알파 붕괴

Alpha decay
알파 붕괴의 시각적 표현

알파 붕괴 또는 α-decay원자핵이 알파 입자(헬륨 핵)를 방출하여 질량이 4만큼 감소하고 원자 번호가 2만큼 감소하는 다른 원자핵으로 변형되거나 '감쇠'하는 방사성 붕괴의 한 유형이다.알파 입자는 두 의 양성자와 두 의 중성자로 구성된 헬륨-4 원자의 핵과 동일합니다.그것은 +2 e의 전하와 4 u의 질량을 가지고 있다.예를 들어 우라늄-238은 분해되어 토륨-234를 형성한다.

알파 입자는 +2 e의 전하를 가지지만, 핵 방정식이 전자를 고려하지 않고 핵 반응을 설명하기 때문에 이것은 보통 나타나지 않는다. 즉, 핵이 반드시 중성 원자에서 발생한다는 것을 의미하는 것은 아니다.

알파 붕괴는 일반적으로 가장 무거운 핵종에서 발생합니다.이론적으로는 니켈(원소 28)보다 다소 무거운 핵에서만 발생할 수 있으며, 핵자당 전체 결합 에너지는 더 이상 최대가 아니며, 따라서 핵종은 자발적 핵분열형 프로세스에 대해 불안정하다.실제로 이러한 붕괴 양상은 니켈보다 상당히 무거운 핵종에서만 관측되었으며, 가장 가벼운 알파 방출체는 텔루륨(원소 52)의 가장 가벼운 동위원소(질량 번호 104~109)이다.그러나 예외적으로 베릴륨-8은 2개의 알파 입자로 분해된다.

알파 붕괴는 지금까지 가장 흔한 형태의 클러스터 붕괴로, 부모 원자가 정의된 핵자의 딸 모음을 방출하고 다른 정의된 생성물을 남깁니다.이것은 결합된 매우 높은결합 에너지와 상대적으로 작은 알파 입자의 질량 때문에 가장 일반적인 형태이다.다른 클러스터 붕괴와 마찬가지로 알파 붕괴는 기본적으로 양자 터널링 과정입니다.베타 붕괴와 달리 강한 핵력전자기력 사이의 상호작용에 의해 지배된다.

알파 입자는 일반적인 운동 에너지가 5MeV(또는 총 에너지의 0.13% 이상, 110TJ/kg)이며 속도는 약 15,000,000m/s, 즉 광속의 5%입니다.이 과정의 반감기가 생성된 에너지에 크게 의존하기 때문에 이 에너지 주변에는 놀랄 만큼 작은 변화가 있습니다.상대적으로 질량이 크고 +2 e의 전하와 상대적으로 느린 속도 때문에 알파 입자는 다른 원자와 상호작용하여 에너지를 잃을 가능성이 매우 높으며 몇 센티미터의 공기로 인해 전진 운동을 멈출 수 있다.

지구상에서 생성되는 헬륨의 약 99%는 우라늄이나 토륨을 포함한 광물의 지하 퇴적물의 알파 붕괴의 결과입니다.헬륨은 천연가스 생산의 부산물로 표면으로 나온다.

역사

알파 입자는 1899년 어니스트 러더포드에 의해 방사능 조사에서 처음 설명되었고 1907년에는 He 이온으로 확인되었다2+.1928년까지 조지 가모프는 터널링을 통해 알파 붕괴 이론을 해결했다.알파 입자는 매력적인 핵 전위 유정과 반발성 전자기 전위 장벽에 의해 핵 안에 갇힌다.고전적으로, 탈출하는 것은 금지되어 있지만, 당시 새롭게 발견된 양자역학 원리에 따르면, 그것은 장벽을 통해 터널을 통과하고 핵을 탈출하기 위해 반대편에 나타날 아주 작은 (0이 아닌) 확률을 가지고 있다.가모프는 핵에 대한 모델 잠재력을 풀었고, 첫 번째 원리에서 붕괴의 반감기와 방출 에너지 사이의 관계를 도출했습니다. 이 관계는 이전에 경험적으로 발견되었고 가이거-누탈 [1]법칙으로 알려져 있었습니다.

메커니즘

원자핵을 함께 고정시키는 핵력은 일반적으로 양성자 사이의 반발성 전자기력보다 훨씬 더 강하다.그러나 핵력도 단거리여서 약 1펨토미터 이상의 강도가 빠르게 떨어지는 반면 전자기력은 범위가 무한하다.따라서 핵을 함께 유지하는 매력적인 핵력의 세기는 핵자의 수에 비례하지만, 핵을 분리하려는 양성자-양성자 반발의 총 파괴 전자력은 원자 번호의 제곱에 거의 비례한다.210개 이상의 핵자를 가진 핵은 너무 커서 핵을 함께 지탱하는 강한 핵력은 핵자가 가진 양성자 사이의 전자기적 반발을 겨우 상쇄시킬 수 있다.알파 붕괴는 크기를 [2]줄임으로써 안정성을 증가시키는 수단으로 그러한 핵에서 발생합니다.

한 가지 궁금한 점은 왜 알파 입자, 헬륨 핵이 단일 양성자,[note 1] 중성자 또는 다른 원자핵과 같은 다른 입자와 반대로 우선적으로 방출되어야 하는가이다.그 이유의 일부는 알파 입자의 높은 결합 에너지인데, 이것은 그것의 질량이 두 개의 자유 양성자와 두 개의 자유 중성자의 질량의 합보다 작다는 것을 의미한다.이것은 분해 에너지를 증가시킨다.다음 방정식으로 주어진 총 분해 에너지 계산

여기i m은 핵의 초기 질량, mf 입자 방출 후 핵의 질량, mp 방출된 (알파-) 입자의 질량이다. 특정 경우 양성이고 알파 입자 방출이 가능한 반면 다른 붕괴 모드는 추가 에너지를 필요로 한다.예를 들어, 우라늄-232에 대한 계산을 수행하면 알파 입자 방출이 5.4 MeV의 에너지를 방출하는 반면, 단일 양성자 방출에는 6.1 MeV가 필요하다.대부분의 분해 에너지는 알파 입자의 운동 에너지가 되지만, 운동량 보존을 위해 에너지의 일부는 핵 자체의 반동으로 갑니다(원자 반동 참조).그러나 대부분의 알파 방출 방사성 동위원소의 질량수는 210을 넘어 알파 입자의 질량수(4)보다 훨씬 크기 때문에 핵의 반동으로 가는 에너지의 비율은 일반적으로 2% [2]미만으로 매우 작다.그럼에도 불구하고, 반동에너지는 여전히 화학 결합의 강도(eV의 척도)보다 훨씬 크기 때문에 딸 핵종은 부모가 있던 화학 환경에서 이탈할 것이다.알파 입자의 에너지와 비율을 사용하여 알파 분광법을 통해 방사성 부모를 식별할 수 있다.

그러나 이러한 붕괴 에너지는 강력한 핵과 전자력 사이의 상호작용에 의해 생성된 반발 전위 장벽보다 상당히 작아서 알파 입자가 빠져나가는 것을 막는다.무한대에서 핵력의 영향 범위 밖에 있는 핵 근처 지점까지 알파 입자를 가져오는 데 필요한 에너지는 일반적으로 약 25 MeV 범위이다.핵 내의 알파 입자는 벽이 무한대의 전위보다 25MeV 높은 전위 장벽 안에 있다고 생각할 수 있다.그러나 붕괴 알파 입자는 장벽을 극복하고 탈출하는 데 필요한 에너지보다 훨씬 적은 4에서 9 MeV의 에너지를 무한대에서 전위보다 가지고 있다.

그러나 양자역학은 알파입자가 양자터널링을 통해 빠져나갈 수 있도록 한다.1928년 [4]조지 가모프와[3] 로널드 윌프레드 거니와 에드워드 콘든에 의해 독립적으로 개발된 알파 붕괴의 양자 터널링 이론은 양자 이론의 매우 놀라운 확인으로 환영받았다.본질적으로 알파 입자는 벽을 통과할 수 있는 충분한 에너지를 얻는 것이 아니라 벽을 통해 터널을 뚫음으로써 핵에서 빠져나갑니다.Gurney와 Condon은 이에 관한 논문에서 다음과 같은 견해를 밝혔다.

지금까지 핵의 특별한 임의적인 '불안정성'을 가정하는 것이 필요했지만, 다음 주석에서는 붕괴는 특별한 가설 없이 양자역학 법칙의 자연스러운 결과라고 지적하고 있다.α 입자가 핵의 위치에서 튕겨져 나오는 폭발적 폭력에 대해 많은 것이 쓰여져 있다.그러나 위의 과정을 보면 α 입자가 거의 눈에 [4]띄지 않게 빠져나간다고 말할 수 있다.

이 이론은 알파 입자가 일정한 운동을 하지만 강한 상호작용에 의해 핵 안에 있는 독립적인 입자로 간주될 수 있다고 가정합니다.전자력의 반발성 전위 장벽과의 충돌마다, 그것이 터널을 뚫을 확률은 0이 아니다.약 10m의 핵−14 직경 내에서 1.5×10m7/s의 속도를 가진 알파 입자는 초당 10회 이상21 장벽과 충돌한다.그러나 각 충돌에서의 탈출 확률이 매우 작을 경우, 총 탈출 확률이 50%에 도달하는 데 필요한 시간이므로 방사성 동위원소의 반감기는 매우 길어진다.극단적인 예로서 동위원소 비스무트-209의 반감기는 2.01×10년이다19.

질량수 A = 5, A = 8, 143 a A 155 155, 160 a A 162 162, A 165 165의 이중 베타 붕괴에 대해서도 안정된 베타-입자 안정 이소바 동위원소는 알파 붕괴를 겪는 것으로 이론화된다.다른 모든 질량수(이소바)는 이론적으로 안정된 핵종이 정확히 한 개입니다.질량이 5인 핵종은 헬륨-4로 붕괴하고, 양성자 또는 중성자 1개, 질량이 8인 핵종은 헬륨-4 핵 2개로 붕괴한다. 반감기(헬륨-5, 리튬-5, 베릴륨-8)는 A ≤ 209인 다른 모든 핵종의 반감기가 매우 긴 것과 달리 매우 짧다. (209 이상의 핵종을 제외핵종은 원시 핵종이다.)

이론의 세부사항을 알아내는 것은 방사성 동위원소의 반감기와 알파 입자의 붕괴 에너지와 관련된 방정식으로 이어지는데, 이는 경험적 가이거-누탈 법칙의 이론적 파생이다.

사용하다

알파 이미터인 아메리슘-241은 연기 감지기에 사용된다.알파 입자는 열린 이온 챔버에서 공기를 이온화하고 이온화된 공기를 통해 소량의 전류가 흐릅니다.실내로 들어온 화재의 연기 입자가 전류를 줄여 화재 감지기의 경보를 울린다.

라듐-223알파 이미터이기도 합니다.골격 전이(뼈에 있는 콘서) 치료에 사용됩니다.

알파 붕괴는 우주[6] 탐사에 사용되는 방사성 동위원소 열전 발전기에 안전한 전원을 제공할 수 있으며 인공 심장 [7]박동기에 사용되었다.알파 붕괴는 다른 형태의 방사성 붕괴보다 훨씬 쉽게 보호된다.

정전기 제거기는 일반적으로 알파 이미터인 폴로늄-210을 사용하여 공기를 이온화함으로써 '정전기 부착물'이 더 빨리 소멸되도록 합니다.

독성

고전하를 띠고 무거운 알파 입자는 매우 짧은 평균 자유 경로와 함께 작은 부피의 물질 내에서 수 MeV의 에너지를 잃습니다.따라서 내부 오염의 경우 피부를 통해 섭취, 흡입, 주입 또는 유입될 때 DNA에 이중 가닥이 끊어질 가능성이 높아집니다.그렇지 않으면 알파 입자가 공기 몇 센티미터, 종이 한 장 또는 표피를 구성하는 각질의 얇은 층에 의해 효과적으로 보호되기 때문에 알파 선원을 만지는 것은 일반적으로 해가 되지 않습니다. 그러나 많은 알파 선원 또한 베타 방출 라디오 딸들과 동반되며, 두 선원 모두 종종 감마 광자 e를 동반합니다.사명을 띠고 있습니다.

상대적 생물학적 효과(RBE)는 동등한 방사선 피폭에 대해 특정 생물학적 영향(특히 암 또는 세포사)을 유발하는 방사선의 능력을 정량화한다.알파 방사선은 높은 선형 에너지 전달(LET) 계수를 가지며, 이는 알파 입자가 이동하는 모든 각도 스트롬에 대해 분자/원자 1개의 이온화입니다.RBE는 다양한 정부 규제에 의해 알파 방사선에 대해 20으로 설정되었다.RBE는 중성자 조사의 경우 10으로, 베타 방사선과 이온화 광자의 경우 1로 설정된다.

그러나 모핵의 반동(알파 반동)은 상당한 양의 에너지를 제공하므로 이온화 손상도 일으킨다(이온화 방사선 참조).이 에너지는 대략 알파(4u)의 무게를 부모의 무게(일반적으로 약 200u)에 알파의 총 에너지를 곱한 값으로 나눈 것입니다.일부 추정에 따르면, 이것은 내부 방사선 손상의 대부분을 설명할 수 있다. 왜냐하면 반동핵은 알파 입자보다 훨씬 크고 매우 조밀한 이온화 흔적을 일으키기 때문이다. 원자는 전형적으로 염색체에 우선적으로 모이는 중금속이다.일부 연구에서,[8] 이것은 정부 규제에 사용된 값 대신 RBE가 1,000에 근접하는 결과를 낳았다.

공공 방사선량의 가장 큰 자연 기여자는 토양과 [9]암석에서 발견되는 자연 발생 방사성 가스인 라돈이다.가스를 흡입하면 라돈 입자의 일부가 폐의 내벽에 부착될 수 있습니다.이 입자들은 계속해서 부패하면서 폐 [10]조직의 세포를 손상시킬 수 있는 알파 입자를 방출한다.66세의 마리 퀴리의 재생불량성 빈혈로 인한 사망은 아마도 고용량의 이온화 방사선에 대한 장기간 피폭에 의해 일어났을 것이지만, 이것이 알파 방사선과 X선 때문인지는 명확하지 않다.퀴리는 베타선과 감마선을 [11]방출하는 다른 방사성 물질과 함께 라듐을 광범위하게 연구했다.그러나 퀴리는 제1차 세계대전 동안 차폐되지 않은 X선 튜브로도 연구했고, 재매장 중 그녀의 골격을 분석한 결과 상대적으로 낮은 수준의 방사성 동위원소 부담을 보였다.

러시아의 반체제 인사인 알렉산더 리트비넨코의 2006년 방사능 중독 살인은 알파 방출물질인 폴로늄-210을 사용한 것으로 추정된다.

레퍼런스

  1. ^ "Gamow theory of alpha decay". 6 November 1996. Archived from the original on 24 February 2009.
  2. ^ a b Arthur Beiser (2003). "Chapter 12: Nuclear Transformations". Concepts of Modern Physics (PDF) (6th ed.). McGraw-Hill. pp. 432–434. ISBN 0-07-244848-2. Archived from the original (PDF) on 2016-10-04. Retrieved 2016-07-03.
  3. ^ G. Gamow (1928). "Zur Quantentheorie des Atomkernes (On the quantum theory of the atomic nucleus)". Zeitschrift für Physik. 51 (3): 204–212. Bibcode:1928ZPhy...51..204G. doi:10.1007/BF01343196. S2CID 120684789.
  4. ^ a b Ronald W. Gurney & Edw. U. Condon (1928). "Wave Mechanics and Radioactive Disintegration". Nature. 122 (3073): 439. Bibcode:1928Natur.122..439G. doi:10.1038/122439a0.
  5. ^ Belli, P.; Bernabei, R.; Danevich, F. A.; et al. (2019). "Experimental searches for rare alpha and beta decays". European Physical Journal A. 55 (8): 140–1–140–7. arXiv:1908.11458. Bibcode:2019EPJA...55..140B. doi:10.1140/epja/i2019-12823-2. ISSN 1434-601X. S2CID 201664098.
  6. ^ "Radioisotope Thermoelectric Generator". Solar System Exploration. NASA. Archived from the original on 7 August 2012. Retrieved 25 March 2013.
  7. ^ "Nuclear-Powered Cardiac Pacemakers". Off-Site Source Recovery Project. LANL. Retrieved 25 March 2013.
  8. ^ Winters TH, Franza JR (1982). "Radioactivity in Cigarette Smoke". New England Journal of Medicine. 306 (6): 364–365. doi:10.1056/NEJM198202113060613. PMID 7054712.
  9. ^ ANS: 공개 정보:리소스: 방사선량 차트
  10. ^ EPA 방사선 정보: 라돈.2006년 10월 6일 [1], 2006년 12월 6일 접속
  11. ^ 건강물리학회, "마리 퀴리는 방사선 과다 노출로 사망했습니까?" [2] 웨이백 머신에서 2007-10-19년 기록

메모들

  1. ^ 이러한 다른 붕괴 모드는 가능하기는 하지만 알파 붕괴에 비해 매우 드문 현상입니다.

외부 링크