29 장 . 핵물리학

1. 29장. 핵물리학 29.1 핵의 특성 29.2 결합 에너지 29.3 방사능 29.4 붕괴 과정 29.5 자연 방사능 29.6 핵반응 29.7 방사선의 의학적 응용

2. 29.1 핵의 특성 (Some Properties of Nuclei) 핵은 양성자와 중성자라고 하는 두 가지 형태의 입자들로 구성 (예외: 수소). ■원자 번호 Z : 핵 속의 양성자의 수와 같음(때로는 전하의 수라고도 함) ■중성자수 N : 핵 속의 중성자의 수와 같음 ■질량수 A=Z＋N : 핵 속에 있는 핵자(중성자 더하기 양성자)의 수와 같음 핵의 표기: 동위 원소(isotopes): 양성자의 수가 같으나 중성자의 수가 다른 핵

3. 전하와 질량(Charge and Mass) 양성자의 전하량: 전자와 동일, 양전하 핵의 질량: 양성자의 질량은 전자 질량의 약 1836배이고, 양성자와 중성자의 질량은 거의 같다. 통합 질량 단위(unified mass unit): 동위 원소 12C 원자 한 개의 질량을 12u로 나타냄 등가 정지 에너지

4. 핵의 크기(The Size of Nuclei) 러더퍼드는 핵에 정면으로 접근하는 알파 입자가 쿨롱 척력에 의해 휘어져 돌아나오게 되는 최근접 거리 d 를 구하기 위해 고립계에 대한 에너지 보존 법칙을 사용 펨토미터(fm) 또는페르미(fermi) ◀핵의 반지름

5. 핵의 안정성(Nuclear Stability) 핵력(nuclear force) : 핵 속의 양성자들 사이의 엄청나게 큰 쿨롱 척력에 버틸 수 있는 인력 핵력은 매우 짧은 거리(약 2fm)에만 미치는 인력으로서 핵 내의 모든 입자들 사이에 작용 핵력은 전하와는 무관. 핵자들 사이에만 작용 전자에게 작용하지 않으므로 충분한 에너지를 가진 전자들이 핵 속으로 들어가 핵의 내부를 탐사하는 점 입자로 행동하게 할 수 있음 Z=83 이상에서는 양성자의 수가 계속 증가하면 인력의 증가는 양성자들 간의 쿨롱 척력을 따라가지 못하게 된다. 이것은 83개 이상의 양성자를 갖는 핵은 안정한 핵이 아님을 의미

6. 29.2 결합 에너지 ( Binding Energy) 핵의 전체 질량은 각각의 핵자의 질량들의 합보다 항상 작다. 결합 에너지(binding energy) : 속박된 계(핵)의 전체 에너지와 각각의 핵자들의 정지 에너지를 모두 합한 것의 차이 핵자 한 개당 평균 결합 에너지 ~ 대략 8 MeV정도 질량수 A >40 : 곡선은 천천히 변화하는데, 이는 핵력이 포함됨을 의미

7. 29.3 방사능 (Radioactivity) 베크렐- 1896년 황화우라닐칼륨 결정에서 자연 방사능이 방출됨을 우연히 발견. 퀴리 부부가 폴로늄과 라듐이라는 방사능 원소 발견 방사능은 불안정한 핵에 의한 붕괴의 결과 알파(α) 붕괴: He 원자핵(+전하) 방출 베타(β) 붕괴: 전자나 양전자 방출 감마(γ) 붕괴: 고에너지 광자 방출

8. 붕괴 상수와 반감기(The Decay Constant and Half-life) (λ:붕괴 상수) 붕괴율(decay rate) 또는 방사능 R : 단위 시간당 붕괴의 수

9. 반감기(halflife) T1/2 : 어떤 방사성 물질의 반감기는 붕괴로 인해 방사성 핵의 수가 반으로 줄어드는 데 걸리는 시간 방사능의 단위:

10. 예제 29.2 라듐의 방사능 방사성 핵종22688Ra의 반감기는 1.6 x 103년이다. 처음 시료 속에 핵의 개수가 3.00 x 1016개가 있었다면, (a) 처음의 방사능을 퀴리의 단위로 구하라. (b) 4.8 x 103년 후에 남아 있는 라듐핵의 개수는 얼마인가? (c) 이때 방사능을 구하라. 풀이 (a) (b) (c)

11. 29.4 붕괴과정 (The Decay Processes) • 알파(α) 붕괴(Alpha Decay) 자발 붕괴(spontaneous decay) : 알파 붕괴처럼 한 원소가 다른 원소로 변하는 과정. 자발 붕괴에서 고립된 어미핵의 에너지와 운동량은 보존되어야 함

12. 베타붕괴(Beta Decay) 베타 붕괴의 경우, 딸핵핵자의 수와 어미핵핵자의 수는 같지만 원자 번호가 1만큼 변한다. 즉, 양성자의 수가 변한다. 핵자의 개수와 전체 전하량은 보존된다. 하지만 변환 식만으로 붕괴 과정을 완벽히 기술할 수 없다. 붕괴에서 방출되는 전자나 양전자는 본래 핵 속에는 없었던 것이며, 그것은 붕괴 과정에서 붕괴하는 핵의 정지 에너지로부터 생성되는 것

13. 대부분의 전자는 예상치보다 작은 운동 에너지를 갖고 방출! 파울리– 1930년‘잃어버린’에너지와 운동량을 가져가는 제3의 입자가 붕괴의 산물로 존재해야 한다고 제안 페르미- 그런 입자를 중성미자(neutrino, 작고 중성인 입자)로 명명 레인즈(Frederick Reines) – 1956년 실험적으로 발견 중성미자의 성질 • 전기적인 전하가 영 • 질량이 전자보다도 작지만 영은 아님. 값은 매우 불확실하며 1 eV/c2보다 작을 것으로 예상 • 스핀 1/2 • 물질과의 상호작용이 매우 약해 검출하기 어려움

14. e-붕괴의 기본적인 과정 전자 포획(electron capture)

15. 감마붕괴(Gamma Decay) 방사성 붕괴를 하는 핵은 들뜬 에너지 상태에 있게 됨. 핵은 고에너지의 광자를 방출하고 낮은 에너지 상태(또는 바닥 상태)로 두 번째 붕괴를 하게 됨 들뜬 핵 상태의 전형적인 반감기는 10-10s 임

16. 방사능의 활용(Practical Uses of Radioactivity) • 탄소 연대 측정 14C의 베타 붕괴가 유기 물질 시료의 연대를 측정하는 데 주로 사용. 대기의 상층부에 있는 우주선(cosmic ray)이 14C를 생성하는 핵반응을 일으킴 대기의 이산화탄소에서 12C에 대한 14C의 비는 약 1.3 × 10-12으로 일정. 14C가 5730년의 반감기로 붕괴하면서 감소하므로, 시료 내의 14C의 활성도를 측정하여 어떤 물질의 나이를 측정하는 것이 가능

17. 연기 감지기 미약한 방사선원이 검출기 내의 공기를 전리시키면 전하를 띤 입자가 생기고, 연기 입자와 결합하여 전류의 변화를 유발 • 라돈 검출기 자연 상태에서 존재하는 라듐에 의해 생성된 라돈 기체를 검출.

18. 29.5 자연방사능 (Natural Radioactivity) 방사성 핵종의 분류: (1) 자연 방사능(natural radioactivity)- 자연에서 발견되는 불안정한 핵 (2) 인공 방사능(artificial radioactivity) - 실험실에서 핵반응을 통해 생성되는 불안정한 핵 (자연계에 존재하지 않음)

19. 29.6 핵반응 (Nuclear Reactions) 핵반응(nuclear reactions): 인위적으로 핵에 에너지가 매우 높은 다른 입자를 충돌시켜서 핵의 구조를 바꾸는 반응 (충돌)  흡열 반응 • Q값 반응식 양변의 정지 에너지를 같게 만들 에너지 값. 반응 후 생성된 핵들의 운동 에너지 Q값이 양인 반응을 발열 반응(exothermic), Q값이 음인 반응을 흡열 반응(endothermic)이라 함

20. 반응 이전에 입사한 입자들의 에너지도 고려해야 정확한 에너지 관계를 알 수 있음 운동량 보존 법칙이 성립하기 위해 충돌 입자의 에너지가 Q보다 크지 않으면 흡열 반응은 일어나지 않는다. 이러한 반응이 일어나기 위한 최저 에너지를 문턱 에너지(threshold energy)라 한다. 의 경우

21. 29.7 방사선의 의학적 응용 (Medical Applications of Radiation) • 물질에 대한 방사선의 효과(Radiation Damage in Matter) 물질에 흡수된 방사선은 심각한 손상을 줄 수 있으며, 손상의 종류와 정도는 방사선의 종류와 에너지, 흡수 물질의 특성 등에 따라 다르다. 생물학적 유기체에 나타나는 방사선 손상은 주로 세포 내의 전리(이온화) 효과에 의한 것 체세포 손상(Somatic damage) - 생식 세포를 제외한 세포가 피폭에 의해 손상. 암을 유발시키거나 특정 조직의 특성을 심각하게 변화시킴 유전적 손상(Genetic damage) - 생식 세포에 대한 효과. 생식 세포 내의 유전자 손상은 후손에 영향을 미침

22. 방사선에 대한 노출이나 피폭을 정량화하기 위한 단위: 뢴트겐(R) - 표준 조건 하에서 1cm3속의 공기 중에서 2.08×109개의 이온쌍을 생성시키는 전리 방사선의 양 1 rad(radiation absorbed dose) - 흡수체1 kg의 에너지를 1×10-2 J 만큼 증가시키는 방사선의 양 RBE(relative biological effectiveness, 상대적인 생물학적 효과) – 1rad가 내는 것과 동일한 생물학적 손상을 유발하는 X선 또는 감마선의 rad수 rem(roentgen equivalent in man) -rad단위의 흡수선량에 RBE 계수를 곱한 것으로 정의

23. 직종별 방사선 노출 한계 배경 복사(background radiation) : 우주선이나 자연 방사선원에서 나오는 저준위 방사선은 약 0.13 rem/yr. 미국의 권장 방사선량 상한 : 0.5 rem/yr 식품과 의료 기구 소독 대부분의 박테리아나 벌레, 곤충들은 방사성 코발트로부터 나오는 감마선에 의해 쉽게 박멸 돼지고기 속의 트리키넬라(Trichinella) 기생충, 닭고기 속의 살모넬라균, 밀가루 속에 있는 벌레의 알, 채소와 과일을 상하게 만드는 표면 박테리 아 등을 박멸하는 데 매우 효과적 의료 기구(수술용 장갑, 스펀지, 봉합 실 등)이 포장된 채로 방사선 조사. 이식을 위한 뼈나, 연골, 피부 등도 감염을 막기 위해 조사.

24. 추적(Tracing) 다양한 화학 반응에 참여하는 화학 물질을 추적해 보기 위해 방사성 추적자 사용. 의료용으로 많이 사용. 응급 상황에서 체내 출혈이 있는 위치를 찾아내는 데 방사성 추적자 사용

25. MRI(magnetic resonance imaging) 자기 모멘트를 가진 핵이 외부 자기장에 놓일 경우 그 모멘트는 자기장 방향을 따라 자기장 세기에 비례하는 주파수로 세차 운동을 한다. 인체의 거의 2/3에 해당하는 원자들이 수소(수소는 강한 NMR 신호를 낸다) 이기 때문에 인체의 조직을 보는 데는 MRI가 아주 좋다. 인체 조직의 서로 다른 형태들 간의 최종 영상에 나타나는 명암은 핵이 라디오파 광자의 펄스 간의 낮은 에너지의 스핀 상태로 되돌아가는 데 걸리는 시간을 컴퓨터로 분석하여 만들어 낸다.