방사성 붕괴
원자핵의 붕괴 방법 / From Wikipedia, the free encyclopedia
방사성 붕괴(放射性崩壞), 또는 방사성 감쇠(放射性減衰), 핵붕괴(核崩壞, radioactive decay)란 불안정한 원자핵이 자발적으로 이온화 입자와 방사선의 방출을 통해서 에너지를 잃고 안정된 상태로 가는 과정이다.
모든 원자는 원자핵 주변을 전자들이 둘러싼 형태로 이루어져 있는데, 이때 전자들의 에너지준위가 가장 낮은 상태로 배치된 순간을 바닥상태(ground state)라고 한다. 그리고 외부로부터 원자핵에 에너지가 가해지면 불안정한 상태에 놓이게 되는데, 이때를 들뜬상태(excited state)라고 한다. 자연계의 모든 물질은 불안정한 상태(들뜬상태)에서 안정한 상태(바닥상태)로 가려는 성질이 있다.
한편, 외부에서 에너지를 가해 주지 않아도 본래 원자의 상태가 불안정한 원소들이 있는데, 이들 원소를 방사성핵종(방사성물질)이라고 한다. 이들 방사성핵종의 원자핵이 불안정한 상태에서 안정한 상태의 원자핵으로 바뀌는 현상이 방사성 붕괴이다. 방사성핵종들은 자연 상태에서는 일정한 시간이 지나면 그 양이 원래 원자의 개수에서 절반으로 줄어드는 특성이 있다. 그렇게 반감되는 시간을 '반감기'라고 하며, 방사성핵종마다 고유한 반감기를 가진다. 반감기(T)는 으로 구할 수 있다.
이러한 붕괴, 또는 에너지의 손실은 한 종류의 원자를 다른 종류의 원자로 변환시킨다. 여기서 원래의 원자를 부모 핵종, 변환 후의 원자를 딸 핵종이라고 부른다. 예를 들면, 탄소-14 원자 (부모)는 방사선을 방출하고 질소-14 원자(딸)로 변환된다. 이는 원자 수준의 무작위적인 과정(stochastic process 또는 random process)이기 때문에 언제 하나의 원자가 붕괴할지를 예측하는 것이 불가능하지만,[1] 많은 수의 동종 원자라면 그 평균 붕괴율은 예측 가능하다.
이러한 작용의 SI 단위는 베크렐(Bq)이다. 1Bq은 1초당 1번의 변환(혹은 붕괴)으로 정의된다. 방사성 물질의 적당한 크기의 샘플은 많은 원자를 포함하기 때문에, 1 Bq은 붕괴에 대한 매우 작은 측정량이다. 따라서 GBq(기가베크렐, 초당 109번의 붕괴) 또는 TBq(테라베크렐, 초당 1012번의 붕괴)의 양이 주로 쓰인다. 방사능의 다른 단위는 퀴리(Ci)이며, 이는 원래 1g의 순수한 라듐-226과의 평형상태의 라듐 에마나티온(radium emanation, 라돈-222)의 양이다. 현재는 정의에 의해, 1Ci는 붕괴율 3.7 × 1010 Bq으로 붕괴하는 핵종의 작용과 같다. 현재는 국제단위계(SI)가 Ci의 사용을 권장하지 않고 있다.
방사성 붕괴에는 알파, 베타, 감마 붕괴 등등의 여러 가지 과정이 있다. 이러한 붕괴들이 발견되었을 때는 붕괴들의 특성을 잘 알지 못했기 때문에 알파, 베타, 감마라는 이름으로 명명되었었다. 방사성 붕괴는 방사능 연대 측정에도 활용된다.