방사성 붕괴

베타붕괴

중성자가 양성자로 변신한다.

베타붕괴는 핵 속의 중성자가 양성자로 변하면서 전자가 튀어 나오는 현상이다. 이에 따라 핵의 질량수는 변하지 않지만 양성자수가 하나 늘어나므로 원자번호는 1 증가하게 된다.

중성미자라는 새로운 입자

베타붕괴를 통하여 방출되는 전자의 에너지 분포를 면밀하게 조사해본 결과 전자의 에너지의 상한값이 기대보다 작았다. 그뿐만 아니라 총각운동량도 붕괴 전후로 보존되지 않는 등 여러 문제점이 있어서 파울리는 1930년 중성미자(neutrino)라는 새로운 입자가 도입해서 이들 문제점을 해소할 수 있었다. 이 입자는 전하를 띄고 있지 않고 물질과 상호작용도 거의 하지 않는 특이한 입자로 처음에는 질량도 없는 것으로 가정하였다.

파울리가 중성미자를 처음 도입할 때에는 전하가 중성이라는 사실로부터 'neutron'라고 명명했으나 2년 뒤 채드윅이 또다른 중성의 핵자를 발견하고 나서 혼돈을 피하기 위해서 이탈리아어로 작다는 의미를 가미한 'neutrino'로 다시 명명하였다. 중성미자가 방출되는 자세한 이론는 그 뒤 페르미에 의해 수립되었는 데., 중성미자는 전자기력을 느끼지 않는 등 물질과 상호작용이 매우 약해서 페르미의 사후인 1956년이 되어서야 역베타붕괴로 직접 이를 관측할 수 있었다. 한편, 중성미자는 처음에 제안한 대로 상당히 오랜 시간 동안 질량이 0이라고 생각되었으나 태양의 핵융합 과정에서 나오는 중성미자가 지구상에서 예상보다 더 적게 관찰된다는 사실로부터 중성미자가 다른 종류의 중성미자 사이에서 진동을 할 뿐만 아니라 조금이나마 질량을 가지고 있다는 것이 밝혀졌다. 현재까지 추정한 질량의 추정값은 상한이 0.12 eV/c²인 데 광자를 제외한 그 어떤 입자보다도 훨씬 가볍다.

1. 중성미자의 질량은 거의 0 인 0.12 eV/c² 이하이다.

2. 중성미자는 전기적으로 중성이다.

3. 중성미자는 스핀이 $\frac{1}{2}$인 페르미온이다.

4. 중성미자는 베타붕괴의 약한상호작용과 아주 미약한 중력상호작용의 두 상호작용을 한다.

5. 자연에는 위와 같이 전자와 함께 방출되는 중성미자와 함께 모두 세 종류의 중성미자가 있다. 이들은 $\nu_e$, $\nu_\mu$, $\nu_\tau$으로 각각은 세 종류의 전자계열 $e$, $\mu$, $\tau$에 대응된다.

다양한 베타붕괴의 변종들이 있다.

오른편 그림의 맨 위 반응은 베타붕괴에서 중성미자가 방출되는 것을 함께 나타내고 있다. 다음 반응은 베타붕괴의 거의 역과정에 해당하는 것으로 양성자가 중성자로 바뀐다. 이를 양전자방출(positron emission)이라 하는 데 1934년 퀴리 부인의 사위와 딸인 프레데리크와 졸리오 퀴리가 $^{4}_{2}\mathrm{He} +~ ^{27}_{13}\mathrm{Al} \rightarrow ~ ^{30}_{15}\mathrm{Al} + ~^{1}_{0}\mathrm{n}$의 핵반응에서 나온 $^{30}_{15}\mathrm{Al}$이 곧 이어 양전자를 방출하는 것으로 최초로 관찰하였다. 이듬해 이들은 이 업적으로 졸리오의 부모처럼 부부가 노벨상을 공동수상했다. 중성자가 양성자보다 질량이 무겁기 때문에 그림과 같은 단순한 상황에서 일어나는 것이 아니라 핵 속에서 특별한 조건이 성립할 때 일어나게 된다. 보통의 베타붕괴는 전자를 방출하는 반면에 양전자방출은 말 그대로 양전자를 방출하는 정도의 차이가 있는 대칭적인 핵변환이어서 각각을 $\beta^-$ 붕괴(beta minus decay), $\beta^+$ 붕괴(beta plus decay)라고 구분하여 부르기도 한다.

이 외에도 양성자가 전자를 포획하여 중성자로 바뀌면서 중성미자를 하나 방출하는 전자포획(electron capture)이 있다. 이는 핵속의 양성자가 초과되어 있는 원자에서 양성자가 안쪽의 K나 L 껍질의 전자를 포획해서 중성자로 변하는 과정으로 질량수 변화없이 원자번호가 하나 감소한 새로운 원자로 변한다.

베타붕괴의 예

아래에 예시하는 여러 핵반응들은 질량수는 변하지 않고 원자번호가 늘거나 준다. 이 반응으로 핵은 보다 안정된 핵으로 변하게 된다.

_ 태양의 핵융합_ 총각운동량_ 안정된 핵_ 페르미온_ 핵반응_ 중성자_ 채드윅_ 양성자_ 파울리_ 진동_ 전하_ 핵자_ 스핀

반입자

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디랙(P. A. M. Dirac, 1902-1984)_ 영국의 물리학자로서 특수상대성이론과 양자역학을 통합한 이론을 확립하였다. 이로부터 반입자인 양전자의 존재를 예언하였고 이는 1932년 발견되어 1933년 노벨물리학상을 수상했다.

반입자라는 새로운 부류의 입자

양전자방출에서 방출되는 입자는 전자와 그 질량이나 성질이 거의 같으나 단지 + 전하를 띄고 있는 차이만 있다. 이를 양전자(positron) 혹은 반전자(anti-electron)라 하고 기호로 $\mathrm{e}^{+}$로 표시한다. 이 전자의 경우와 마찬가지로 양성자나 중성자도 반양성자, 반중성자가 존재하고 있다. 이러한 거의 같은 속성을 가지고 있으면서 전하가 있는 경우에 그 반대 부호의 전하를 가진 입자를 반입자(antiparticle)라고 한다.

이 반입자의 존재는 상대성이론을 양자역학에 도입한 디랙(P. A. M. Dirac)에 의해 1928년 예언되었고 이어서 발견되었다. 이러한 반입자로 이루어진 물질을 반물질(antimatter)이라고 한다. 어떤 입자와 그의 반입자가 만나면 완벽하게 소멸하여 에너지만을 방출하게 되는 데 이를 쌍소멸이라고 한다.

상대성이론에서 $E=mc^2$의 질량-에너지 등가관계에 의해 질량을 완벽하게 에너지로 바꿀 수 있다면 실로 엄청난 에너지를 만들 수 있을 것으로 생각한다. 1kg의 돌멩이를 에너지로 바꾸면 9 x 10¹⁶J의 에너지를 만들 수 있는 데 왜 그렇게 하지 못할까? 이는 본질적으로 없앨 수 없이 유지되어야 하는 물리량이 있기 때문이다. 전자의 경우 그것이 다른 것으로 변할 수는 있겠으나 전하량은 그대로 있어야 한다. 이렇게 절대로 없어지지 않는 것을 보존법칙이 성립한다고 말한다. 예를 들어 전하량이 없어질 수 없는 것을 전하량보존법칙이라한다. 이는 고전역학에서의 운동량보존법칙, 에너지보존법칙, 화학에서의 질량보존의 법칙과 유사하다.

그러나 반물질과 물질이 합해지면 물질은 완전히 소멸하고 강력한 감마선이 그 질량의 에너지를 가지고 방출된다. 양전자를 우리 몸속에 쏘아 넣으면 우리 몸속에 충만된 전자를 만나서 감마선을 방출하고, 몸속의 전자와 함께 소멸 될 것이다. 이를 우리 몸의 내부를 진단하는 데 쓰는 장치를 양전자방출단층촬영장치(positron emission tomography: PET)라고 한다.

_ 특수상대성이론_ 운동량보존법칙_ 전하량보존법칙_ 양자역학_ 중성자_ 양성자