핵물리학

원자는 미세한 중심 핵과 그 주위를 도는 전자(행성이 태양 주위를 도는 것처럼 궤도 상)로 이루어져 있다.

• 핵은 양의 전하를 띤다.
• 전자는 음의 전하를 띤다.
• 원자 전체로는 중성이다. 양전하와 음전하의 크기가 같기 때문이다.

거의 모든 질량이 핵에 있지만, 핵은 원자 전체에 비해 매우 작다. 따라서 원자의 대부분은 빈 공간이다.

이온

원자는 중성이지만, 전자를 얻거나 잃어 이온이 될 수 있다.

• 하나 이상의 전자를 잃음 → 양이온 (이제 양성자가 전자보다 많아짐).
• 하나 이상의 전자를 얻음 → 음이온.

알파 산란 실험

이 실험은 핵 모델에 대한 증거를 제공했다. 알파 입자 α (작고 빠름, 양전하)를 매우 얇은 금박에 쏘아 산란(튀어나가는 방식)을 관찰했다.

결과 및 의미:

• 거의 모든 알파 입자가 그대로 통과함. → 원자의 대부분은 빈 공간이다.
• 일부가 작은 각도로 편향됨 (구부러짐). → 핵은 양전하를 띠고 있어 양전하를 띤 알파 입자를 밀어낸다.
• 매우 일부가 거의 곧바로 튕겨 나옴. → 핵은 매우 작고 무겁으며, 원자 질량의 대부분을 차지한다.

핵은 두 종류의 입자로 이루어져 있으며, 이를 합쳐 핵자라고 한다:

• 양성자, 상대 전하가 $+1$임;
• 중성자, 상대 전하가 $0$임 (중성임).

전자의 상대 전하는 $-1$이다. 양성자와 중성자는 각각 상대 질량이 약 $1$이며, 전자는 비교할 수 없을 정도로 질량이 거의 없다.

두 숫자가 핵을 설명한다:

• 원자 번호 $Z$ (또는 원자 번호라 함) — 양성자의 수;
• 핵자 번호 $A$ (또는 질량 번호라 함) — 양성자와 중성자의 총수.

따라서 중성자의 개수는 $A - Z$입니다.

우리는 동위 원소 표기법으로 핵을 나타낸다:

여기 X는 화학 기호이다. 예를 들어, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$은 $79$개의 양성자와 $197 - 79 = 118$개의 중성자를 가진다. 전체 핵의 상대 전하는 정확히 $+Z$(여기서 $+79$)이며, 상대 질량은 약 $A$이다.

동위원소

동위 원소는 같은 원소(같은 $Z$)이지만 중성자 수가 다른 원자들(다른 $A$)이다. 화학적으로는 동일하게 행동하지만 핵에서는 다르게 행동한다. 예를 들어, $^{12}_{\ 6}\text{C}$과 $^{14}_{\ 6}\text{C}$은 모두 탄소이다.

핵분열 및 핵융합

핵분열에서 무거운 핵이 중성자를 흡수하여 두 개의 작은 핵으로 나뉘며, 두 개 또는 세 개의 중성자와 많은 에너지를 방출한다:

윗면 숫자(핵자 번호)가 양변에서 균형을 이루고, 아랫면 숫자(원자 번호)도 vậy하다. 이를 사용하여 누락된 숫자를 구할 수 있다—예를 들어, 방출되는 중성자의 수 등.

핵융합에서 두 개의 가벼운 핵이 결합하여 더 무거운 핵을 만들고, 또한 에너지를 방출한다. 이는 태양이 에너지를 만드는 방식이며, 수소 핵을 결합하여 헬륨을 만든다. 아래 반응—무거운 수소 형태 두 가지(중수소와 삼중수소)가 헬륨으로 결합하는 것—은 지구상의 융합 발전소에서 사용되는 반응이다:

분열과 융합 모두에서 소량의 질량이 손실되어 에너지로 전환된다.

불안정한 핵은 언젠가 붕괴하여 방사선을 방출할 것이다. 이를 방사성 붕괴라고 한다. 핵이 중성자가 너무 많거나 너무 무거워 불안정할 수 있다.

붕괴는 자발적(자발적으로 일어나며, 가속하거나 지연시킬 수 없음)이며 랜덤(다음에 어떤 핵이 붕괴할지, 혹은 정확한 시기를 알 수 없음)이다.

배경 방사선

우리를 둘러싼 방사선이 항상 존재한다. 이를 배경 방사선이라고 한다. 주요 출처는 다음과 같다:

• 공기 중의 ** 라돈** 가스 (보통 가장 큰 출처);
• 암석과 건물;
• 음식과 음료;
• 우주에서 오는 우주선.

방사선 측정

방사선은 검출기에 연결된 카운터로 측정할 수 있다. 카운트율은毎초(또는毎분) 카운트 수이다.

출처의 실제 카운트율을 구하려면, 먼저 배경 카운트율만 측정하고 이를 빼야 한다. 그 결과가 보정된 카운트율이다:

풀이 예시. 검출기가 원천 옆에 놓였을 때 $250$ counts/min의 값을 읽습니다. 원천을 제거했을 때 배경 세기(배경 카운트율)는 $30$ counts/min입니다. 보정된 세기를 구하십시오.

방사선은 세 가지 유형 중 하나일 수 있습니다. 각 유형은 이온화되는데, 이는 경로상의 원자에서 전자를 떼어낼 수 있음을 의미합니다.

즉, 알파 입자는 가장 강한 이온화 능력을 가지는 대신 침투력이 가장 약합니다(쉽게 흡수됨). 타 입자 β는 그 중간에 위치합니다. 감마 방사선 γ는 이온화 능력이 가장 약하지만 침투력이 가장 큽니다.

우리는 전하와 운동 에너지로부터 이온화 효과를 설명할 수 있습니다: 알파 입자는 큰 전하($+2$)를 가지고 있어 느리고 무거우므로 지나가는 전자들을 강하게 끌어당겨 많은 양의 이온화를 일으킵니다. 베타 입자는 전하가 작고 더 빠르게 움직이므로 이온화가 적습니다.

장(Field)에서의 편향

알파와 베타 입자는 전하를 가지고 있으므로 전기장과 자기장에 의해 편향됩니다. 그들의 전하 부호가 반대이므로 서로 반대 방향으로 꺾이며, 가벼운 베타 입자가 더 많이 굽습니다. 감마선은 전하가 없으므로 전혀 편향되지 않습니다.

원자핵이 붕괴할 때, 양측의 핵자 수와 원자 번호(양성자 수)는 균형을 이루어야 합니다.

알파 붕괴 — 원자핵은 양성자 2개와 중성자 2개를 잃으므로 $A$는 $4$만큼 줄고 $Z$는 $2$만큼 줄어듭니다. 새로운 원소가 됩니다:

풀이 예시. 라듐 원자핵 $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$가 알파 입자를 방출합니다. 새로운 원자핵의 핵자수와 원자 번호를 구하십시오.

알파 붕괴로 인해 $A$는 $4$만큼, $Z$는 $2$만큼 줄어듭니다:

따라서 새로운 원자핵(라돈)은 핵자수 $222$와 원자 번호 $86$를 가집니다.

베타 붕괴 — 원자핵 내부에서 중성자가 양성자와 전자로 변합니다:

빠른 전자가 베타 입자로 빠져나갑니다. 따라서 $A$는 그대로 유지되지만 $Z$는 $1$만큼 증가하여 새로운 원소가 됩니다:

감마 방출 — 원자핵은 에너지만 잃으므로 $A$와 $Z$는 변하지 않습니다. 알파 및 베타 붕괴 후 원자핵은 더 안정해지는데,多余한 에너지를 외로 내보내기 위해 감마선이 함께 방출되는 경우가 많습니다.

붕괴가 우연히 일어나므로 단일 원자핵을 추적할 수는 없습니다. 대신 표본(sample) 전체를 반감기(half-life) 로 서술합니다.

동위원소의 반감기란 표본 내 불안정한 원자핵 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간입니다. 각 반감기가 지날 때마다 세기(또는 남은 불안정한 원자핵 수)는 절반으로 감소합니다.

예를 들어, 어떤 원천의 세기가 $800$ counts/min이고 반감기가 $3$시간인 경우:

$6$시간(반감기 2회)이 지난 후 세기는 두 번减半되었습니다: $800 \to 400 \to 200$. 붕괴 그래프에서 세기가 임의의 값에서 절반으로 떨어지는 시간을 찾으면 반감기를 읽을 수 있습니다. readings에 배경 방사선이 포함되어 있다면, 먼저 모든 readings에서 배경 세기를 뺀 뒤, 보정된 값으로부터 반감기를 구하십시오.

풀이 예시. 어떤 원천의 활동성이 $800$ counts/min에서 $100$ counts/min으로 감소했습니다. 반감기는 $5$일입니다. 이 과정이 얼마나 걸렸습니까?

halvings를 세십시오: $800 \to 400 \to 200 \to 100$는 반감기 3회에 해당하므로, 소요 시간은 $3 \times 5 = 15\ \text{days}$입니다.

작업에 적합한 동위원소는 방출하는 방사선의 종류와 반감기에 따라 결정됩니다:

• 연기 감지기는 알파 원천을 사용합니다(알파는 쉽게 차단되므로 감지기 외부에서는 안전하며, 긴 반감기로 인해数年间 지속됩니다);
• 식품이나 장비에 방사선을 사용하여 박테리아와 세균을 사멸시킵니다—밀봉된 물품을 살균하기 위해서는 침투력이 높은 감마선이 필요합니다;
• 종이나 금속 시트의 두께를 측정하고 제어할 때는 베타 원천을 사용합니다(통과되는 양이 두께에 따라 변함);
• 의료 추적자(medical tracer) 는 짧은 반감기의 감마 방출 동위원소 소량을 체내에 주입하는 것으로,体外에 놓은 검출기가 그 이동 경로를 추적합니다. 감마선은 체외로 쉽게抜け어나며, 활동성은_castly 안전 수준으로 감소합니다;
• 감마선은 체내를 통과할 수 있으므로 체내 암(cancer) 의 진단 및 치료에 사용됩니다.

이온화 방사선은 생물 세포에 해를 끼칩니다. 세포 사멸, 변이(유전자 변화) 및 암을 유발할 수 있습니다.

방사성 물질과 작업할 때는 다음 방법을 통해 선량(받게 되는 방사선의 양)을 낮게 유지하십시오:

• 노출 시간을 줄이기 — 가능한 한 빨리 방사성 물질 근처에서 거두어 들입니다;
• 자신과 방사성 물질 사이의 거리를 늘립니다;
• 납(lead) 등의 차폐재(shielding) 를 사용하여 자신의 몸과 방사성 물질 사이에 장벽을 만듭니다.

방사성 물질은 손으로 직접 만지지 말고 집게(tongs)로 다루어야 하며, 사람을 향해 향하지 않도록 하고 납-lined 상자에 보관해야 합니다.

• 핵자수(위쪽 숫자)는 양성자 + 중성자; 원자 번호(아래쪽 숫자)는 양성자만 해당합니다. 중성자 수 = 핵자수 − 원자 번호.
• 동위원소(isotopes) 는 같은 원자 번호를 가지지만 다른 핵자수를 가집니다 — 동일한 원소이지만 중성자 수가 다릅니다.
• 방사선을 두 가지 방식으로 순위를 매깁니다: 알파線(alpha) 은 이온화 능력이 가장 크지만 투과능력은 가장 약하여 종이에 막힐 수 있습니다; 감마선(gamma) 은 이온화 능력이 가장 작지만 투과능력이 가장 커서 두꺼운 납이 필요합니다. 베타선(beta)은 중간 수준이며 알루미늄 몇 mm로 막을 수 있습니다.
• 모든 붕괴 방정식decay equation 위쪽 숫자의 총합과 아래쪽 숫자의 총합은 각각 같아야 합니다. 알파 붕괴: $A-4$, $Z-2$. 베타 붕괴: $A$는 변하지 않고, $Z+1$가 바뀝니다.
• 소스의 읽기 값을 사용하기 전에 항상 배경 세속률을 뺀다. $n$개의 반감기를 지나면 세속률이 $n$번减半된다—총 시간을 예측하기보다 半回수를 세는 것이 낫다.