방사성 물질의 반감기 그래프를 분석해 보세요.
방사성 붕괴
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1895년 Roentgen(뢴트겐)은 적당한 물질에 발생시키는 형광작용으로 X-선을 검출하였습니다. 뢴트겐은 살아 있는 사람의 몸에 X-선을 직접 투사하면 그 사람의 몸 뒤에 놓인 감광판에 뼈의 이미지가 생긴다는 사실을 발견했습니다. 오늘날 X-선은 암 치료에도 쓰이고 있습니다. |
초기의 실험가들 중에서도 Rutherford와 동료들은 방사성 핵종에서 나오는 방사선에서 3가지 성분을 구별하였습니다. 이 성분들을 α, β, r 선이라 하였으며 결국 이들은 각각 42He핵, 전자, 고에너지 광자들로 밝혀졌습니다. 양전자 방출과 전자포획은 불안정한 핵이 붕괴할 수 있는 수단입니다.
방사능 붕괴의 5가지 유형
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| 어미핵 | 붕괴사항 | 딸핵 | 불안정의 원인 | |
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| r붕괴 |  |
r-선 ↗ r-선의 방출은 핵에 에너지를 감소 시킨다. |
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핵이 과도한 에너지를 가지고 있다. |
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| α붕괴 | |
 ↗α(헬륨이온핵)입자의 방출은 핵의 크기를 감소시킨다. |
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핵이 너무 크다. |
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| β붕괴 | |
 =  ↗ +  핵의 중성자에 의한 전자(β입자) 방출은 자신을 양성자로 변환시킨다. |
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핵의 중성자가 양성자에 비해 너무 많다. |
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| 전자포획 | |
+ = 핵의 양성자에 의한 전자포획은 자신을 중성자로 변환시킨다. |
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핵의 양성자가 중성자에 비해 너무 많다. |
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| 양전자방출 | |
=  ↗ + 핵의 양성자에 의한 양전자 방출은 자신을 중성자로 변환시킨다. |
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핵의 양성자가 중성자에 비해 너무 많다. |
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 (Fundamentals of Physics - Holiday, Resnick, Walker) |
방사능의 측정 방사능의 전통적인 단위는 퀴리(Ci)인데 라듐 22688Ra 1g의 방출값입니다. 퀴리의 정확한 값은 측정하는 방법에 따라서 변하기 때문에 지금은 임의로 다음과 같이 정의됩니다. 라듐 1g의 방사능은 이 값보다 수%작습니다. 형광 시계판은 수 μCi (1 μCi = 10-6Ci)의 라듐을 포함하고 있습니다.  SI단위계에서는 방사선 조사량을 sievert로 표시합니다. 이것은 생명체의 조직 1kg이 1J의 X-선 혹은 감마선을 흡수했을 때 받는 생물학적 영향과 같은 양의 방사선 양을 나타냅니다(더 오래된 단위로는 rem이 있는데, 이것은 0.01 sievert와 같습니다). 보편적으로 인정된것은 아니지만 방사능 생물학자들은 10 ~ 70 sievert의 방사선에 노출되면 암의 징후가 나타난다고 생각하고 있습니다.
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반감기
방사성 시료의 방사능에 대한 실험결과에 의하면 모든 경우에 있어서 방사능은 시간에 따라서 지수함수적으로 감소합니다.
모든 방사성 핵종은 특성 반감기를 가지고 있습니다. 어떤 것들은 반감기가 100만분의 1초에 지나지 않지만 어떤 것들은 몇 십억년이 되기도 합니다. 핵 발전에 의해 생성된 핵종들 중에 긴 반감기를 갖는 것들이 존재하므로, 이들 방사성 폐기물을 안전하게 처리하는 문제가 생기기도 합니다.
반감기가 지나면 전체 질량의 반이 다른 물질로 붕괴됩니다. 다시 반감기가 또 지나면 또 남은 질량 중 반이 남게 됩니다. (1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, …) 질량은 점점 줄어들지만 항상 조금은 남습니다.
| R = Roe-λt | |
| R: t시간 후의 질량 Ro: t = 0 일때의 질량 λ: 붕괴상수 (= ln 2 / T1/2 ) T1/2: 반감기 |
방사능 연대측정
방사능을 이용하면 여러 가지 지질학적, 생물학적 시료들의 연대를 측정할 수 있습니다. 어떤 특정한 방사성 핵종의 붕괴는 외부 조건에 관계없이 일정한 비율로 진행되므로 시료내에 존재하는 모핵과 안정한 딸 핵종 사이의 비율은 시료의 연대에 연관됩니다. 붕괴가 많이 진행된 것일수록 시료의 연대는 오래된 것입니다.
| 146C + 11H →147N + 10n |
방사성 탄소는 일정한 비율로 계속 붕괴하고 있지만 우주선의 충돌에 의하여 계속 공급됩니다. 생성된 방사성 탄소 원자들은 즉시 산소 분자들과 결합하여 이산화탄소분자들을 형성합니다. 녹색 식물들은 이산화탄소와 물을 흡수하여 광합성 과정으로 탄수화물을 생성하므로 모든 식물들은 약간의 방사성 탄소를 가지고 있습니다. 따라서 살아있는 모든 식물과 동물 체내의 방사성 탄소와 보통의 탄소의 비율은 항상 같습니다.
그러나 식물과 동물이 죽으면 더 이상 방사성 탄소 원자들을 섭취하지 못하고 사체 내의 방사성 탄소는 계속 붕괴하여 14N가 됩니다. 5760년 후에는 방사성 탄소의 양이 절반으로 줄고, 11,520년 후에는 1/4만 남게 됩니다.
이러한 뛰어난 방법은 미이라, 목기구, 의류, 가죽, 화롯불의 숯과 고대 문명의 예술품의 연대를 측정하는데 사용할 수 있습니다.
↑↑↑↑↑↑↑↑ 죽어서 묻힌 직후 |
↑ ↑ ↑ ↑ 5,760 년 후 |
↑ ↑ 11,520 년 후 |
↑ 17,280 년 후 |