 그 例로는 라듐 館長 治療, 强壯劑로 마시는 라듐을 含有한 물이 있었다. 마리 퀴리 는 放射線의 人體에 對한 影響이 아직 밝혀지지 않았다고 警告하면서, 이러한 治療法에 對해 反對하였다.(퀴리는 後에 라듐에 對한 硏究로 인한 것이라고 推定되는 再生 不良性 貧血 로 死亡했다. 그러나 나중에 그女의 뼈를 檢査한 結果, 그女가 實驗室에서 조심스럽게 硏究했으며, 라듐에 對한 負擔은 낮았다는 것이 밝혀졌다. 훨씬 一理 있는 原因은 世界 1次 大戰에서 自願 醫療 要員으로 일할 때의 防護되지 않은(unshielded) X-選菅에 露出된 事實이다. ^{[ 出處 必要 ]} ) 1930年代에 엉터리 治療劑 愛好家들의 뼈 組織 壞死와 死亡 事例가 수많이 發生한 後, 라듐을 含有한 醫學 製品은 市場에서 거의 사라졌다.

放射性 崩壞의 種類 [ 編輯 ]

放射線의 種類에 對해서 말하자면, 電氣場 이나 磁氣場 에서 放射線은 세 種類로 갈라진다. 마땅한 用語가 없어서, 그 光線(rays)은 알파 , 베타 와 감마 라는 그리스 알파벳 이름이 붙여졌고, 現在에도 如前히 쓰인다. 알파 崩壞는 무거운 元素(原子番號 52, 텔루륨 과 더 무거운 原子)에서만 나타나고, 다른 두 種類의 崩壞는 모든 元素에서 나타난다.

崩壞의 生成物의 特徵을 分析하는데 있어서, 生成物에 作用하는 電磁氣力의 方向을 보면 알파선 은 陽電荷를 가지고, 베타선 은 陰電荷를 가지며, 감마선 은 中性임을 알 수 있다. 또한 그 屈折하는 程度를 보면, 알파 粒子 가 베타 粒子 보다 훨씬 더 무거움을 알 수 있다. 알파 粒子를 매우 얇은 琉璃窓을 通過시켜 放電管 안에 잡아두는 實驗을 통해, 科學者들은 實驗을 통해 얻은 가스의 放出 스펙트럼 을 硏究했고, 마침내 알파 粒子가 헬륨 原子核이라는 것을 證明했다. 또 다른 實驗들은 베타 放射線과 陰極線의 類似性과 감마선과 X-線의 類似性을 보여주었다. 베타선과 陰極線 은 모두 電子의 흐름이고, 감마선과 X-線은 모두 高에너지 電磁氣波 이다.

알파, 베타, 감마 崩壞가 가장 흔하지만, 다른 種類의 崩壞도 結局 發見되었다. 1932年에 中性子 가 發見된 지 얼마 안 되어 어떤 드문 崩壞 反應이 崩壞 粒子로 中性子를 내놓는다는 事實이 엔리코 페르미 에 依해서 發見되었다. 그리고 마침내 다른 反應과 分離된 陽性子 放出 도 特定 元素에서 觀測되었다. 宇宙船 生成物에서 陽電子 를 發見한지 얼마 안 되어, 陰電荷의 電子와 비슷하게, 旣存의 베타 崩壞 와 同一한 過程을 거쳐 陽電子가 生成될 수 있다는 것이 알려졌다( 陽電子 放出 ). 두 種類의 베타 崩壞는 中性子와 陽性子의 比率이 일정한 比率이 되는 方向, 卽 最小의 組合 에너지를 가지는 方向으로 일어난다. 마지막으로 뭉치 崩壞 라는 現象에서는, 알파 粒子보다 큰 中性子와 陽性子의 특정한 組合이 드물지만 自發的으로 原子核으로부터 放出된다.

그러나 如前히 다른 種類의 放射性 崩壞가 發見되었다. 以前에 發見된 粒子를 放出하지만, 다른 메커니즘으로 動作하는 崩壞 反應이었다. 한 가지 例로서, 베타 崩壞나 감마 崩壞와 關聯이 없지만, 電子와 가끔씩 高에너지 光子 를 放出하는 內部 轉換 이 있다.

票로 整理한 崩壞의 方式 [ 編輯 ]

放射性 核種은 수많은 다른 反應을 일으킬 수 있다. 그 反應들을 아래에 票에 整理하였다. 質量數 A 와 原子 番號 Z 를 ( A , Z )와 같이 表現하였다. "딸 核" 熱에는 새로운 核과 元來의 核의 差異를 表示하였다. 따라서 ( A -1, Z )는 質量數는 前보다 하나 작지만 原子番號는 前과 같은 것을 意味한다.

崩壞의 方式	崩壞에 關與하는 粒子	딸 核
核子를 放出하는 崩壞:
알파 崩壞	原子核으로부터 하나의 알파 粒子 ( A =4, Z =2)가 放出됨	( A ?4, Z ?2)
陽性子 放出	原子核으로부터 하나의 陽性子 가 放出됨	( A ?1, Z ?1)
中性子 放出	原子核으로부터 하나의 中性子 가 放出됨	( A ?1, Z )
二重 陽性子 放出	原子核으로부터 同時에 두 個의 陽性子 가 放出됨	( A ?2, Z ?2)
自發 核分裂	原子核이 두 個 以上의 작은 原子核과 다른 粒子로 分裂됨	-
뭉치 放出	原子核이 特定한 작은 原子核( A 1 , Z 1 )을 放出函 (主로 알파 粒子보다 큰 核이지만, 때로는 작은 核일 때도 있음)	( A ? A 1 , Z ? Z 1 ) + ( A 1 , Z 1 )
베타 崩壞의 여러 가지 方式:
베타 마이너스 崩壞	原子核이 하나의 電子와 하나의 反中性微子 를 放出函	( A , Z +1)
陽電子 放出 , 또는 베타 플러스 崩壞	原子核이 하나의 陽電子 와 하나의 中性微子 를 放出函	( A , Z ?1)
電子 捕獲	原子核이 軌道를 도는 하나의 電子를 捕獲하고 하나의 中性微子를 放出函 딸核은 들뜬 不安定한 狀態로 남겨진다.	( A , Z ?1)
二重 베타 崩壞	原子核이 電子와 反中性微子를 두 個씩 放出函	( A , Z +2)
이中 電子 捕獲	原子核이 軌道를 도는 두 個의 電子를 捕獲하고 두 個의 中性微子를 放出函 딸核은 들뜬 不安定한 狀態로 남겨진다.	( A , Z ?2)
陽電子를 放出하는 電子 捕獲	原子核이 軌道를 도는 하나의 電子를 捕獲하고 陽電子 하나와 中性微子 두 個를 放出函	( A , Z ?2)
二重 陽電子 放出	原子核이 陽電子와 中性微子를 두 個씩 放出函	( A , Z ?2)
同一 原子核의 다른 狀態로의 轉移:
異性質核 轉移	들뜬 原子核이 高에너지 光子 하나를 放出函( 감마선 )	( A , Z )
內部 轉換	들뜬 原子核의 에너지를 軌道를 도는 하나의 電子가 吸收하고, 그 電子가 原子로부터 放出됨	( A , Z )

一旦 放出된 에너지( disintegration energy )가 脫出하면, 放射性 崩壞는 質量의 合計의 減少를 가져온다. ${\displaystyle E=mc^{2}}$라는 公式에 依하면 에너지는 質量을 同伴한다.( 特殊 相對性 理論 參照) 崩壞 에너지는 처음에는 放出된 粒子의 運動 에너지로 放出된다. 나중에 이 粒子들은 그 周邊과 熱的 坪型 에 到達한다. 그 에너지는 崩壞 反應의 系의 停止 質量 에 影響을 준다. 放出 粒子의 運動 에너지의 크기만큼 나중에 周邊 物質의 熱에너지는 系 全體의 停止 質量 에 影響을 주게 되는 것이다. 따라서 崩壞 反應에서 粒子의 靜止 質量의 合은 保存되지 않고, 界 의 停止 質量(契의 全體 에너지)은 保存된다.

崩壞 系列과 多樣한 崩壞 方式 [ 編輯 ]

崩壞 後의 딸 核者도 不安定할 수 있다(방사성일 수 있다). 이러한 境遇에는 딸 核者도 崩壞하며, 放射線을 生成한다. 生成된 2次 딸 核者도 또한 放射性日 수 있다. 이렇게 數次例의 連續 崩壞 反應이 일어날 수 있다. 結局에는 安定한 核者가 生成된다. 이를 放射性 崩壞 系列 이라고 한다.

그 例로서 自然的인 ²³⁸ U의 放射性 崩壞 系列 이 있는데, 다음과 같다.

• 우라늄-238 은 알파 粒子를 放出하여, 45億年의 半減期 로, 토륨-234 로 崩壞한다.
• 이는 베타 粒子를 放出하여, 24日의 半減期로, 프로트악티늄-234m 로 崩壞한다.
• 이는 감마선을 放出하여, 1.2分의 半減期로, 프로트악티늄-234 로 崩壞한다.
• 이는 베타 粒子를 放出하여, 6.7時間의 半減期로, 우라늄-234 로 崩壞한다.
• 이는 알파 粒子를 放出하여, 24萬年의 半減期로, 토륨-230 으로 崩壞한다.
• 이는 알파 粒子를 放出하여, 77000年의 半減期로, 라듐-226 으로 崩壞한다.
• 이는 알파 粒子를 放出하여, 1600年의 半減期로, 라돈-222 로 崩壞한다.
• 이는 알파 粒子를 放出하여, 3.8日의 半減期로, 폴로늄-218 로 崩壞한다.
• 이는 알파 粒子를 放出하여, 3.1分의 半減期로, 납-214 로 崩壞한다.
• 이는 베타 粒子를 放出하여, 27分의 半減期로, 비스무트-214 로 崩壞한다.
• 이는 베타 粒子를 放出하여, 20分의 半減期로, 폴로늄-214 로 崩壞한다.
• 이는 알파 粒子를 放出하여, 160밀리 秒의 半減期로, 납-210 으로 崩壞한다.
• 이는 베타 粒子를 放出하여, 22年의 半減期로, 비스무트-210 으로 崩壞한다.
• 이는 베타 粒子를 放出하여, 5日의 半減期로, 폴로늄-210 으로 崩壞한다.
• 이는 알파 粒子를 放出하여, 140日의 半減期로, 납-206 으로 崩壞한다. 이는 安定한 核者다.

어떤 放射性核者는 몇 個의 다른 崩壞 經路가 있다. 例를 들면 約 36%의 비스무트-212 는 알파 崩壞를 하여, 탈륨-208 이 되는 反面 約 64%는 베타崩壞를 하여, 폴로늄-212 가 된다. 탈륨-208 과 폴로늄-212 는 둘 다 비스무트-212 의 放射性 딸核이고, 둘 다 直接 安定한 납-208 로 崩壞한다.

崩壞의 起源과 應用 [ 編輯 ]

大爆發 理論 에 따르면, 가장 가벼운 다섯 元素( H , He , Li , Be , B )는 大爆發 核合成 이라 불리는 過程을 통해, 宇宙가 出現하고 매우 짧은 時間 後에 生成되었다. 가볍고 安定한 核種( 重水素 를 包含한)은 오늘날까지 살아남았지만, 大爆發 때에 生成된 가벼운 元素들의 어떤 放射性 同位元素( 三重水素 와 같은)는 崩壞되어 사라졌다. 硼素보다 무거운 同位 元素는 大爆發 때에 全혀 生成되지 않았고, 처음의 다섯 元素는 오랫동안 存在하는 放射性 同位元素가 없었다. 따라서 모든 放射性 核者들은 宇宙의 誕生에 比해 相對的으로 젊으며, 恒星(特히 超新星 )에서의 다양한 核合成 과, 高에너지 粒子(energetic particle)와 安定한 同位 元素 사이의 反應을 거쳐서 後에 合成되었다. 例를 들면, 半減期가 5730年 밖에 안 되는 放射性 核種인 炭素-14 는 地球의 大氣圈 上層部에서 宇宙善果 窒素의 反應을 통해 꾸준히 生成되고 있다.

放射性 崩壞는, 複雜한 시스템(살아있는 有機體 와 같은) 속에서의 化學物質의 移動經路를 追跡하기 위한 레디오아이소토픽 레이블링 (radioisotopic labeling, 放射性同位元素를 利用한 表式法)에 應用된다. 높은 濃度의 不安定한 原子들로 샘플을 合成한다. 崩壞 反應을 檢出함으로써 시스템의 任意의 部分에서의 物質의 存在與否를 判斷할 수 있다.

放射性 崩壞는 完全히 無作爲 (드물게 混沌 狀態 )라는 前提 아래에, 하드웨어 亂手 生成機 에 應用된다. 또 崩壞 反應이 메커니즘 上 時間에 따라 크게 變하지 않는다고 생각되기 때문에, 特定 物質의 連帶를 測定하는 有用한 道具로 쓰인다. 放射性 同位元素와 그 崩壞 生成物이 바위가 凝固될 때 바위 속에 갇히고, 바위가 凝固한 時機를 나중에 豫測할 수 있게 된다.(다양한 잘 알려진 方法으로 檢證을 받아야 한다.) 이 年代測定法은 同一한 샘플에서, 同時的인 몇 가지 反應의 結果와, 生成物의 該當하는 反應들에 對한 結果를 考慮해야 한다. 또, 비슷한 方式으로 有機物質의 生成 時期는 同位元素의 半減期를 考慮해서 推測할 수 있다. 炭素-14는 有機物質이 成長하고, 空氣 中의 새로운 炭素-14 原子를 吸收할 때 獲得되기 때문이다. 그 後에 有機物質의 炭素-14의 量은 崩壞 反應에 依해 減少한다.

放射性 崩壞의 速度 [ 編輯 ]

不安定한 原子核의 崩壞는 完全히 無作爲的이고 특정한 原子가 언제 崩壞할지를 豫測하는 것은 不可能하다. ^[1] 그러나 그것은 언제나 同等한 比率로 崩壞한다는 것과 같다. 따라서 特定한 放射性同位元素의 試料가 주어진다면, 짧은 時間 間隔 dt 동안 일어나는 崩壞 反應의 수 dN 은 現在의 原子의 數에 比例한다. N 을 原子의 數라고 한다면, 崩壞의 確率(- dN / N )은 dt 에 比例한다.

${\displaystyle \left(-{\frac {dN}{N}}\right)=\lambda \cdot dt.}$

放射性 核種은 서로 다른 速度로 崩壞하며, 各各 自身만의 崩壞 常數( λ )를 가지고 있다. 陰의 符號는 N 이 崩壞 反應에서 줄어드는 것을 나타낸다. 이 日次 微分 方程式 의 해는 다음의 函數 로 주어진다.

${\displaystyle N(t)=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau }.\,\!}$

여기서 N ₀ 은 初期( t = 0)의 N 이다. 두 番째 方程式은 崩壞 常數 λ 가 1/時間의 次元(單位)을 가지는 것을 알려주고, 따라서 1/ τ 로 表現할 수도 있다. 여기서 τ 는 反應을 特徵짓는 時間이다. 이 特徵的인 時間은 그 反應의 時定數 라고 불린다. 放射性 崩壞에서, 反應의 時定數는 崩壞하는 原子의 平均 壽命 이기도 하다. 各 原子는 崩壞할 때까지 有限한 時間동안 살아있고, 平均 壽命은 모든 原子의 壽命의 算術 平均 이 된다. 그리고 τ 는 다음과 같은 崩壞 常數와의 關係를 가진다.

${\displaystyle \tau ={\frac {1}{\lambda }}.}$

앞의 指數 函數가 一般的으로 指數的 減衰 의 結果를 나타낸다. 그러나 두 가지 理由에서, 그것은 近似解日 뿐이다. 첫째로, 指數 函數 는 連續的 이지만, 物理量 N 은 音이 아닌 精髓 다. 두 番째로, 無作爲的 過程(random process) 을 表現하는 것이기 때문에, 函數는 統計的 참일 뿐이다. 그러나 大部分의 境遇, N 은 極히 큰 數( 아보가드로의 數 에 相應하는 水準의 수)이고, 指數 函數는 훌륭한 近似이다.

半減期 [ 編輯 ]

더욱 널리 쓰이는 값은 半減期 다. 特定 放射性 核種의 샘플에서, 半減期는 그 放射性 原子核의 折半이 崩壞하는데 걸리는 時間이다. 半減期는 崩壞 常數와 다음과 같은 關係를 갖는다.

${\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \ln 2.}$

半減期와 崩壞 常數의 이러한 關係는 低準位 放射性 物質은 더 오래 남는 反面에 高準位 放射性 物質은 빨리 없어진다는 것을 보여준다. 알려진 放射性 核種의 半減期는 10 ¹⁹ 年 ( ²⁰⁹ Bi와 같이 거의 安定한 核種)부터 10 ^?23 初까지 매우 다양하다. 위 關係式의 ln2 라는 人者는, 半減期라는 槪念이 單純히 粒子 壽命 關係式에서 自然 指數 e 代身에 다른 밑數를 選擇하는 方法이기 때문에 나온 것이다. 時定數 τ 는 壽命의 "1/2"배(放射性 核種의 50%가 남아있는 時間)가 아니라 數名의 "1/e"배(放射性 核種의 1/e = 約 36.8%가 남아있는 時間)이다. 따라서 다음의 方程式이 有效함을 쉽게 보일 수 있다.

${\displaystyle N(t)=N_{0}\,e^{-t/\tau }=N_{0}\,2^{-t/t_{1/2}}.\,\!}$

放射性 崩壞가 일정한 確率을 가지는 指數的 現象이기 때문에, 各各의 反應이 또 다른 時間 間隔을 통해서 表現될 수 있다. 例를 들면 "1/3 壽命"(1/3이 남을 때까지 걸리는 時間)이나 "1/10 壽命"(1/10이 남을 때까지 걸리는 時間) 等等으로 表現될 수 있다. 따라서 τ 과 t _½ 을 標識가 되는 時間으로 選擇한 것은 單純히 便宜를 위해서이고, 慣習에 따르는 것이다. 그러한 常數들은 주어진 放射性 物質의 일정한 比率 이 崩壞한다는 基本的인 原則을 反映할 따름이다.

崩壞 反應의 各 因子들의 關係 [ 編輯 ]

放射性 物質의 崩壞 速度 또는 放射能 (activity)은 다음과 같은 特性을 갖는다.

上水 :

• 半減期  ? 記號 t _1/2  ? 放射性 物質의 量이 그 初期量의 折半으로 減少하는데 걸리는 時間.
• 平均 壽命  ? 記號 τ  ? 放射性 粒子의 平均 壽命.
• 崩壞 常數 (減衰 常數) ? 記號 λ  ? 平均 壽命의 歷數......

위의 量은 常數이긴 하지만, 수많은 原子들의 無作爲的인 行動으로부터 統計的으로 얻는 값이다. 따라서 이 常數들로 얻는 豫測은 적은 數의 原子에 對해서는 덜 正確하다.

時間에 따라 變하는 量:

• 總 放射能  ? 記號 A  ? 每秒 어떤 物體(샘플)에서 일어나는 崩壞 反應의 수
• 粒子의 數  ? 記號 N  ? 샘플안의 全體 粒子(原子)의 數
• 比放射能 (Specific activity) ? 記號 S _A  ? 單位 質量(또는 單位 부피)의 物質의 每秒 崩壞 反應의 수

이러한 物理量은 다음과 같은 關係를 갖는다.:

${\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln(2)}{\lambda }}=\tau \ln(2)}$

${\displaystyle A=-{\frac {dN}{dt}}=\lambda N}$

${\displaystyle S_{A}a_{0}=-{\frac {dN}{dt}}{\bigg |}_{t=0}=\lambda N_{0}}$

여기서 a ₀ 는 放射能 物質의 初期輛 (不安定한 原子의 比率이, 物質이 生成될 때의 比率과 同一한 物質일 때)

放射能의 測定 [ 編輯 ]

放射能을 測定하는 單位는 베크렐 (記號 Bq)로서 每秒 崩壞 回收의 單位이다. 퀴리 , 1Ci는 每秒 3.7 × 10 ¹⁰ 番의 崩壞를 나타낸다. 낮은 放射性은 dpm( disintegrations per minute )으로 測定한다.

半減期의 變化 [ 編輯 ]

電子 捕獲 과 內部 轉換 이라는 放射性 崩壞 方式은 化學的, 環境的 效果에 若干 影響을 받는 것으로 알려졌다. 原子의 電子 構造를 변화시키고, 1s 와 2s 의 前者에 次例로 影響을 미치는 環境的 效果에 影響을 받는 것이다. 매우 가벼운 少數의 核種이 影響을 받는데, 例를 들면 베릴륨에서 化學的 結合 이, 原子와 電子의 近接道에 따라, 電子 捕獲에 작은 程度(1% 未滿)로 影響을 준다. ⁷ Be에서, 金屬에서의 半減期와 絶緣環境에서의 半減期 사이에 0.9%의 差異가 觀測되었다. ^[2] 이러한 影響은 베릴륨이 貫通 效果가 큰 2s 原子 오비탈 에 原子가 電子를 가지고 있기 때문이다. 그리고 이 狀況은 電子 捕獲이 일어나게 만든다.

수많은 實驗은 自然的으로 發生한 放射性 同位元素( 電子 捕獲 이 아닌 다른 崩壞 모드의 同位元素)의 崩壞 速度는, 精密한 觀測아래에서도 溫度, 壓力, 化學的 環境, 電磁氣場 또는 重力場과 같은 外部 環境에 影響을 받지 않는다는 것을 보여준다. 지난 世紀동안의 實驗室의 實驗들, 吳클로 天然原子爐 의 硏究와 遠距離 超新星의 光度 減少에 對한 天體物理學的인 觀測結果를 比較해보면, 崩壞 速度는 時間에 對해서도 上水임이 分明히 드러난다.

한便으로는, 最近의 어떤 硏究結果는 崩壞 速度가 環境 要因에 對해 弱한 依存性(0.1% 未滿)을 가질 수 있다는 可能性을 提示한다. 실리콘-32 , 亡家니즈-54 와 라듐-226 의 崩壞 速度의 觀測 結果가 작은 週期的 變動(藥 0.1%)을 보이며, 이는 太陽의 플레어 活動과 太陽으로부터의 距離와 關聯 있어 보인다는 主張이 提起되었다. ^{[3] [4] [5]} 그러나 그러한 觀測 結果는 系統 誤差(systematic error)에 매우 敏感하고, 後續 論文 ^[6] 을 통해서도 6가지 同位元素에서 相關關係를 찾지 못했고, 그러한 效果의 크기의 上限을 알게 되었을 뿐이다.

같이 보기 [ 編輯 ]

• 半減期
• 核物理學
• 放射線治療
• 放射能 連帶 測定
• 放射性 同位 元素
• 放射能

各州 [ 編輯 ]

• "Radioactivity" , Encyclopædia Britannica. 2006. Encyclopædia Britannica Online. December 18, 2006
• Radio-activity by Ernest Rutherford Phd, Encyclopædia Britannica Eleventh Edition

外部 링크 [ 編輯 ]

• NUCLEONICA Nuclear Science Portal
• NUCLEONICA wiki: Decay Engine
• General information
• Nomenclature of nuclear chemistry
• Some theoretical questions of nuclear stability
• Decay heat rate|quantity calculation
• Specific activity and related topics .
• The Lund/LBNL Nuclear Data Search - Contains tabulated information on radioactive decay types and energies.
• The Karlsruhe Nuclide Chart
• Monte Carlo Simulation of Radioactive Decay
• The Live Chart of Nuclides - IAEA in Java or HTML
• Health Physics Society Public Education Website