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8 차시, 원자핵 반응
원자와 원자핵
방사선과 방사능
원자핵반응
방사선피폭과 방사선량
방사성핵종
방사평형
방사선과 물질과의 상호작용
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- 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 일으킴. X + a → Y + b 또는 X ( a , b ) Y
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핵 반응
핵반응의 종류
핵 반응
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원자핵 붕괴 :
방사성핵종이 방사선 방출→다른 핵종으로 변환
Ex)
→226 222 4
88 86 2Ra Rn + He
원자핵 불안정한 핵종 > 안정한 핵종 불안정 : 원자핵속의 양성자와 중성자의 비 불균형 - Z 小 → 양성자 ≒ 중성자 - Z 大 → 중성자 > 양성자 (∵ Z이 커지면 양성자간 반발력이 커져 원자핵 불안정, 반발력을 약화 시키기위해 중성자가 많음)
원자핵 붕괴
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X + a → Y + b 또는 X ( a , b ) Y
• 핵반응의 원칙
- 핵자수 보존 법칙 : 전체 핵자수가 보존
- 전하량 보전법칙 양전하를 띠고 있는 양성자수 만큼 궤도의 전자 음전하를 띠고 있음
- 에너지 보존법칙 : 질량-에너지의 합 보존
- 운동량 보전법칙 : 반응전 후의 운동량
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• 모든 핵반응은 에너지변화 발생
• 핵반응의 Q값 : 에너지 발생량, 흡수량 ∆M(amu) =반응핵들의 전체질량−생성핵들의 전체질량
𝑸 = [ 반응핵 전체질량 − 생성핵 전체질량 ] × 𝟗𝟑𝟏. 𝟓𝑴𝒆𝑽/𝒂𝒎𝒖
Q값이 ‘–’ (흡열반응)이면 그 값보다 큰 에너지(문턱에너지)를
외부에서 공급해주어야 함. (Q 값>0 : 발열반응,, 그대로 진행 )
문턱에너지(Eth)와 Q값(에너지 발생량)과의 관계
𝑬𝒕𝒉 =𝒎𝒂+𝒎𝒃
𝒎𝒂× 𝑸 ( 𝑚𝑎: 반응핵중 표적핵의 질량,
𝑚𝑏: 반응핵중 입사입자의 질량 )
핵반응에서의 에너지 변화
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발열반응과 흡열반응
반응의 Q치와 문턱값 (threshold energy)
- 반응의 Q치
= {(Mx + Ma) - (My + Mb)} c2 (J)
= {(Mx + Ma) - (My + Mb)} × 931.5 (MeV)
- 반응의 Q > 0 일때 발열반응,
반응의 Q < 0일 때 흡열반응이라 한다.
- 흡열반응일 때 : 문턱값 이상 에너지 필요
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흡열반응의 문턱값
𝑿 𝒂, 𝒃 𝒀
𝑬𝒕𝒉 = |Q| × 𝑴𝑿 + 𝑴𝒂
𝑴𝑿
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과녁핵에 충돌한 입사입자는
산란(scattering), 흡수(absorption)
- 산란 : 입사입자가 과녁핵에 충돌,
과녁핵의 쿨롱반발력으로 입사 방향이
바뀌는 현상 (입사입자 종류 불변)
- 흡수 : 입사입자가 과녁핵에 충돌 흡수
→ 복합핵 → 핵변환 8
핵반응의 종류
핵 반응
핵 반응의 종류
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산란
- 탄성산란 : 충돌전후 운동에너지 보존 X(a,a)X
- 비탄성산란 : 입사입자의 운동에너지가
과녁핵의 들뜸에 사용, 사용분 에너지 줄어듬
X(a,a’)X’ : 핵은 감마선 방출후 안정화
흡수(핵변환) - 포획반응 : 입사입자가 과녁핵에 출동하여 복합핵이 되나,
입자를 방출할 만큼 에너지가 크지 않고, 핵의 에너지 준위
차에 의한 감마선만 방출 : 중성자포획 𝒏, 𝜸 , 양성자포획(𝒑, 𝜸) 반응
𝐶𝑜59 𝑛, 𝛾 𝐶𝑜60 , 𝐹𝑒(𝑝, 𝛾) 𝐶𝑜5756 - 입자방출반응 : X + a → Y + b 또는 X ( a , b ) Y
- 핵분열, 핵융합 9
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핵분열(nuclear fission)
- 무거운 원자핵이 두 개의 가벼운 원자
핵으로 되는 핵반응 (분열후 평균 2.5개 n)
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핵분열생성물
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방사성 핵종
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원자와 원자핵
방사선과 방사능
원자핵반응
방사선피폭과 방사선량
방사성핵종
방사평형
방사선과 물질과의 상호작용
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방사성핵종
1. 천연방사성핵종
12
• 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 𝛼붕괴와 𝛽붕괴가 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
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1차천연방사성핵종 계열 암기법
• Actinium, Uranium, Neptunium, Thorium
• AUNT(숙모)로 암기 : 4n+3,+2,+1,+0
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14
토륨계열(4n)
𝑇ℎ90232 로 시작해서
𝜶붕괴 𝟔회, 𝜷붕괴 𝟒회
𝑃𝑏 안정 로 끝남.82208
붕괴 횟수 계산: 𝜶붕괴 : (232-208)/4 = 6회 𝜷붕괴 : (82-90)=베타붕괴횟수-(2x6) 베타붕괴횟수=4회
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15
넵투늄 계열 (4n+1)
𝑁𝑝93237 로 시작해서
𝜶붕괴 𝟕회, 𝜷붕괴 𝟒회
𝐵𝑖 안정 로 끝남.83209
붕괴 횟수 ? 𝜶붕괴 : (237-209)/4 = 7회 𝜷붕괴 : (83-93)=베타붕괴횟수-(2x7) 베타붕괴횟수=4회
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16
우라늄계열 (4n+2)
𝑈92238 로 시작해서
𝜶붕괴 𝟖회, 𝜷붕괴 𝟔회
𝑃𝑏 안정 로 끝남.82206
붕괴 횟수 계산: 𝜶붕괴 : (238-206)/4 = 8회 𝜷붕괴 : (82-92)=베타붕괴횟수-(2x8) 베타붕괴횟수=6회
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17
악티늄계열(4n+3)
𝑈92235 로 시작해서
𝜶붕괴 𝟕회, 𝜷붕괴 𝟒회
𝑃𝑏 안정 로 끝남.82207
붕괴 횟수 ? 𝜶붕괴 : (235-207)/4 = 7회 𝜷붕괴 : (82-92)=베타붕괴횟수-(2x7) 베타붕괴횟수=4회
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계열을 이루지 않는 천연 방사성핵종
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2. 2차 천연 방사성핵종 • 1차 천연방사성핵종인 238U, 232Th, 235U 등의 붕괴에 따라 2차적으로 생성된 핵종
• 그 반감기는 어미핵종에 비해 짧다.
어미핵종의 반감기가 딸핵종의 보다 긴경우
일정시간 경과후 방사평형(두 핵종의 원자수 일치)
예)
• 237Np의 반감기는 지구나이, 4.6×109년에 비해 짧기 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.
19
132Te(β-, T = 78h) -> 132I(β-, T = 2.3h) -> 132Xe
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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
20
핵종 반감기 생성 핵반응
이외에도 파쇄반응으로 22Na, 32Si 등이 생성되며, 3H, 14C, 32P, 35S 등은 파쇄반응 이외에 14N(n,3H)12C, 14N(n,p)14C, 32S(n,p)32P, 35Cl(n,p)35S 등 핵반응으로도 생성됨
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4. 인공 방사성 핵종
☞ 의료, 산업, 연구 등에 여러 종류의 RI 이용
- 의료 : 𝑇𝑐 − 99𝑚, 𝐼 − 131, 𝐼 − 125, 𝐼 − 123, 𝐺𝑎 − 67,
𝑇𝑙 − 201, 𝐶𝑜 − 60, 𝐶𝑠 − 137 등
- 산업 : 𝐼𝑟 − 192, 𝐶𝑜 − 60, 𝐴𝑚 − 241, 𝐶𝑠 − 137, 𝐶𝑓 − 252 등
- 연구 : 𝐻 − 3, 𝐶 − 14, 𝑃 − 32, 𝑆 − 35, 𝐼 − 125
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방사평형
(Radioactive Equilibrium)
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원자와 원자핵
방사선과 방사능
원자핵반응
방사선피폭과 방사선량
방사성핵종
방사평형
방사선과 물질과의 상호작용
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방사평형 (Radioactive Equilibrium)
어미 핵종과 딸핵종의 방사능붕괴수가 같거나, 질량수가 같을 때(방사능이 같음, 영속평형), 질량수가 같을 때(일시평형)를 방사평형이라 함.
1. 영속평형(𝑇1 ≫ 𝑇2)
2. 일시평형 (𝑇1 > 𝑇2)
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1. 영속 평형(Secular Equilibrium)
(𝑻𝟏 ≫ 𝑻𝟐)
𝑨𝟏 = 𝑨𝟐, 𝝀𝟏𝑵𝟏 = 𝝀𝟐𝑵𝟐
2. 일시평형(Transit Equilibrium)
(𝑻𝟏 > 𝑻𝟐)
𝝀𝟏𝑵𝟏 = (𝝀𝟐 − 𝝀𝟏)𝑵𝟐, 𝑨𝟐 > 𝑨𝟏
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• 일시평형의 예
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• 영속평형의 예
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3. 방사평형이 성립되지 않는 경우
𝑻𝟏 < 𝑻𝟐
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방사평형
영속평형 (어미핵종과 탈핵종의 방사능이 같거나, 질량수가 같을 때)
(𝑇1 ≫ 𝑇2) 𝐴1 = 𝐴2, 𝜆1𝑁1 = 𝜆2𝑁2
일시평형 (질량수만 같을 때)
(𝑇1 > 𝑇2) 𝜆1𝑁1 = (𝜆2 − 𝜆1)𝑁2, 𝐴2 > 𝐴1