원자핵 반응

7 차시

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원자핵 반응

- 러더포드에 의해 처음으로 성공

- 2개의 원자핵이 충돌, 원자핵이 결합하거나 분해하여 새로운 원자핵 생성 반응

- 주로 무거운 원자핵 (우라늄 등)에

가벼운 입자(α, p, n 등) 입사하여 반응을 일 으킴.

X + a → Y + b 또는 X ( a , b ) Y

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핵 반응

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• 원자핵에 α입자, 양성자, 중성자 등을 입사시키면, 다른 핵종으로 변환

: (p,n), (α, n), (α, p), (p,α) 반응 등

• _𝟑𝟑 ^𝟕𝟕 𝑳𝑳𝑳𝑳 + 𝒑𝒑 → 𝑩𝑩𝑩𝑩 + 𝒏𝒏 _𝟒𝟒 ^𝟕𝟕 , 𝑳𝑳𝑳𝑳(𝒑𝒑, 𝒏𝒏) 𝑩𝑩𝑩𝑩 ^{𝟕𝟕 𝟕𝟕}

• ^{𝟏𝟏𝟒𝟒} _𝟕𝟕 𝑵𝑵 + 𝜶𝜶 → 𝑶𝑶 ^{𝟏𝟏𝟕𝟕} _𝟖𝟖 + 𝒑𝒑 , 𝑵𝑵(𝜶𝜶, 𝒑𝒑) 𝑶𝑶 ^{𝟏𝟏𝟒𝟒 𝟏𝟏𝟕𝟕}

• _𝟑𝟑 ^𝟕𝟕 𝑳𝑳𝑳𝑳 + 𝒑𝒑 → 𝑯𝑯𝑩𝑩 + 𝜶𝜶 _𝟐𝟐 ^𝟒𝟒 , 𝑳𝑳𝑳𝑳 𝒑𝒑, 𝜶𝜶 𝑯𝑯𝑩𝑩 _𝟑𝟑 ^𝟕𝟕 _𝟐𝟐 ^𝟒𝟒

- ^무거운 원자핵이 두 개의 가벼운 원자 핵으로 되는 핵반응 (분열후 평균 2.5개 n)

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핵분열생성물

핵분열(nuclear fission)

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• 핵분열반응과 반대로 가벼운 원자핵 이 합해서 무거운 원자핵 생성

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핵융합(nuclear fusion)

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핵분열과 핵융합 원리 비교

방사성 핵종

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방사성핵종

1. 천연방사성핵종

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• 약 46억 년 전 지구가 생길 때에 생성된 이후 현재까지 남아 있는 방사성핵종

- 반감기가 10⁸년 이상인

238U(4.468×10⁹년), ²³²Th(1.41×10¹⁰년), ²³⁵U(7.04×10⁸년) 등 - 각 붕괴계열 모두 𝛼𝛼붕괴와 𝛽𝛽붕괴가 반복해서 일어나며,

질량수는 4 만큼 작아짐

• 특정계열에 속하는 방사성핵종 질량수 A=4n+q 로 표시 - 토륨계열 : 4n 붕괴계열

- 넵투늄계열 : 4n+1 붕괴계열(현재 존재하지 않음) - 우라늄계열 : 4n+2 붕괴계열

- 악티늄계열 : 4n+3 붕괴계열

1차천연방사성핵종 계열 암기법

• Actinium, Uranium, Neptunium, Thorium

• AUNT(숙모)로 암기 : 4n+3,+2,+1,+0

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토륨계열(4n)

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𝑇𝑇𝑇

232

로 시작해서

𝜶𝜶붕괴 𝟔𝟔회, 𝜷𝜷붕괴 𝟒𝟒회 𝑃𝑃𝑃𝑃 안정 로 끝남.

붕괴 횟수 계산:

𝜶𝜶붕괴 : (232-208)/4 = 6회 𝜷𝜷붕괴 :

(82-90)=베타붕괴횟수-(2x6) 베타붕괴횟수=4회

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넵투늄 계열 (4n+1)

93

𝑁𝑁𝑁𝑁

237

로 시작해서 𝜶𝜶붕괴 𝟕𝟕회, 𝜷𝜷붕괴 𝟒𝟒회 𝐵𝐵𝐵𝐵 안정 로 끝남.

붕괴 횟수 ?

𝜶𝜶붕괴 : (237-209)/4 = 7회 𝜷𝜷붕괴 :

(83-93)=베타붕괴횟수-(2x7) 베타붕괴횟수=4회

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우라늄계열 (4n+2)

92

𝑈𝑈

238

로 시작해서

𝜶𝜶붕괴 𝟖𝟖회, 𝜷𝜷붕괴 𝟔𝟔회 𝑃𝑃𝑃𝑃 안정 로 끝남.

붕괴 횟수 계산:

𝜶𝜶붕괴 : (238-206)/4 = 8회 𝜷𝜷붕괴 :

(82-92)=베타붕괴횟수-(2x8) 베타붕괴횟수=6회

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우라늄계열 (4n+2)

16

악티늄계열(4n+3)

92

𝑈𝑈

235

로 시작해서

𝜶𝜶붕괴 𝟕𝟕회, 𝜷𝜷붕괴 𝟒𝟒회 𝑃𝑃𝑃𝑃 안정 로 끝남.

붕괴 횟수 ?

𝜶𝜶붕괴 : (235-207)/4 = 7회 𝜷𝜷붕괴 :

(82-92)=베타붕괴횟수-(2x7) 베타붕괴횟수=4회

• 자연계에 존재하며 비교적 긴 반감기 - 10

년 이상

• 계열붕괴도중 Rn 기체 발생

• 최종핵종 :

Pb 이다.

• 계열의 분지 발생

3가지 계열의 공통점

• 지구연령에 해당하는 10

년 이상의 반감기를 가져 아직도 존재 핵종이다.

※ 지각 중에 존재하는 핵종 : K-40 (1.28 × 10

y),

천연방사능으로부터 내부피폭의 주된 원인

※ 우주선에 의해 계속적으로 존재하는 핵종 : C-14, H-3 등

• 핵분열에 의해 핵분열생성물로 존재하는 핵종

계열을 이루지 않는 천연 방사성핵종

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2. 2차 천연 방사성핵종

• 1차 천연방사성핵종인

U,

Th,

U 등의 붕괴 에 따라 2차적으로 생성된 핵종

• 그 반감기는 어미핵종에 비해 짧다.

어미핵종의 반감기가 딸핵종의 보다 긴경우

일정시간 경과후 방사평형(두 핵종의 원자수 일치) 예)

•

Np의 반감기는 지구나이, 4.6×10

년에 비해 짧 기 때문에 소멸되어 현재 지상에 존재하지 않는다.

※ 현존하는 ²³⁷Np는 인공방사성핵종이며 ²³⁸U(n,2n)²³⁷U로 생성된 ²³⁷U의 β^-붕괴에 따라 생성.

또한 ²³⁷Np는 ²⁴¹Am의 α붕괴에 따라 생성되기도 한다.

20 132Te(β^-, T = 78h) -> ¹³²I(β^-, T = 2.3h) -> ¹³²Xe

3. 유도 천연방사성핵종

- 자연계에서 우주선은 대기중의 산소, 질소, 아르곤 등의 원자핵을 파쇄(破碎, spallation)하는 반응에 의해 다양한 가벼운 원소 생성 - 이외에도 자발핵분열에 의한 중성자나, (α,n)반응에 의한 중성자 핵반응으로 생성된 것

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천연방사성핵종의 분포

• 대기중 : Rn-220, Rn-222 및 그 붕괴생성핵종 (Pb- 210, Bi-210m, Po-210)

H-3, C-14, Be-7, Na-22, Si-32, P-32, S-35 등

• 암석중 : U 계열, Th 계열, K-40

• 수중 : U 계열, Th 계열, K-40

• 음식물중

- 천연방사성핵종중 특히 토양이나 물에 녹아 있는 핵종들이 음식물중에 섭취되어 인체내로 들어옴.

- 대기중 핵종은 호흡에 의해 들어온다.

- 음식물중 K-40 섭취

4. 인공 방사성 핵종

☞ 의료, 산업, 연구 등에 여러 종류의 RI 이용

- 의료 : 𝑇𝑇𝑇𝑇 − 99𝑚𝑚, 𝐼𝐼 − 131, 𝐼𝐼 − 125, 𝐼𝐼 − 123, 𝐺𝐺𝐺𝐺 − 67, 𝑇𝑇𝑇𝑇 − 201, 𝐶𝐶𝐶𝐶 − 60, 𝐶𝐶𝐶𝐶 − 137 등

- 산업 : 𝐼𝐼𝐼𝐼 − 192, 𝐶𝐶𝐶𝐶 − 60, 𝐴𝐴𝑚𝑚 − 241, 𝐶𝐶𝐶𝐶 − 137, 𝐶𝐶𝐶𝐶 − 252 등 - 연구 : 𝐻𝐻 − 3, 𝐶𝐶 − 14, 𝑃𝑃 − 32, 𝑆𝑆 − 35, 𝐼𝐼 − 125

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