5 차시
방사선의 종류
1. α 붕괴 2. β 붕괴 3. ϒ 방출
4. 중성자 생성 5. X 선 방출
2
1. α 붕괴
• 원자번호가 높은 핵종(Z≥74)에서
핵의 안정성을 높이기 위해 Z-2, A-4
• 226 88 𝑅𝑅𝑅𝑅 → 222 86 𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝐻𝐻𝐻𝐻 + 𝑄𝑄 2 4
3
P 를 감소 시켜, 안정화
(Z-1)
P 를 증가 시켜, 안정화
(Z+1)
2. 𝜷𝜷 붕괴
가. 음전자 (𝜷𝜷 − ) 붕괴 : 중성자 과잉상태인 핵종
음전자 붕괴와 붕괴 도식의 예 - 어미핵종의 에너지 준위에서 우
하단 방향 사선으로 베타 붕괴 - 오른쪽 방향 원자번호 증가 - 하단 방향 : 에너지 감소
ν β + +
→ p
−n
반중성미자
안정한 CC CCCCCCC
𝒁𝒁 𝑿𝑿
𝑨𝑨 → 𝒁𝒁+𝟏𝟏 𝑨𝑨 𝒀𝒀 + 𝜷𝜷 − + 𝝂𝝂� + 𝑸𝑸
나. 양전자 붕괴 : 중성자 부족(양성자 과잉)인 핵에서 발생 ( Z-1)
양전자 붕괴와 붕괴 도식의 예
- 양전자 붕괴와 전자포획이 경쟁적으로 일어남.
- 왼쪽 하단 : 원자번호와 에너지 감소
ν β + +
→ n
+p
중성미자
안정한 Na : 11Na23
𝒁𝒁 𝑿𝑿
𝑨𝑨 → 𝒁𝒁−𝟏𝟏 𝑨𝑨 𝒀𝒀 + 𝜷𝜷 + + ν + 𝑸𝑸
중성미자만 방출, 양전자방출 없음.
공석이 된 K각 전자자리에 외각전자가 전이 하므로 이때 특성 X선이 방출됨.
𝜷𝜷+
27 𝐶𝐶𝐶𝐶
57 + 𝐻𝐻 − → 𝐹𝐹𝐻𝐻 26 57 + 𝑣𝑣 + 𝑋𝑋 𝐾𝐾
알파붕괴, 베타붕괴후의 핵반응으로 생성된 원자핵이 들뜬 상태로 존재, 핵자사이에 기하학적 변형으로 생긴 위치 에너지가
들뜬상태(m)의 에너지준위에서 기저상태(n)의 에너지로 안정화 하면서 감마선 방출 (Z, A 불변)
E
γ= E
m– E
n⇒ 선스펙트럼
3. ϒ선 방출
- 들뜬 상태의 원자핵이 그 에너지를 궤도전자(주로 K각) 에 주어 궤도전자를 방출하는 현상
- E
IC= (E
m– E
n) – E
b⇒ 선스펙트럼 ( E
γ= E
m– E
n) - γ-선 방출(감마 천이)과 경합적으로 발생
- 내부전환계수(
α) 내부전환률 감마선 방출률
α
=
e
*
내부전환전자
e
e
e
e e
e
e e
e
내부 전환은
특성 X선, 오제전자도 방출 K각에서 80% 정도 방출
내부전환(IC: Internal Conversion)
CCCCC
핵이성체천이와 감마방출의 차이
핵종의 수명기간이 비교적 긴 수명기간
(10−6초 이상) 즉, 몇 초, 몇 분간 준안정상태 (metastable state)에 머물러 있는 경우
핵이성체 천이를 함.
예) 99𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 6.04ℎ , 137𝑚𝑚𝐵𝐵𝑅𝑅(2.6𝑚𝑚) 핵이성체천이의 경우
핵변환의 관점에서 붕괴로 취급
핵이성체 천이 (IT, Isomeric Transition)
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1. 핵반응
𝑳𝑳𝑳𝑳
𝟕𝟕𝒑𝒑, 𝒏𝒏 𝑩𝑩𝑩𝑩
𝟕𝟕,
𝟔𝟔𝑳𝑳𝑳𝑳(𝒅𝒅, 𝒏𝒏) 𝑩𝑩𝑩𝑩
𝟕𝟕𝑩𝑩𝑩𝑩(𝜶𝜶, 𝒏𝒏) 𝑪𝑪,
𝟗𝟗 𝟏𝟏𝟏𝟏𝑩𝑩𝑩𝑩(𝜸𝜸, 𝒏𝒏) 𝑩𝑩𝑩𝑩
𝟗𝟗 𝟖𝟖𝜶𝜶, 𝒏𝒏 반응 이용 ∶
𝟏𝟏𝟐𝟐𝟏𝟏𝑨𝑨𝑨𝑨/𝑩𝑩𝑩𝑩 ,
𝟏𝟏𝟐𝟐𝟐𝟐𝑪𝑪𝑨𝑨/𝑩𝑩𝑩𝑩 ,
𝟏𝟏𝟐𝟐𝟖𝟖𝑷𝑷𝑷𝑷/𝑩𝑩𝑩𝑩 ,
𝟏𝟏𝟏𝟏𝟔𝟔𝑹𝑹𝑹𝑹/𝑩𝑩𝑩𝑩
𝜸𝜸, 𝒏𝒏 반응 이용 ∶
𝟏𝟏𝟏𝟏𝟐𝟐𝑺𝑺𝑺𝑺/𝑩𝑩𝑩𝑩 2. 핵분열
𝟗𝟗𝟏𝟏
𝑼𝑼
𝟏𝟏𝟐𝟐𝟐𝟐
+ 𝒏𝒏 → 𝑺𝑺𝑺𝑺
𝟐𝟐𝟖𝟖𝟗𝟗𝟏𝟏+
𝟏𝟏𝟐𝟐𝟏𝟏𝟐𝟐𝟐𝟐𝑿𝑿𝑩𝑩 + 𝟏𝟏. 𝟐𝟐𝒏𝒏 + 𝑸𝑸
3. 자발핵분열
𝟏𝟏𝟐𝟐𝟏𝟏
𝑪𝑪𝑪𝑪,
𝟏𝟏𝟐𝟐𝟔𝟔𝑷𝑷𝑷𝑷,
𝟏𝟏𝟐𝟐𝟏𝟏𝑪𝑪𝑨𝑨 등 초우란 원소(Z>92)
4. 중성자 생성
가. 제동복사선(연속 엑스선)
- 고속의 하전입자 특히 전자가 강한 전기장 내를 지날 때 방향이 바뀌며 감속을 받게
되는데 이 감속으로 인해
입자의 에너지 손실이 전자파의 형태로 발산되며 이것이 제동복사선(bremsstrahlung)
- 비교적 높은 에너지의 베타를 방출하는 방사성물질(Sr-90 등)에서도 방출되지만,
전형적으로는 X선 발생장치에서
방출되는 X선의 대부분이 제동복사선임.
-
제동복사율 = ZE/800 [ E : MeV , Z : 원자번호]참고) 베타선에 의한 제동복사율
5. X 선 방출
- 전자포획, 내부전환, 광자와 전자의 충돌, 전자와 전자의 충돌 등 여러 원인에 의 해 원자 궤도의 내각 전자에 공백이 생기면 외곽전자가 이를 메우면서 에너지 차 이만큼 복사선을 방출하는데 이를 특성 X선이라 함.
- 특성 X선은 오제전자 방출과 경쟁적으로 일어남.
-
원자번호가 낮은 물질 오제전자 , 원자번호가 높은 물질 특성 x-선
(K 각 방출을 기준으로 원자번호 50번 근처에서, 교차가 일어남)
- 광자를 방출하는 분율을 형광수율 (fluorescent yield; 𝝎𝝎𝒌𝒌) 이라 함.
원자번호가 높을 수록 𝝎𝝎𝒌𝒌 증가, 오제전자 발생율 : 1-𝝎𝝎𝒌𝒌 오제효과 발생확률은 물질의 원자번호에 반비례
- 스펙트럼 : 단일에너지, 선스펙트럼
나. 특성 X선 (고유 X선)
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방사선 정리 요약
• 방사선: 에너지 흐름의 한 형태
• 종류
입자
( 알파입자, 베타입자, 중성자 등)전자파
(X선, 감마선)• 전리방사선 = 통상 핵 방사선
(다만, X선은 전자의 궤도에서 방출)
• 비전리방사선 : 전파, 가시광선, 저주파, 마이크로웨이브, 자외선
전리방사선(ICRU 1971)
- 직접전리방사선 : 하전입자 (charged particle), 중하전입자 (알파, 양성자, FP) - 간접전리방사선 : 비하전입자(non charged particle) ⇒ 광자, 중성자
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전자선 : 균일한 에너지의 흐름을 갖는 전자의 흐름,
β선 : 다양한 에너지를 갖는 전자의 흐름
구 분 베타선 전자선
차 이 점
발생원 : 핵에서 방출 핵 밖(원자궤도)에서 방출
연속스펙트럼 선스펙트럼
공 통 점
① 전하 = 1.6 ×10-19 C로 동일
② 정지질량 (m0) = 9.1 × 10-31 kg = 0.511 MeV로 동일
③ 하전을 띤 입자방사선
④ 물질과 상호작용하는 방법이 유사
전자선과 β선
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엑스선 1. 통상적으로 X선은 고속전자가 금속체인 양극에 충돌할 때 발생.
2. 제동 X선 : 고속전자가 과녁물질의 원자핵 근방을 지날 때,
전자는 원자핵의 쿨롱력에 의해 진로가 크게 변해서, 가속 또는 감속.
감속되어 잃는 운동에너지가 전자파에너지로 방출.
3. 특성X선 : 고속전자가 과녁물질에 충돌하면, 원자는 전리 또는 들뜬 상태로 되고,
에너지 준위가 가장 낮은 K각의 전자를 원자밖으로 내보내고, 그위의 각(L)의 궤도전자가 공석인 K각 전자 자리로 전이하면서 궤도간의 에너지 차로 전자파 발생.
4. 오제(auger)전자 : 특성 X선과 같이 K각 궤도 전자를 원자밖으로 내보내야 하지만,
들뜬 상태에서 원자내 궤도 전자를 밀어내면서 방출할 때 발생되는 전자파.
※ 특성 X선과 오제전자는 경합적으로 발생
