방사성 붕괴

핵물리학
핵·핵자(p, n)·핵물질·핵력·핵구조·핵반응
핵 모형 액체 방울 · 핵셸 모형 · 상호작용 보손 모형 · Ab initio
핵종 분류 동위원소 – Z 등가 Isobars – 동등 A 아이소톤 – N 등가 Isodiaphers – 동일 N - Z 이성질체 – 위의 모든 것과 동일 거울핵 – Z ↔ N 안정·매직·짝수/홀수·헤일로(보롬어)
핵안정성 결합 에너지 · p-n비 · 드립 라인 · 안정의 섬 · 안정의 계곡 · 안정 핵종
방사성 붕괴 알파α·베타β(2β(0v, β+)·K/L포착·이성질체(감마δ·내부 변환)·순간 핵분열·클러스터 붕괴·중성자 방출·프로톤 방출 붕괴 에너지 · 붕괴사슬 · 붕괴 생성물 · 방사성 핵종
핵분열 자발적·제품(페어 브레이킹)·사진
프로세스 캡처 전자(2×) · 중성자(s · r) · 양성자(p · rp)
고에너지 프로세스 파쇄(우주선에 의한) · 광집적
핵합성 및 핵천체물리학 핵융합 프로세스:스타·빅뱅·초신성 핵종 : 원시·코스모제닉·인공
고에너지 핵물리학 쿼크-글루온 플라즈마 · 오른쪽 · LHC
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방사성 붕괴는 불안정한 원자핵이 방사선에 의해 에너지를 잃는 과정이다.불안정한 핵을 포함한 물질은 방사성 물질로 간주된다.붕괴의 가장 일반적인 세 가지 유형은 알파 붕괴(α-감쇠), 베타 붕괴(β-감쇠), 감마 붕괴(γ-감쇠)이며, 이들 모두는 하나 이상의 입자를 방출하는 것과 관련이 있다.약한 힘은 베타 붕괴를 일으키는 메커니즘이며, 다른 두 가지 힘은 전자기력과 핵력에 의해 ^[1]지배된다.

방사성 붕괴는 단일 원자 수준에서 확률적(즉, 무작위) 과정이다.양자 이론에 따르면, 원자가 얼마나 오랫동안 ^[2][3][4]존재했는 지와 상관없이 특정 원자가 언제 부패할지를 예측하는 것은 불가능하다.그러나 상당수의 동일한 원자에 대해 전체 붕괴율은 붕괴 상수 또는 반감기로 표현될 수 있다.방사성 원자의 반감기는 거의 순간적인 것에서부터 우주의 나이보다 훨씬 긴 것까지 매우 광범위하다.

붕괴핵을 부모 방사성핵종(또는 부모 방사성^{[note 1]} 동위원소)이라고 하며, 이 과정에서 적어도 하나의 딸 핵종이 생성된다.감마 붕괴 또는 핵 들뜬 상태의 내부 변환을 제외하고, 붕괴는 다른 수의 양성자 또는 중성자(또는 둘 다)를 포함하는 딸에게 생기는 핵 변환이다.양성자의 수가 변화하면, 다른 화학 원소의 원자가 만들어집니다.

• 알파 붕괴는 핵이 알파 입자(헬륨 핵)를 방출할 때 발생합니다.
• 베타 붕괴는 두 가지 방법으로 발생합니다.
  1. 중성자를 양성자로 바꾸는 과정에서 핵이 전자와 반중성미자를 방출할 때 베타 붕괴가 일어난다.
  2. 베타+ 붕괴, 핵이 양성자를 양전자 방출이라고도 알려진 중성자로 바꾸는 과정에서 양자와 중성미자를 방출할 때.
• 감마 붕괴에서 방사성 핵은 알파 또는 베타 입자의 방출에 의해 먼저 붕괴된다.딸핵은 보통 들뜬 상태로 유지되며 감마선 광자를 방출함으로써 낮은 에너지 상태로 붕괴될 수 있다.
• 중성자 방출에서, 다른 유형의 붕괴나 많은 연속적인 중성자 포획으로 인해 형성된 극도로 중성자가 풍부한 핵은 때때로 중성자 방출을 통해 에너지를 손실하고, 그 결과 하나의 동위원소에서 동일한 원소의 다른 동위원소로 변화한다.
• 전자 포획에서, 핵은 궤도를 도는 전자를 포획하여 전자 포획이라고 불리는 과정에서 양성자가 중성자로 변환되도록 할 수 있습니다.이어서 중성미자와 감마선이 방출된다.
• 클러스터 붕괴와 핵분열에서는 알파 입자보다 무거운 핵이 방출된다.

반대로 핵변환을 일으키지 않는 방사성 붕괴 과정이 있다.들뜬 핵의 에너지는 감마선 붕괴라고 불리는 과정에서 감마선으로 방출될 수도 있고, 내부 변환이라고 불리는 과정에서 핵이 원자로부터의 방출을 유발하는 궤도 전자와 상호작용할 때 에너지가 손실될 수도 있다.또 다른 유형의 방사성 붕괴는 다양한 생성물을 발생시켜 질량의 범위를 가진 원래 핵의 두 개 이상의 "파편"으로 나타난다.자발적 핵분열이라고 불리는 이 붕괴는 크고 불안정한 핵이 자발적으로 두 개의 작은 딸 핵으로 분열될 때 일어나며, 일반적으로 이러한 생성물로부터 감마선, 중성자 또는 다른 입자를 방출하게 됩니다.반대로 스핀을 가진 핵으로부터의 붕괴 생성물은 그 스핀 방향에 대해 비등방적으로 분포되어 있어도 된다.전자기장과 같은 외부 영향이나 핵이 스핀 방향을 제약하는 동적 프로세스로 생성되었기 때문에 이방성은 검출될 수 있다.그러한 부모 프로세스는 이전의 붕괴 또는 ^{[5][6][7][note 2]}핵반응일 수 있다.

안정핵종과 방사성핵종의 수를 나타내는 요약표는 방사성핵종을 참조한다.지구에는 자연발생적으로 발생하는 28개의 화학 원소가 있으며, 이는 태양계 형성 시점 이전인 34개의 방사성핵종(6개의 원소에는 2개의 다른 방사성핵종이 있다)으로 구성된다.이 34개는 원시핵종으로 알려져 있다.잘 알려진 예로는 우라늄과 토륨이 있지만 칼륨-40과 같이 자연적으로 오래 지속되는 방사성 동위원소도 포함된다.

라듐-226 및 라돈-222와 같이 지구에서 발견된 또 다른 50개 정도의 단수명 방사성핵종은 원시 핵종에서 시작된 붕괴 사슬의 산물이거나 우주선에 의한 대기 중 질소-14의 탄소-14 생산과 같은 진행 중인 우주 생성 과정의 산물이다.방사성핵종은 입자 가속기나 원자로에서 인공적으로 생성될 수 있으며, 그 결과 반감기가 1시간 이상인 650개가 생성되고 반감기가 짧은 수천 개가 추가된다.(반감기별로 정렬된 핵종 목록은 핵종 목록을 참조하십시오.)

발견 이력

방사능은 1896년 과학자 앙리 베크렐과 마리 퀴리에 의해 형광물질로 ^{[8][9][10][11][12]}연구하던 중 발견되었다.이 물질들은 빛에 노출된 후 어둠 속에서 빛나며, 그는 X선에 의해 브라운관에서 생성되는 광채가 인광과 관련이 있을 것이라고 의심했다.베크렐은 사진용 접시를 검은 종이로 싸서 그 위에 다양한 인광염을 얹었다.그가 우라늄 소금을 사용하기 전까지는 모든 결과가 음성이었다.우라늄 소금은 판이 검은 종이로 싸여 있음에도 불구하고 판을 검게 만들었다.이 방사선의 이름은 "Becquel Rays"입니다.

판의 검은색이 인광과는 무관하다는 것이 곧 밝혀졌는데, 이는 흑색화가 우라늄의 비인광염과 금속 우라늄에 의해서도 만들어졌기 때문이다.이러한 실험을 통해 종이를 통과할 수 있는 보이지 않는 방사선의 형태가 있다는 것이 명백해졌고, 그것은 마치 판이 빛에 노출되는 것처럼 반응하게 만들었다.

처음에는, 새로운 방사선이 당시 최근에 발견된 X선과 비슷한 것처럼 보였다.베크렐, 어니스트 러더포드, 폴 빌라드, 피에르 퀴리, 마리 퀴리 등의 추가 연구는 이러한 형태의 방사능이 상당히 복잡하다는 것을 보여주었다.러더포드는 그러한 모든 요소들이 동일한 수학적 지수 공식에 따라 붕괴된다는 것을 최초로 깨달았다.러더포드와 그의 학생 프레데릭 소디는 많은 부패 과정이 한 원소의 다른 원소로 변환되는 결과를 초래한다는 것을 처음으로 깨달았습니다.이후 알파와 베타 ^[13][14]붕괴의 생성물을 설명하기 위해 Fajans와 Soddy의 방사성 치환 법칙이 공식화됐다.

초기 연구원들은 또한 우라늄 외에 많은 다른 화학 원소들이 방사성 동위원소를 가지고 있다는 것을 발견했다.우라늄 광석의 총 방사능에 대한 체계적인 탐색은 또한 피에르 퀴리와 마리 퀴리가 두 개의 새로운 원소인 폴로늄과 라듐을 분리하도록 이끌었다.라듐의 방사능을 제외하고, 라듐과 바륨의 화학적 유사성은 이 두 원소를 구별하기 어렵게 만들었다.

마리와 피에르 퀴리의 방사능 연구는 과학과 의학에서 중요한 요소이다.베크렐의 광선에 대한 그들의 연구가 라듐과 폴로늄의 발견으로 이끈 후, 그들은 몇몇 무거운 ^[16]원소에 의한 이온화 방사 방출을 정의하기 위해 "방사능"^[15]이라는 용어를 만들었다. (나중에 이 용어는 모든 원소로 일반화되었다.)우라늄의 투과 광선에 대한 연구와 라듐의 발견은 라듐을 암 치료에 사용하는 시대를 열었다.그들의 라듐 탐사는 원자력 에너지의 첫 번째 평화적 사용이자 현대 핵 ^[15]의학의 시작이라고 볼 수 있다.

초기 건강상의 위험

방사능과 X선에 의한 이온화 방사선의 위험성은 즉시 인식되지 않았다.

엑스레이

1895년 빌헬름 뢴트겐의 X선 발견은 과학자, 의사, 발명가들에 의한 광범위한 실험으로 이어졌다.많은 사람들이 1896년 초에 기술 저널에 화상, 탈모, 그리고 더 심한 것에 대한 이야기를 이야기하기 시작했다.그 해 2월, 밴더빌트 대학의 대니얼 교수와 더들리 박사는 더들리의 머리를 엑스레이로 촬영하는 실험을 했는데, 이것이 그의 탈모를 초래했다.H.D. 박사의 보고서입니다.X-ray 시연에서 손과 가슴에 심한 화상을 입은 매는 Electrical ^[17]Review에 실린 많은 다른 보고서들 중 첫 번째 기사였다.

Elihu Thomson과 Nikola Tesla를 포함한 다른 실험자들 또한 화상을 입었다고 보고했다.Thomson은 의도적으로 일정 기간 동안 X선 튜브에 손가락을 노출시켰고 통증, 붓기 및 ^[18]물집을 앓았습니다.자외선과 오존을 포함한 다른 영향들이 때때로 ^[19]손상의 원인으로 지목되었고, 많은 의사들은 여전히 X선 노출의 영향이 ^[18]전혀 없다고 주장했다.

그럼에도 불구하고, 몇 가지 체계적인 위험 조사가 있었고, 1902년 초에 윌리엄 허버트 롤린스는 X-레이의 부주의한 사용에 관련된 위험에 대한 그의 경고는 산업계나 그의 동료들에 의해 무시되지 않았다고 거의 절망적으로 썼다.이때까지 롤린스는 엑스레이가 실험동물을 죽일 수 있고, 임신한 기니피그를 낙태시킬 수 있으며,^{[20][self-published source?]} 태아를 죽일 수 있다는 것을 증명했다.그는 또한 "동물은 X-라이트의 외부 작용에 대한 민감도가 다르다"고 강조했고, 이러한 차이는 X-레이로 환자를 치료할 때 고려된다고 경고했다.

방사성 물질

그러나 방사성 물질에 의한 방사선의 생물학적 영향은 측정하기가 쉽지 않았다.이것은 많은 의사들과 기업들에게 방사성 물질을 특허 의약품으로 판매할 수 있는 기회를 주었다.예를 들어 라듐 관장 치료, 라듐이 함유된 물을 강장제로 마시는 것 등이 있습니다.마리 퀴리는 "라듐은 훈련되지 않은 ^[21]손에서는 위험하다"고 경고하며 이런 종류의 치료에 항의했다.퀴리는 나중에 이온화 방사선에 노출되어 발생한 것으로 보이는 플라스틱 빈혈로 사망했다.1930년대에 라듐 치료 애호가들의 뼈 괴사와 사망 사례가 다수 발생한 후, 라듐 함유 의약품은 시장에서 대부분 제거되었다.

방사선 방호

Röntgen이 X선을 발견한 지 1년 만에 미국인 엔지니어 Wolfram Fuchs(1896)는 아마도 최초의 방호 조언을 했지만, 1925년이 되어서야 최초의 국제 방사선학 회의(ICR)가 개최되어 국제 방호 표준을 제정하는 것을 고려했다.유전자에 대한 방사선의 영향(암 위험의 영향 포함)은 훨씬 늦게 인식되었다.1927년, 헤르만 조셉 뮬러는 유전적 효과를 보여주는 연구를 발표했고 1946년 그의 발견으로 노벨 생리의학상을 수상했다.

1928년 스톡홀름에서 두 번째 ICR이 개최되어 뢴트겐 단위의 채택을 제안하였고, 국제 X선과 라듐 보호 위원회(IXRPC)가 결성되었다.롤프 시버트는 회장으로 임명되었지만, 원동력은 영국 국립물리연구소의 조지 케이였다.위원회는 1931년, 1934년, 1937년에 열렸다.

제2차 세계대전 후, 군사 및 민간 핵 프로그램의 결과로 취급되는 방사성 물질의 범위와 양이 증가하여 많은 직업 노동자와 대중이 잠재적으로 유해한 수준의 이온화 방사선에 노출되었다.이것은 현재의 국제방사선방호위원회(^[22]ICRP)가 탄생한 1950년 런던에서 소집된 최초의 전후 ICR에서 고려되었다.그 이후로 ICRP는 방사선 위험의 모든 측면을 포괄하는 현재의 국제 방사선 방호 시스템을 개발했다.

2020년에는 Hauptmann을 비롯한 8개국의 15개 국제 연구원이 있으며, 그 중 생물통계연구소, 레지스트리 연구소, 암 역학 센터, 방사선 역학 센터, 미국 국립 암 연구소(NCI), 국제 암 연구 기관(IARC) 및 방사선 효과 연구소가 있다.히로시마와 나가사키 원폭 생존자와 세계에서 발생한 수많은 원전 사고로 피해를 입은 '저선량'으로 인한 피해에 대해 메타분석을 통해 명확하게 연구했다.이들 과학자들은 JNCI모노그래프: 저선량 이온화 방사선과 암 위험의 역학 연구에서 새로운 역학 연구가 저선량 이온화 ^[23]방사선에 의한 과도한 암 위험을 직접적으로 지원한다고 보고했다.2021년 이탈리아 연구원 Venturi는 생물학, 췌장염, 췌장 ^[24]유래 당뇨병에서 세슘의 역할과 방사성 케슘과 췌장암 사이의 첫 상관관계를 보고했다.

단위

방사능 활동의 국제 단위계(SI) 단위는 과학자 앙리 베크렐의 이름을 딴 베크렐(Bq)이다.1 Bq는 초당 1개의 변환(또는 붕괴 또는 분해)으로 정의됩니다.

방사능의 오래된 단위는 퀴리(Ci)로, 원래 "라듐(원소)^[25] 1그램과 평형 상태에서 라듐 방출의 양 또는 질량"으로 정의되었다.오늘날 퀴리는 초당 3.7×10¹⁰ 분해로 정의되므로 1 퀴리(Ci) = 3.7×10¹⁰ Bq입니다.방사능 방호를 위해 미국 원자력규제위원회는 SI ^[26]단위와 함께 단위 퀴리 사용을 허용하지만, 유럽연합 유럽 측정지침 단위는 1985년 ^[27]12월 31일까지 "공공보건 ... 목적"을 위한 단위 퀴리 사용을 단계적으로 중단할 것을 요구했다.

이온화 방사선의 효과는 종종 기계적인 경우에는 회색 단위로 측정되며 조직의 손상에 대해서는 시버트 단위로 측정됩니다.

종류들

초기 연구자들은 전기장이나 자기장이 방사능 방출을 세 가지 종류의 빔으로 나눌 수 있다는 것을 발견했다.그 광선에는 알파, 베타, 감마라는 이름이 붙었는데, 그 순서는 물질 투과 능력의 증가 순서였다.알파 붕괴는 베릴륨-8(2개의 알파 입자로 분해됨)을 제외하고 원자 번호 52(텔루륨) 이상의 무거운 원소에서만 관찰됩니다.다른 두 가지 유형의 붕괴는 모든 요소에서 관찰됩니다.납(원자 번호 82)은 방사성 붕괴에 안정적인 (측정 한계까지) 동위원소를 가진 가장 무거운 원소이다.방사성 붕괴는 원자 번호 83(bismuth) 이상의 모든 원소의 모든 동위원소에서 나타난다.그러나 비스무트-209는 우주의 나이보다 반감기가 더 긴 매우 미미한 방사능에 불과하며, 매우 긴 반감기를 가진 방사성 동위원소들은 실용적인 목적을 위해 효과적으로 안정된 것으로 여겨진다.

붕괴 생성물의 성질을 분석함에 있어 외부 자기장과 전기장에 의해 방사선에 가해진 전자력의 방향에서 알파 입자가 양전하를, 베타 입자가 음전하를, 감마선이 중성임을 알 수 있었다.편향의 크기로 보아 알파 입자가 베타 입자보다 훨씬 더 크다는 것이 분명했다.매우 얇은 유리창을 통해 알파 입자를 통과시키고 방전관에 가두는 것은 연구자들이 포획된 입자의 방출 스펙트럼을 연구할 수 있게 했고, 궁극적으로 알파 입자가 헬륨 핵이라는 것을 증명했다.다른 실험에서는 붕괴와 음극선으로 인한 베타 방사선이 고속 전자라는 것을 보여주었다.마찬가지로 감마선과 X선은 고에너지 전자기 방사선으로 밝혀졌다.

부패 유형 간의 관계도 조사되기 시작했다.예를 들어 감마 붕괴는 거의 항상 다른 유형의 붕괴와 관련이 있으며 거의 동시에 또는 그 이후에 발생했다.감마 붕괴는 자연방사능에서 다른 유형의 붕괴에서 생성된 들뜬 준안정 핵 이성질체의 감마 붕괴의 결과로 밝혀졌다.

알파, 베타, 감마 방사선이 가장 흔하게 발견되었지만, 결국 다른 유형의 방출이 발견되었다.우주선 제품에서 양전자가 발견된 직후, 고전적인 베타 붕괴에서 작동하는 것과 같은 과정이 중성미자와 함께 양전자(양전자 방출)를 생산할 수 있다는 것이 밝혀졌다.전자 포획이라고 불리는 보다 일반적인 유사 과정에서, 몇몇 양성자가 풍부한 핵종들은 양전자를 방출하는 대신에 그들 자신의 원자 전자를 포착하는 것으로 발견되었고, 그 후, 이 핵종들은 들뜬 핵으로부터 중성미자와 감마선만을 방출한다(그리고 종종 오거 전자와 특징적인 X선, 재순서의 결과).ng의 전자가 손실된 포획 전자 대신 채워집니다).이러한 유형의 붕괴는 전자의 핵포착이나 전자 또는 양전자의 방출을 포함하며, 따라서 주어진 총 핵자 수에 대해 가장 적은 에너지를 가진 양성자에 대한 중성자의 비율 쪽으로 핵을 이동시키는 역할을 한다.따라서 보다 안정적인(낮은 에너지) 핵이 생성됩니다.

전자 포획과 유사한 양전자 포획의 가설 과정은 이론적으로 반물질 원자에서 가능하지만, 반헬륨 이상의 복잡한 반물질 원자는 실험적으로 이용할 ^[28]수 없기 때문에 관찰되지 않았다.이러한 붕괴는 반물질 원자가 적어도 전자 ^[29]포획에 의해 붕괴되는 정상 물질 중 가장 가벼운 것으로 알려진 동위원소인 베릴륨-7만큼 복잡해야 한다.

1932년 중성자가 발견된 직후, 엔리코 페르미는 특정한 희귀한 베타 붕괴 반응이 추가적인 붕괴 입자로서 중성자를 즉시 생성한다는 것을 깨달았습니다. 이른바 베타 지연 중성자 방출입니다.중성자 방출은 일반적으로 N의 베타 붕괴에서 생성된 들뜬 O*와 같은 들뜬 상태의 핵에서 발생한다.중성자 방출 과정 자체는 핵력에 의해 제어되며, 따라서 "거의 순간적"이라고 불리기도 한다.결국 일부 원소에서는 고립된 양성자 방출이 관찰되었다.또한 일부 무거운 원소들은 조성이 다른 생성물들로 자연 핵분열을 겪을 수 있다는 것이 발견되었다.클러스터 붕괴라고 불리는 현상에서는 알파 입자(헬륨 핵)가 아닌 중성자와 양성자의 특정 조합이 원자로부터 자발적으로 방출되는 것으로 밝혀졌다.

다른 유형의 방사성 붕괴는 이전에 발견된 입자를 방출하지만 다른 메커니즘을 통해 방출되는 것으로 밝혀졌다.예를 들어, 내부 변환 프로세스는 베타나 감마 붕괴를 수반하지 않지만 초기 전자 방출과 종종 더욱 특징적인 X선과 오거 전자 방출을 초래하는 내부 변환이다.중성미자는 방출되지 않으며, 방출되는 전자와 광자는 모두 방출되는 에너지가 핵에서 발생하지만 핵에서 발생하지는 않는다.내부 변환 붕괴는 이성질체 전이 감마 붕괴 및 중성자 방출과 마찬가지로 한 원소가 다른 원소로 변환되지 않고 들뜬 핵종에 의해 에너지가 방출된다.

동시에 발생하는 두 가지 베타 감소 유형의 이벤트의 조합과 관련된 희귀 이벤트가 알려져 있습니다(아래 참조).에너지 또는 운동량 법칙(및 다른 입자 보존 법칙)을 위반하지 않는 붕괴 과정은 모두 검출되지는 않았지만 발생할 수 있습니다.마지막 섹션에서 논의된 흥미로운 예는 레늄-187의 결합 상태 베타 붕괴이다.이 과정에서 모핵종의 베타전자붕괴는 베타전자방출을 수반하지 않는다. 왜냐하면 베타입자가 방출원자의 K껍질에 포착되었기 때문이다.모든 네거티브 베타 붕괴와 마찬가지로 안티뉴트리노가 방출된다.

방사성핵종은 다양한 반응을 일으킬 수 있다.이러한 내용은 다음 표에 요약되어 있습니다.질량번호 A, 원자번호 Z의 핵을 (A, Z)로 나타낸다."딸 핵" 열은 새 핵과 원래 핵 사이의 차이를 나타냅니다.따라서 (A - 1, Z)는 질량수는 기존보다 1 줄었지만 원자번호는 이전과 동일하다는 것을 의미한다.

에너지 환경이 유리한 경우, 특정 방사성핵종은 여러 가지 경쟁 유형의 붕괴를 겪을 수 있으며, 어떤 원자는 한 경로에 의해 붕괴되고 다른 원자는 다른 경로에 의해 붕괴된다.예를 들어 29개의 양성자를 가진 구리-64와 12.7004(13)시간의 ^[30]반감기로 분해되는 35개의 중성자가 있다.이 동위원소는 쌍성이 없는 양성자와 쌍성이 없는 중성자를 가지고 있기 때문에 양성자 또는 중성자 중 하나가 반대되는 이소스핀을 가진 다른 입자로 붕괴될 수 있다.이 특정 핵종(이 상황에서는 모든 핵종이 아님)은 전자 포획(38.48(26)%)^[30]보다 베타 플러스 붕괴(61.52(26)%)^[30]를 통해 붕괴할 가능성이 높다.지상 에너지 상태로 끝나지 않는 이러한 붕괴로 인한 들뜬 에너지 상태 또한 거의 0.5%의 시간 내에 내부 변환과 감마 붕괴를 발생시킨다.

무거운 핵종에서 더 흔한 것은 알파와 베타 붕괴 사이의 경쟁이다.딸핵종은 보통 베타나 알파를 통해 각각 붕괴되어 같은 장소에 있게 됩니다.

방사성 붕괴는 방출된 에너지(분해 에너지)가 어떤 식으로든 빠져나간 후 총 정지 질량을 감소시킨다.붕괴 에너지는 때때로 모핵종 생성물의 질량과 붕괴 생성물의 질량의 차이와 관련이 있다고 정의되지만, 이는 일부 에너지가 생성물 시스템에서 제거된 정지 질량 측정에만 해당된다.붕괴 에너지는 항상 E = mc² 공식에 따라 나타나는 곳(특수 상대성 이론의 질량 참조)에 따라 질량과 함께 전달되어야 하기 때문에 이는 사실이다.붕괴 에너지는 방출된 광자의 에너지와 방출된 거대한 입자(즉, 정지 질량을 가진 입자)의 운동 에너지로 초기에 방출됩니다.이 입자들이 주변과 열평형 상태가 되어 광자가 흡수되면 붕괴 에너지는 질량을 유지하는 열 에너지로 변환됩니다.

따라서 붕괴 에너지는 붕괴 입자 사이에 붕괴 에너지가 분포되어 있음에도 불구하고 붕괴 동안 변하지 않는 불변 질량이라고 불리는 붕괴 시스템의 질량의 특정 측정과 연관되어 있습니다.광자의 에너지, 방출된 입자의 운동 에너지, 그리고 나중에 주변 물질의 열 에너지는 모두 시스템의 불변 질량에 기여합니다.따라서 입자의 나머지 질량의 합계는 방사성 붕괴에서 보존되지 않지만 시스템 질량과 시스템 불변 질량(및 시스템 총 에너지)은 붕괴 과정 전체에 걸쳐 보존됩니다.이것은 에너지 보존과 질량 보존에 대한 동등한 법칙을 다시 기술한 것입니다.

붕괴 모드 목록

v t NUBASE[31] 2020의 붕괴 모드
모드	이름.	액션.	핵의 변화
α	알파 방출.	핵에서 방출되는 알파 입자(A = 4, Z = 2)	(A − 4, Z − 2)
p	양성자 방출	핵에서 방출된 양성자	(A − 1, Z − 1)
2p	이광자 방출	두 개의 양성자가 동시에 핵에서 배출됨	(A − 2, Z − 2)
n	중성자 방출	핵에서 방출된 중성자	(A − 1, Z)
2n	이광자 방출	두 개의 중성자가 동시에 핵에서 방출됨	(A − 2, Z)
ε	전자 포획	핵은 궤도를 도는 전자를 포착하여 중성미자를 방출한다; 딸 핵은 들뜬 불안정한 상태로 남겨진다.	(A, Z − 1)
이+	양전자 방출	핵 양성자는 양전자와 전자 중성미자를 방출하여 중성자로 변환한다.	(A, Z − 1)
β+	양전자 방출	NUBASE2020에서 β는+ 전자포획(전자)과 양전자방출(e+)의 합성속도를 의미한다. (β+ = δ + e+)	(A, Z − 1)
β−	β붕괴−	핵은 전자와 전자 반중성미자를 방출한다.	(A, Z + 1)
2β−	이중β 붕괴	핵은 2개의 전자와 2개의 반중성미자를 방출한다.	(A, Z + 2)
2β+	이중β 붕괴	핵은 두 개의 양전자와 두 개의 중성미자를 방출한다.	(A, Z − 2)
β−n	β-수소− 중성자 방출	원자핵은− 들뜬 상태로 β 방출에 의해 붕괴되고, 그 후 중성자를 방출한다.	(A − 1, Z + 1)
β−2n	β-아미노2-아미노− 방출	원자핵은 β 방출에 의해− 들뜬 상태로 분해되며, 그 후 두 개의 중성자를 방출한다.	(A − 2, Z + 1)
β−3n	β-아미노− 3-아미노 방출	원자핵은 β 방출에 의해− 들뜬 상태로 분해되고, 그 후 3개의 중성자를 방출한다.	(A − 3, Z + 1)
β+p	β-수소+ 양성자 방출	핵은+ β 방출에 의해 들뜬 상태로 분해되고, 그 후 양성자를 방출한다.	(A − 1, Z − 2)
β+2p	β-아미노2-아미노+ 방출	핵은 β 방출에 의해+ 들뜬 상태로 분해되고, 그 후 두 개의 양성자를 방출한다.	(A − 2, Z − 3)
β+3p	β-아미노+ 3-아미노 방출	핵은 β 방출에 의해+ 들뜬 상태로 분해되고, 그 후 3개의 양성자를 방출한다.	(A − 3, Z − 4)
β−α	β-아미노알파−	원자핵은 β방출에− 의해 들뜬 상태로 분해되고, 들뜬 상태로 α입자를 방출한다.	(A − 4, Z − 1)
β+α	β-아미노알파+	원자핵은 β방출에+ 의해 들뜬 상태로 분해되고, 들뜬 상태로 α입자를 방출한다.	(A − 4, Z − 3)
β−d	β-수소− 중수소 방출	원자핵은 β방출에 의해− 들뜬 상태로 분해되고, 그 후 중수소를 방출한다.	(A − 2, Z)
β−t	β-트리톤− 방출	핵은 들뜬 상태로 β 방출에 의해− 붕괴되며, 그 후 삼중수소를 방출한다.	(A − 3, Z)
CD	클러스터 붕괴	핵은 알파 입자보다 큰 특정 유형의 작은 핵(A1, Z1)을 방출한다.	(A − A1, Z − Z1) & (A1, Z1)
IT부문	내부(이성체)의 이행	준안정 상태의 핵은 광자를 방출하거나 전자를 방출함으로써 낮은 에너지 상태로 떨어진다.	(A, Z)
SF	자연 핵분열	핵은 두 개 이상의 작은 핵과 다른 입자로 분해되며, 각각의 붕괴에 따라 모두 달라질 수 있다.	변수
β+SF	β-아드레날린+ 핵분열	원자핵은 β방출에 의해+ 들뜬 상태로 분해되고, 그 후 자발적 핵분열을 겪는다.	β+ & 가변
β−SF	β-아드레날린− 핵분열	원자핵은 β방출에 의해− 들뜬 상태로 분해되고, 그 후 자발적 핵분열을 겪는다.	β− & 가변

이율

방사성 물질의 붕괴율 또는 활동은 다음과 같은 시간 독립적 매개변수에 의해 특징지어진다.

• 반감기 t는_1/2 주어진 양의 방사성 물질의 활동이 초기 값의 절반으로 붕괴하는 데 걸리는 시간이다.
• 붕괴 상수 δ "람브다"는 평균 수명(s⁻¹ 단위)의 역수이며, 단순 붕괴 속도라고도 한다.
• 붕괴 전 방사성 입자의 평균 수명인 δ "tau"입니다.

이들은 상수이지만 원자 집단의 통계적 행동과 관련이 있습니다.결과적으로, 이러한 상수를 이용한 예측은 아주 작은 원자의 표본에 대해서는 정확도가 떨어진다.

원칙적으로 반감기, 삼감기, 또는 (1/22)-감기는 반감기와 정확히 같은 방법으로 사용될 수 있지만, 평균 수명과 반감기_1/2 t는 지수적 붕괴와 관련된 표준 시간으로 채택되었습니다.

이러한 파라미터는 다음의 시간 의존 파라미터와 관련지을 수 있습니다.

• 총 활성도 A는 방사성 시료의 단위시간당 소멸 횟수입니다.
• 입자 수 N은 표본에 포함된 총 입자 수입니다.
• 특정 활성 a는 0으로 설정된 시료의 물질 양당 단위시간당 소멸 횟수이다(t = 0)."물질의 양"은 초기 샘플의 질량, 부피 또는 몰이 될 수 있습니다.

이것들은 다음과 같이 관련되어 있습니다.

${\displaystyle {displaystyle {aligned}t_{1/2}&=syslogfrac {\ln(2)}=\syslogs \ln(2)\[2pt]A&=-{\frac {mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}=\sqda N\[2pt]S_{A}a_{0}&={\frac {mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}{\bigg }_{t=0}=\biggda N_{0}\end{aligned}}}$

여기서₀ N은 활성 물질의 초기 양 - 물질이 형성되었을 때와 같은 비율의 불안정한 입자를 가진 물질입니다.

수학

보편적 법칙

방사성 붕괴의 수학은 방사성핵종의 핵에 "기억"이 없다는 핵심 가정이나 그 이력을 현재의 동작으로 변환하는 방법이 없다는 가정에 의존한다.핵은 시간의 흐름에 따라 "노화"되지 않는다.따라서, 핵이 얼마나 오랫동안 존재했든지 간에, 붕괴 확률은 시간에 따라 증가하지 않고 일정하게 유지됩니다.이 일정한 확률은 핵의 종류에 따라 크게 다를 수 있으며, 이로 인해 여러 가지 다른 붕괴율이 관찰된다.그러나 확률이 얼마이든 간에 시간이 지남에 따라 변경되지 않습니다.이것은 자동차나 사람과 같이 노화를 보이는 복잡한 물체와는 현저한 대조를 보인다.이러한 노후화된 시스템은 존재하기 시작한 순간부터 시간 단위당 붕괴될 가능성이 있습니다.

원자 덩어리의 방사성 붕괴와 같은 집계 프로세스는 실현의 단일 사건 확률이 매우 작지만 시간 슬라이스의 수가 너무 커서 사건의 합리적인 비율이 존재하는 경우, 이산적인 포아송 분포에 의해 모델링된다.방사성 붕괴와 핵입자 반응이 그러한 집계 ^[32]과정의 두 가지 예이다.포아송 과정의 수학은 하나의 개별 핵이 아닌 다수의 핵의 통계적 행동을 설명하는 지수 붕괴의 법칙으로 환원됩니다.다음의 형식론에서 핵의 수 또는 핵 모집단 N은 물론 이산 변수(자연수)이다. 그러나 물리적 표본 N은 연속 변수로 취급될 수 있을 정도로 크다.미분 미적분은 핵붕괴의 거동을 모형화하는데 사용된다.

일감각 프로세스

어떤 과정 A → B에 의해 또 다른 B로 분해되는 핵종 A의 경우를 생각해 보자(베타 붕괴에서와 같은 전자 중성미자 δ와
_e 전자⁻ e의 결합은 다음과 같은 것과 무관하다).불안정한 핵의 붕괴는 시간적으로 완전히 무작위이기 때문에 특정 원자가 언제 붕괴할지를 예측하는 것은 불가능하다.그러나, 그것은 어느 순간에나 똑같이 부패할 가능성이 있다.따라서 특정 방사성 동위원소의 샘플이 주어졌을 때 dt의 짧은 시간 간격에서 발생할 것으로 예상되는 붕괴 이벤트 -dN의 수는 존재하는 N의 원자의 수에 비례한다^[33].

$\displaystyle - {\frac {\mathrm {d} N} {\mathrm {d} t} \ propto N }$

특정 방사성핵종은 다른 속도로 붕괴하기 때문에 각각 자체 붕괴 상수 θ를 갖는다.예상되는 붕괴 -dN/N은 시간 증분에 비례합니다. dt:

음수 부호는 붕괴 사건이 연이어 발생함에 따라 시간이 증가함에 따라 N이 감소함을 나타냅니다.이 1차 미분방정식의 해답은 함수입니다.

${\displaystyle N(t)=N_{0},e^{-{\lambda }t}}$

여기서₀ N은 시간 t = 0에서 N의 값으로, 붕괴 상수는 θ로^[33] 표현된다.

우리는 항상 t:

${\displaystyle N_{A}+N_{B}=N_{\text{total}}=N_{A0}}$

여기서_total N은 붕괴 과정 전반에 걸쳐 일정한 입자의 수이며, 이는 초기 물질이기 때문에 초기 A 핵종 수와 같다.

분해되지 않은 A핵의 수가 다음과 같은 경우:

${\displaystyle N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}}$

그러면 B의 핵의 수(즉, 붕괴된 A 핵의 수)는

${\displaystyle N_{B}=N_{A0}-N_{A}=N_{A0}-N_{A0}e^{-\lambda t}=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\오른쪽).}$

주어진 구간에서 관측된 소멸 수는 포아송 통계량에 따릅니다.평균 데케이 수가 "N"인 경우, 주어진 데케이 수 N의^[33] 확률은 다음과 같습니다.

${\displaystyle P(N)=parc frac {\langle ^{N}\exp(-\langle N\rangle)}{N!}}.}$

연쇄 감쇠 프로세스

쇠사슬 2개

이제 하나의 핵종 A가 하나의 프로세스에 의해 다른 B로, 그리고 B가 두 번째 프로세스에 의해 다른 C로 붕괴되는 두 개의 붕괴 사슬의 경우를 생각해 봅시다.A → B → C.앞의 방정식은 붕괴사슬에 적용할 수 없지만 다음과 같이 일반화할 수 있다.A는 B로 분해되고, B는 C로 분해되기 때문에 A의 활성은 B핵종이 붕괴되기 전에 본 샘플의 B핵종의 총수에 더해지며, 이후 샘플로 이어지는 핵종의 수를 감소시킨다.즉, A의 1세대 핵붕괴에 의해 2세대 핵 B의 수가 증가하고, 3세대 핵 ^[34]C로의 자기붕괴에 의해 감소한다.이 두 항의 합은 두 개의 핵종에 대한 붕괴 사슬에 대한 법칙을 제공합니다.

${\displaystyle {\frac {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{A}+\lambda _{A}N_{A}.}$

N의_B 변화율, 즉 dN_B/dt는 A와 B의 양의 변화와 관련이 있으며_B, N은 A에서 B가 생성될 때 증가하고 B에서 C가 생성될 때 감소할 수 있다.

이전 결과를 사용하여 다시 쓰기:

첨자는 단순히 각각의 핵종을 지칭한다. 즉_A, N은 A형의 핵종 수_A0, N은 A형의 초기 핵종 수, θ는_A A형의 붕괴 상수, 그리고 마찬가지로 B종의 붕괴 상수이다.N에 대해_B 이 방정식을 풀면 다음과 같은 결과가 나옵니다.

$({displaystyle N_{B}=paramfrac {N_{A0}\lambda _{B}-\lambda _{A}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}\오른쪽).}$

B가 안정적인 핵종(col=0)인_B 경우, 이 방정식은 앞의 용액으로 환산한다.

$\displaystyle \lim _{B}\right 화살표 0}\left[{\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}-{B})_lamb}_lambda}\lambda}_{B}\lamb}_{B}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda_{A}t}\오른쪽),}$

상기와 같이 1개의 붕괴에 대해솔루션은 적분 계수 방법으로 찾을 수 있습니다. 적분 계수는 e입니다^λ_Bt.이 경우는 1감쇠 방정식(위)과 다감쇠 사슬(아래)에 대한 방정식을 보다 직접적으로 도출할 수 있기 때문에 아마도 가장 유용할 것이다.

임의의 수의 데크 체인

붕괴 사슬에서 연속적으로 붕괴되는 횟수가 많은 일반적인 경우, 즉,A₁ → A₂ · · · → A_iD · · · → D는 붕괴수, i는 더미지수(i =)이며 각 핵종 집단은 이전 모집단으로 볼 수 있다.이_D 경우₂ N = 0, N₃ = 0, ..., N = 0입니다.위의 결과를 재귀 형식으로 사용합니다.

${\displaystyle {\frac {d} N_{j} {\mathrm {d} t}}=-\lambda _{j}N_{j-1}N_{(j-1)0}e^{-\lambda _{j-1}t}t}}$

재귀적 문제에 대한 일반적인 해법은 베이트만의 ^[35]방정식으로 주어진다.

대체 모드

위의 모든 예에서 초기 핵종은 하나의 ^[36]생성물로 분해됩니다.A → B 및 A → C 중 하나의 생성물로 붕괴될 수 있는 초기 핵종의 경우를 고려한다.예를 들어 칼륨-40 시료에서 핵의 89.3%가 칼슘-40으로, 10.7%가 아르곤-40으로 붕괴한다.우리는 항상 t:

${\displaystyle N=N_{A}+N_{B}+N_{C}}$

총 핵종 수가 일정하게 유지되기 때문에 이 값은 일정합니다.시간에 따른 차별화:

${\displaystyle {\mathrm {d} N_{A} {\mathrm {d} t} {\mathrm {d} {\mathrm {d} N_{d}} + {\frac {mathrm {d} N_{C} {\mathrm {d} t} {\fram {d} t}$

부분 붕괴 상수 θ와_B θ의_C 합으로 총 붕괴 상수 θ를 정의한다.

$\displaystyle \displayda =\displayda _{B}+\lambda _{C}.}$

N에 대해_A 이 방정식을 푸는 방법:

${\displaystyle N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}.}$

여기서_A0 N은 핵종 A의 초기 번호이다.1개의 핵종의 생성량을 측정할 때 총 붕괴 상수 θ만을 관측할 수 있다.붕괴상수 θ와_B θ는_C 다음과 같이 붕괴가 생성물 B 또는 C가 될 확률을 결정한다.

$({displaystyle N_{B}=frac {\lambda }{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\오른쪽)})$

$(\displaystyle N_{C}=frac {\lambda}{\lambda}}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\오른쪽).}$

왜냐하면 원자핵의 분율 θ_B/θ는 B로, 원자핵의 분율 θ_C/θ는 C로 분해되기 때문이다.

법의 결과

위의 공식은 표본 내 핵종 입자 N의 수와 관련된 양을 사용하여 작성할 수도 있다.

• 액티비티:A = 'N'
• 물질의 양: n = N/N_A.
• 질량: m = Mn = MN/N_A.

여기서_A N = 6.02214076×10^23−1[37] mol은 아보가드로 상수, M은 물질의 몰 질량(kg/mol), 물질 n의 양은 몰 단위이다.

붕괴 시기: 정의 및 관계

시간 상수 및 평균 수명

단일 제곱 솔루션 A → B의 경우:

${\displaystyle N=N_{0},e^{-{\lambda}t}=N_{0},e^{-t/\tau},,\!}$

이 방정식은 붕괴 상수 θ가 t의 단위를⁻¹ 가지며, 따라서 1/color로도 표현될 수 있음을 나타냅니다. 여기서 θ는 시간 상수라고 불리는 프로세스의 특성 시간입니다.

방사성 붕괴 과정에서 이 시간 상수는 붕괴 원자의 평균 수명이기도 합니다.각 원자는 붕괴하기 전에 유한한 시간 동안 "수명"하며, 이 평균 수명이 모든 원자의 수명에 대한 산술 평균이며, 다시 다음과 같이 붕괴 상수와 관련이 있는 θ임을 보여줄 수 있다.

$(\displaystyle \displaystyle = displayfrac {1}{\displayda }).}$

이 형태는 붕괴 상수의 등가 값을 삽입하는 동시에 2개의 붕괴 공정에도 해당됩니다(위 설명 참조).

$\displaystyle \displayda =\displayda _{B}+\lambda _{C},}$

다음과 같은 결과를 초래합니다.

${\displaystyle {1}{\frac}}=\fracda =\fracda _{B}+{C}=frac {1}+{\frac {C}},$

반감기

더 일반적으로 사용되는 매개변수는 반감기_1/2 T이다. 특정 방사성핵종의 샘플이 주어졌을 때 반감기는 방사성핵종 원자의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간이다.1감소 핵반응의 경우:

${\displaystyle N=N_{0},e^{-{\lambda}t}=N_{0},e^{-t/\tau},,\!}$

반감기는 다음과 같이 붕괴 상수와 관련이 있습니다. N = N₀/2 및 t = T를_1/2 설정하여 다음을 구합니다.

${\displaystyle t_{1/2}=blac {\displayda}}=\displaystyle \ln 2.}$

반감기와 붕괴 상수 사이의 이러한 관계는 고방사능 물질이 빠르게 소비되는 반면 약하게 방사되는 물질은 더 오래 지속된다는 것을 보여준다.알려진 방사성핵종의 반감기는 매우 안정적인 핵종 Te의 경우 2.25(9)×10년²⁴(6.9×10초³¹) 이상에서 매우 불안정한 핵종 ^[30]H의 경우 8.6(6)×10초까지⁻²³ 거의 54단계로 다양하다.

위의 관계에서 ln(2)의 인수는 "반감기"의 개념이 단지 수명 표현에 대한 자연 기저 e가 아닌 다른 기저를 선택하는 방법이라는 사실에서 비롯된다.시간 상수 θ는 방사성핵종의 반감기의 50%가 아닌 1/e만 남을 때까지의 시간인 e-1 수명이다.따라서 θ는 t보다 길다_1/2.다음 방정식이 유효함을 나타낼 수 있습니다.

${\displaystyle N(t)=N_{0},e^{-t/\tau}=N_{0},2^{-t/t_{1/2}},\!}$

방사성 붕괴는 일정한 확률로 지수적이기 때문에 (예를 들어) (1/3)-수명 (1/3만 남을 때까지의 시간) 또는 (1/10)-수명 (10%만 남을 때까지의 시간)을 부여한 다른 일정 기간으로 쉽게 설명할 수 있다.따라서 마커 타임에 대해 and과_1/2 t를 선택하는 것은 편리함과 관례에 따른 선택일 뿐입니다.이는 주어진 방사성 물질의 동일한 비율이 자신이 선택한 기간 동안 부패한다는 것을 보여주는 한에만 기본 원리를 반영한다.

수학적으로, 상기 상황의^th n 수명은 위와 같은 방법으로 찾을 수 있다. N₀ = N/n, t_1/n = T를 설정하고 붕괴 용액으로 대체하여 다음과 같이 구한다.

${\displaystyle t_{1/n}=syslogfrac {\syslogda}}=\syslog \lnn.$

탄소-14의 예

탄소-14의 반감기는 5700년(30)이며^[30] 천연탄소 1g당 분해율은 14회/분(dpm)이다.

인공물이 현재 C의 그램당 4dpm의 방사능을 가진 것으로 판명된 경우 위의 방정식을 사용하여 개체의 대략적인 나이를 구할 수 있습니다.

${\displaystyle N=N_{0},e^{-t/\tau}}$

여기서:

$\displaystyle {\frac {N} {\frac {N_{0}} &=4/14 약 0.286,\frac {1/2} {\ln2} {\ln} {\t&=\frac {n} 10_0}\end { aligned}}$

환율 변경

전자 포획과 내부 변환의 방사성 붕괴 모드는 원자의 전자 구조를 바꾸는 화학적, 환경적 영향에 약간 민감한 것으로 알려져 있으며, 이는 차례로 붕괴 과정에 참여하는 1s 및 2s 전자의 존재에 영향을 미친다.소수의 핵종이 ^[38]영향을 받는다.예를 들어, 화학 결합은 원자핵에 대한 전자의 근접성에 따라 작은 정도(일반적으로 1% 미만)의 전자 포획 속도에 영향을 미칠 수 있습니다.Be에서는 금속과 절연 환경에서 ^[39]반감기 간에 0.9%의 차이가 관찰되었습니다.이 비교적 큰 효과는 베릴륨이 원자가 전자가 2s 원자 궤도에 있는 작은 원자이기 때문에, 베릴륨은 (모든 원자의 모든 s 원자 궤도와 마찬가지로) 자연적으로 핵으로 침투하기 때문에 Be에서 전자 포획의 대상이 된다.

1992년 다름슈타트 중이온 연구 그룹의 융 외 연구진은 Dy의⁶⁶⁺ 가속⁻ β 붕괴를 관찰했다.중성 Dy는 안정적인 동위원소이지만, 완전 이온화된⁶⁶⁺ Dy는 K 및 L 껍질에서 Ho로⁶⁶⁺ β 붕괴되어⁻ 반감기가 47일이다.^[40]

레늄-187은 또 다른 멋진 예이다.¹⁸⁷Re는 보통 41.6 × 10년의^{9 [41]}반감기로 Os로 베타 붕괴를 겪지만, 완전 이온화된 Re 원자(나핵)를 사용한 연구에서 32.^[42]9년으로 감소할 수 있는 것으로 밝혀졌다.이는 완전 이온화 원자의 "결합 상태⁻ β 붕괴"에 기인한다. 즉, 전자는 "K-셸"(1s 원자 궤도)로 방출되며, 모든 저지 경계 상태가 ^[43]점유된 중성 원자에 대해서는 발생할 수 없다.

많은 실험에서 인공 및 자연적으로 발생하는 다른 방사성 동위원소 모드의 붕괴 속도는 높은 정밀도로 온도, 압력, 화학적 환경,^[44] 전기장, 자기장 또는 중력장과 같은 외부 조건에 영향을 받지 않는다는 것이 밝혀졌습니다.지난 세기의 실험실 실험 비교, Oklo 자연 원자로 연구(핵붕괴에 대한 열 중성자의 영향을 예시) 및 멀리 떨어진 초신성의 밝기 감소에 대한 천체물리학적 관측(빛이 우리에게 도달하는 데 많은 시간이 걸렸다)일반적으로 교란되지 않은 붕괴 속도가 시간의 함수로서 일정(적어도 작은 실험 오류의 한계 이내)했음을 나타낸다.^{[citation needed]}

최근의 결과는 붕괴율이 환경 요인에 대한 의존도가 약할 가능성을 시사한다.실리콘-32, 망간-54 및 라듐-226의 붕괴율 측정에서 계절적 변화가 적다고 제안되었다(0.1%)^[45][46][47]그러나 그러한 측정은 계통적 오류에 매우 취약하며, 후속^[48] 논문은 7개의 다른 동위원소(²²Na, Ti, Ag, Sn, Ba, Am, Pu)에서 그러한 상관관계에 대한 증거를 발견하지 못했으며, 그러한 영향의 크기에 대한 상한을 설정했다.(줄거리 보)[49]는 쌍방의 태양 표면 폭발 활동이나, 태양과의 거리는과 관련된 것으로 제안했다 radon-222의 타락은 한번 큰 4%peak-to-peak에는 계절 변화하지만 발표됐던 실험의 설계 결함의 다른, 훨씬 체계적으로 제어하는 expe 엄격한에 비교와 함께 상세한 분석,.림ents는 ^[50]이 주장을 반박한다.

GSI 이상

저장 링에서 순환하는 무거운 고전하 방사성 이온의 붕괴 속도에 대한 예상하지 못한 일련의 실험 결과가 설득력 있는 설명을 찾기 위한 노력으로 이론적인 활동을 불러일으켰다.약 40초와 200초의 반감기를 가진 두 방사성 종의 약한 붕괴 속도는 약 ^[51]7초의 주기로 유의한 진동 변조를 갖는 것으로 밝혀졌다.관측된 현상은 저장 링이 독일 다름슈타트에 있는 GSI 헬름홀츠 중이온 연구 센터의 시설이기 때문에 GSI 이상으로 알려져 있다.붕괴 과정이 전자 중성미자를 생성함에 따라 관측 속도 진동에 대한 제안된 설명 중 일부는 중성미자 특성을 발생시킨다.풍미 진동과 관련된 초기 아이디어는 회의론에 ^[52]부딪혔다.보다 최근의 제안은 중성미자 질량 고유 ^[53]상태 간의 질량 차이를 포함한다.

이론적 근거

원자핵을 구성하는 중성자와 양성자는 물론 원자핵에 충분히 가까이 접근하는 다른 입자들도 몇 가지 상호작용에 의해 지배된다.익숙한 거시적 규모로는 관측되지 않는 핵력(잔존 강력이라고도 함)은 아원자 거리에 걸쳐 가장 강력한 힘이다.정전력은 거의 항상 유의하며, 베타 붕괴의 경우 약한 핵력도 관여한다.

이러한 힘의 결합 효과는 핵의 입자의 재배열이나 다른 입자로의 한 유형의 입자의 변화에 의해 에너지가 방출되는 여러 가지 다른 현상을 일으킵니다.이러한 재배치 및 변환은 즉시 발생하지 않도록 에너지적으로 방해될 수 있습니다.어떤 경우에 랜덤 양자 진공 변동은 양자 터널링이라고 알려진 현상에서 낮은 에너지 상태로의 완화를 촉진하기 위해 이론화된다.핵종의 방사성 붕괴 반감기는 8.6(6)×10초⁻²³(수소-5의 경우)부터 7.10(28³¹)×10초(텔루-128의 ^[30]경우)까지 54단계의 규모로 측정됐다.이러한 타임스케일의 한계는 계측 감도만으로 설정되며 방사성핵종의 방사성 붕괴에 대한 붕괴 반감기가 얼마나^{[citation needed]} 짧거나 긴지에 대한 알려진 자연적 한계는 없다.

붕괴 과정은 모든 방해 에너지 변환과 마찬가지로 산의 눈밭과 유사할 수 있습니다.얼음 결정 사이의 마찰이 눈의 무게를 지탱하는 반면, 시스템은 낮은 잠재 에너지 상태에 대해 본질적으로 불안정합니다.따라서 교란은 더 큰 엔트로피 상태로의 경로를 용이하게 합니다. 시스템은 지면 상태로 이동하여 열을 생성하며, 총 에너지는 더 많은 수의 양자 상태로 분산되어 눈사태를 일으킵니다.총 에너지는 이 과정에서 변하지 않지만, 열역학 제2법칙 때문에 눈사태는 오직 한 방향으로만 관측되었고, 그것은 "지반 상태" 즉, 사용 가능한 에너지가 분배될 수 있는 가장 많은 방법을 가진 상태를 향하고 있다.

그러한 붕괴(감마선 붕괴 이벤트)에는 특정 활성화 에너지가 필요하다.눈사태의 경우, 이 에너지는 시스템 외부에서 발생하는 장애로 나타나지만, 이러한 장애는 임의로 작을 수 있습니다.전자 방사선의 자연 방출에 의해 들뜬 원자핵이 감마선에 의해 붕괴하는 경우 양자 진공 ^[54]변동에 의해 임의로 작은 교란이 발생한다.

방사성 핵(또는 양자역학에서는 들뜬 시스템)은 불안정하며, 따라서 덜 들뜬 시스템으로 자발적으로 안정될 수 있다.결과적인 변환은 핵의 구조를 바꾸고 질량을 가진 광자 또는 고속 입자의 방출을 초래한다(전자, 알파 입자 또는 다른 유형).^[55]

발생 및 응용 프로그램

빅뱅 이론에 따르면, 가장 가벼운 세 가지 원소(H, He, 그리고 Li의 흔적)의 안정적인 동위원소는 우주의 출현 직후 빅뱅 핵합성이라고 불리는 과정에서 생성되었다.이러한 가장 가벼운 안정 핵종(중수소 포함)은 오늘날까지 생존하지만, 빅뱅에서 생성된 가벼운 원소의 방사성 동위원소(예: 삼중수소)는 오래 전에 부패했다.붕소보다 무거운 원소의 동위원소는 빅뱅에서 전혀 생성되지 않았고, 이 다섯 원소들은 수명이 긴 방사성 동위원소를 가지고 있지 않다.따라서, 모든 방사성 핵은 우주의 탄생과 관련하여 상대적으로 젊으며, 이후 별의 다양한 다른 형태의 핵 합성에 의해 형성되며, 안정적인 동위원소와 에너지 입자 사이의 지속적인 상호작용 동안 형성된다.예를 들어, 반감기가 5700년(^[30]30)밖에 되지 않는 방사성 핵종인 탄소-14는 우주선과 질소의 상호작용으로 인해 지구 상층 대기에서 끊임없이 생성된다.

방사성 붕괴에 의해 생성되는 핵종은 그 자체가 안정적이든 그렇지 않든 방사성 핵종이라고 불린다.초기 태양계에는 ^[56][57]단명 소멸 방사성핵종에서 형성된 안정적인 방사성핵종이 존재한다.원시 안정 핵종의 배경에 대한 안정적인 방사성 핵종(멸종된 요오드-129의 제논-129 등)의 추가 존재는 다양한 방법으로 추론할 수 있다.

방사성 붕괴는 복잡한 시스템(생체 등)을 통과하는 화학물질을 추적하는 데 사용되는 방사성 동위원소 라벨링 기술에 사용된다.물질의 시료를 고농도의 불안정한 원자로 합성한다.시스템의 하나 또는 다른 부분에 물질이 있는지 여부는 붕괴 이벤트의 위치를 감지하여 판단합니다.

방사능 붕괴가 (단순히 혼란스러운 것이 아니라) 정말 랜덤하다는 전제 하에, 그것은 하드웨어 난수 발생기에 사용되어 왔다.이 공정은 시간이 지남에 따라 메커니즘이 크게 달라지는 것으로 생각되지 않기 때문에 특정 물질의 절대 연대를 추정하는 데에도 유용한 도구입니다.지질 물질의 경우, 방사성 동위원소와 그 붕괴 생성물 중 일부는 암석이 응고될 때 갇히게 되며, 나중에 응고 날짜를 추정하는 데 사용될 수 있다(많은 잘 알려진 자격 조건에 따라).여기에는 동일한 표본 내에서 여러 공정과 해당 제품의 결과를 서로 비교하는 작업이 포함됩니다.탄소-14가 성장하면 포획되어 공기 중에서 새로운 탄소-14를 짜넣기 때문에 탄소-14가 동위원소의 반감기와 관련된 일정 기간 내에 탄소-14가 형성되는 비율과 마찬가지로 탄소-14의 다양한 시기에 대한 탄소-14의 형성 시기를 추정할 수 있다.그 후 유기물 중 탄소-14의 양은 붕괴 과정에 따라 감소하며, 붕괴 과정도 다른 방법으로 독립적으로 교차 검사될 수 있다(예를 들어 개별 나무 고리 내의 탄소-14를 검사하는 등).

실라드-찰머스 효과

실라드-칼머스 효과는 방사성 붕괴에서 부여되는 운동 에너지로 인한 화학적 결합의 파괴이다.원자에 의한 중성자의 흡수 및 감마선의 후속 방출에 의해 작동하며, 종종 상당한 양의 운동에너지를 갖는다.이 운동에너지는 뉴턴의 제3법칙에 의해 붕괴된 원자를 밀어내고 화학 ^[58]결합을 끊을 정도의 속도로 움직이게 한다.이 효과는 화학적인 방법으로 동위원소를 분리하는 데 사용될 수 있다.

실라드-찰머스 효과는 1934년 레오 실라드와 토마스 A에 의해 발견되었다.찰머스.^[59]그들은 중성자에 의한 폭격 후 액체 요오드화 에틸의 결합이 깨지면서 방사성 요오드가 ^[60]제거되는 것을 관찰했다.

방사성 핵종의 발생원

지구에서 발견된 방사성 원시 핵종은 태양계가 형성되기 전에 발생한 고대 초신성 폭발의 잔류물이다.원시 태양 성운의 형성, 행성 강착을 통해 그리고 현재까지 생존한 방사성핵종의 비율이다.오늘날 암석에서 발견된 자연발생 단수명 방사성핵종은 방사성 원시핵종의 딸이다.자연적으로 발생하는 방사성 핵종의 또 다른 작은 원천은 지구 대기나 지각에 있는 물질의 우주선 충격에 의해 형성되는 우주 발생 핵종이다.지구 맨틀과 지각의 암석에 있는 방사성핵종의 붕괴는 지구의 내부 열 예산에 크게 기여한다.

붕괴 체인 및 다중 모드

붕괴 사건의 딸 핵종도 불안정할 수 있다(방사능).이 경우, 그것 역시 붕괴되어 방사선을 생성하게 됩니다.결과물인 둘째 딸 핵종도 방사성일 수 있다.이로 인해 붕괴 체인이라고 불리는 여러 붕괴 이벤트가 발생할 수 있습니다(중요한 자연 붕괴 체인에 대한 자세한 내용은 이 문서를 참조하십시오).최종적으로 안정된 핵종이 생성된다.알파 붕괴의 결과인 붕괴 딸들은 헬륨 원자가 생성되는 결과를 초래할 것이다.

예를 들어 U의 자연 붕괴 사슬은 다음과 같습니다.

• 우라늄-238은 알파 방출을 통해 분해되며 토륨-234의 반감기는 44억6300만 년이다.
• 프로텍티늄-234m의 반감기가 24.199일(24)로^[30] 베타-프로텍티늄을 통해 분해된다.
• 이것은 베타 반응을 통해 우라늄-234에 1.159(11)분의^[30] 반감기로 분해된다.
• 토륨-230의 반감기는 245.5(6)년이다^[30].
• 알파 입자를 통해 라듐-226으로 75.4(3)천년의^[30] 반감기로 붕괴된다.
• 라돈-222의 반감기가 1600(7)000년인^[30] 알파-아세틸을 통해 붕괴된다.
• 그것은 알파 입자를 통해 폴로늄-218까지 3.8215(2)일의^[30] 반감기로 부패한다.
• 이것은 알파 이온을 통해 분해되며 납 214까지 3.097(12)분의^[30] 반감기로 감소한다.
• 비스무트-214까지 27.06(7)분의^[30] 반감기로 베타-아세틸을 통해 분해된다.
• 이것은 β결합을 통해 폴로늄-214까지 19.9(4)분의^[30] 반감기로 분해된다.
• 이는 알파 입자를 통해 163.47(3)마이크로초의^[30] 반감기로 납-210으로 분해된다.
• 비스무트-210에 대해 22.20(22)년의^[30] 반감기로 베타 결합을 통해 부패한다.
• 폴로늄-210에 대해 5.012(5)일의 반감기로^[30] 베타 붕괴를 통해 분해된다.
• 이는 알파-수정을 통해 붕괴되며 납-수정에 138.376(2)일의^[30] 반감기로 안정적인 핵종이다.

일부 방사성핵종은 여러 가지 다른 붕괴 경로를 가질 수 있다.예를 들어 비스무트-212의 35.94(6)%^[30]는 알파 방출을 통해 탈륨-208로, 비스무트-212의 64.06(6)%^[30]는 베타 방출을 통해 폴로늄-212로 분해된다.탈륨-208과 폴로늄-212는 모두 비스무트-212의 방사성 자생성물이며, 모두 안정된 납-208로 직접 분해된다.

위험 경고 표시

• 

  방사성 물질 또는 이온화 방사선의 존재를 경고하는 데 사용되는 삼엽상 기호

• 

  사망 또는 중상을^[61] 입을 수 있는 위험 선원으로 정의된 IAEA 카테고리 1, 2, 3 선원을 위한 2007년 ISO 방사능 위험 기호

• 

  방사성물질의 위험물 수송 구분표지

「 」를 참조해 주세요.

원자력 기술 포털 물리 포털

메모들

레퍼런스

인라인

일반

• "방사능", 브리태니커 백과사전, 2006.브리태니커 백과사전 온라인.2006년 12월 18일
• 어니스트 러더포드 박사, 브리태니커 백과사전 제11판

외부 링크

• Lund/LBNL 핵 데이터 검색 – 방사성 붕괴 유형과 에너지에 대한 표 정보가 수록된다.
• 핵화학 명명법
• 특정 액티비티 및 관련 토픽.
• 핵종 라이브 차트 – IAEA
• 2018년 10월 10일 웨이백 머신에 보관된 핵종 대화형 차트
• 보건물리학회 공교육 웹사이트
• Beach, Chandler B., ed. (1914). "Becquerel Rays" . The New Student's Reference Work . Chicago: F. E. Compton and Co.
• 원자력 문제를 위한 알소스 디지털 라이브러리의 방사능 주석 목록
• 볼프강 바우어의 방사성 원자 붕괴에 관한 확률적 자바 애플릿
• 데이비드 M에 의한 방사성 원자의 붕괴에 대한 확률적 플래시 시뮬레이션.해리슨
• 헨리 베크렐:Becquerel의 1896년 온라인 기사 및 BibNum에 대한 분석 "방사능의 발견".
• "방사능 변화", Rutherford & Soddy 기사(1903)는 온라인으로 Bibnum에서 분석했다.[영어 버전은 '테를레차저' 클릭]