방사성 붕괴

때때로 알파붕괴와 베타붕괴에 뒤이어, 그에 따라 남은 에너지를 가져나오기 위해서 핵이 안정이 되기 전에 감마붕괴가 필요한 경우가 있다.

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들뜬 원자핵_ 높은 에너지 준위로 결합된 핵은 불안정하여 감마선을 방출하고 바닥상태로 전이한다.

감마붕괴에서는 방출되는 입자가 광자이기 때문에 핵의 질량수나 원자번호는 변화되지 않고 단지 결합상태만 보다 안정된 상태로 바뀐다.

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감마붕괴_ 들뜬 원자핵이 안정된 상태로 되면서 그 차이의 에너지의 감마선을 방출한다.

원자에서 핵과 결합되어 있는 전자가 여러 에너지 준위에 있을 수 있는 것처럼 여러 개의 중성자와 양성자에 의해 결합되어 있는 원자핵도 띄엄띄엄한 에너지 준위를 가지고 있다. 원자의 경우와 마찬가지로 높은 에너지의 결합상태로 있다가 낮은 에너지 준위의 보다 안정된 상태로 가면서 그 차이에 해당하는 에너지가 빛의 형태로 발생된다. 이의 에너지 값이 원자에서의 값에 수천 배 이상의 큰 값을 갖는다. 따라서 이때 방출되는 빛의 파장도 nm 보다 훨씬 더 작은 값을 가지고 있다. 이렇게 원자핵의 변화에 동반되어 발생하는 빛을 감마선(gamma ray)이라 한다. 또한 이러한 핵의 변화를 감마붕괴라 한다. (실제로 감마붕괴를 통하여 핵의 본질이 달라지지 않기 때문에 붕괴(decay)라고 말하는 것에는 약간의 문제가 있다)

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알파붕괴에 뒤이은 감마붕괴_ $^{228}_{90}\mathrm{Th}$ 이 여러 갈래로 $^{224}_{88}\mathrm{Ra}$ 의 알파붕괴를 한다. 이 중 $^{224}_{~~88}\mathrm{Ra}$ 의 여러 형태의 들뜬상태는 뒤이어 감마붕괴를 하여 결국 바닥상태로 변한다.

보통의 핵은 수 MeV정도의 에너지를 열운동이나 다른 형태로 부터 얻기 힘들기 때문에 바닥상태를 하고 있어 감마선을 내는 경우가 있기 힘들다. 그러나 알파나 베타붕괴가 이루어진 후 생성된 딸핵이 들뜬상태로 되어 있을 수 있어서 이것이 계속해서 감마붕괴를 하기도 한다. 오른쪽 그림은 이의 한 예이다.

^{228} T h

$^{228}\mathrm{Th}$ 이 다섯 종류의 알파붕괴를 하고, 이 중 네 갈래는

^{228} T h

$^{228}\mathrm{Th}$ 의 들뜬 상태이기 때문에 뒤이어 감마붕괴를 하게 된다.

한편, 다른 핵반응에서 나오는 방사선이나 중성자 선을 이용하여 핵을 들뜨게 할 수 있다. 특히 낮은 에너지의 중성자가 효과적으로 핵을 들뜨게 한다. 예를 들어 느린 중성자가

^{238} U

$^{238}\mathrm{U}$ 을 통과해 나갈 때 중성자가 원자핵 범위 안에 있기만 하면 핵력을 받게 된다. 따라서 중성자가 포획되어 들뜬 상태의

^{239} U^{*}

$^{239}\mathrm{U}^*$ 가 된다. 여기서의

*

$*$ 는 들뜬 상태의

^{239} U

$^{239}\mathrm{U}$ 원자핵이라는 표식이다. 이와 같이 들뜬 상태의 핵종은 하나 또는 그 이상의 감마선을 방출한 후 바닥상태로 떨어진다. 연속해서 일어나는 이 과정을 핵반응식으로 나타내면 다음과 같다.

\begin{matrix} n +_{92}^{238} U & ⟶ & _{92}^{239} U^{*} \\ _{92}^{239} U^{*} & ⟶ & _{92}^{239} U + γ \end{matrix}