“반감기”라는 용어가 방사능을 측정하는 데 사용되는 이유는 무엇입니까?

“반감기”라는 문구를 들으면 많은 사람들이 같은 이름의 인기있는 비디오 게임을 생각하지만 원자력, 무기, 보관 또는 폐기물에 대해 읽은 사람은 그것이 방사성 요소와 관련이 있음을 깨닫게 될 것입니다. 과학자들은 주어진 물질이 포기할 방사선의 양에 대해 알려주기 때문에 물질의 반감기를 측정합니다. Half-Life는 모든 다른 물질에 대한 고정 상수이며 전문가는 재료의 수명을 정확하게 예측할 수 있습니다.

방사성 물질의 경우, 이것은 재료가 더 이상 위협이되지 않기 전에 얼마나 오래 걸리는지를 확립 할 수 있습니다. Carbon-14와 같은 다른 재료의 경우, 반감기는 고대 유물의 대략적인 연령을 결정하기 위해 방사선 측정 (Carbon Dating)에 도움이 될 수 있습니다! 핵 화학에 익숙하지 않은 사람들에게는 조금 복잡해 보일 수 있지만 완전히 이해하는 것은 유용하고 다재다능한 개념입니다.

방사성 붕괴 란 무엇입니까?

아시다시피, 원자 요소는 다른 수의 양성자를 갖는 요소의 다른 버전 인 동위 원소를 가질 수 있지만, 핵 내에 포함 된 다른 수의 중성자입니다. 따라서, 이들 동위 원소의 원자 질량은 그들의 물리적 특성의 일부와 마찬가지로 다를 것이지만, 그들의 화학적 특성은 일반적으로 동일하다. 모든 화학 요소에는 하나 이상의 동위 원소가 있으며 그 중 일부는 안정적이며 다른 동위 원소는 불안정합니다. 원자 핵은 양성자와 중성자를 고정하는 힘이 그들을 분리하려는 힘보다 강할 때 안정적으로 간주됩니다 (강한 원자력 대 정전기 반발).

이것의 가장 간단한 예는 수소입니다. 수소는 두 개의 안정적인 동위 원소 (프로톤)와 중수소 (1 개의 양성자 및 1 개의 중성자가있는 "무거운 수소"라고도 함)를 갖는 수소입니다. 그러나, 수소는 또한 1 개의 양성자 및 2 개의 중성자를 갖는 삼중습으로 알려진 불안정한 자연 발생 동위 원소를 갖는다. 이 방사성 동위 원소의 불안정성 다른, 더 안정적인 형태로 분해되고 싶다는 것을 의미합니다.

로맨스로 어려움을 겪고있는 인간처럼 원자 핵은 끊임없이 안정성을 찾고 있으며 방사능 붕괴 과정을 통해이를 달성 할 수 있습니다 . 원자 핵 내에 너무 많은 에너지가 있고 함께 남아 있으면 핵이 무너져서 적어도 일부 (핵)를 잃어 버릴 수 있습니다. 원래 불안정한 핵은 "부모"라고 불리며, 그 결과 더 안정적인 핵은 "딸"이라고합니다. 딸들은 여전히 ​​전선 (불안정) 일 수 있습니다 (이전보다 더 안정적이지만 추가 부패가 발생할 수 있습니다. 더 많은 핵이있는 더 큰 원소, 즉 원자가 83 이상의 원소는 불안정한 핵이므로 방사성입니다. 그러나, 그 방사능의 강도는 크게 다를 수있다.

예를 들어, 폴로늄 (PO-210)은 안정적인 동위 원소가없는 희귀하고 휘발성이 높은 방사성 동위 원소입니다. 그것은 알파 붕괴 중에 엄청나게 높은 에너지 형태의 방사선을 제공하고 실제로는 파란색으로 빛납니다!-가장 방사능 요소 중 하나입니다. 그래도 상대적으로 빠르게 떨어지고 Half-Life 가 있습니다 단 140 일 동안 붕괴 제품으로 납 (PB-206)으로 분해됩니다.

PO-210 :폴로늄의 휘발성 방사성 동위 원소 (사진 크레디트 :Meggi/Shutterstock)

핵에서 발견되는 불안정성 유형에 따라 발생하는 3 가지 유형의 방사성 붕괴가 있습니다.

알파 붕괴

알파 붕괴의 경우, 핵은 알파 입자 (2 개의 양성자 및 2 개의 중성자, 본질적으로 헬륨 원자)를 방출함으로써 안정성을 추구 할 것이다. 원자 수는 이러한 유형의 붕괴 후 2 씩 감소합니다. 우라늄 -238은 자연에서 발견되는 우라늄의 가장 흔한 동위 원소이며, 원자 핵이 분해되면 반감기가 45 억 년이되지만 알파 입자를 방출하여 Thorium-234가됩니다. 알파 입자는 많은 물질을 침투 할 수 없으며 (종이 조각으로 멈출 수 있습니다!), 그들은 여전히 ​​빠른 속도로 방출되며 근처의 원자에서 전자를 노크 할 수 있기 때문에 살아있는 세포에 위험 할 수 있습니다. 따라서 알파 입자는 신체에 섭취하거나 도입 될 때 위험하지만 일반적으로 사람의 옷을 뚫을 수 없기 때문에 인간에게 무해한 것으로 간주됩니다!

알파 붕괴 다이어그램 (사진 크레디트 :osweetnature/shutterstock)

베타 붕괴

베타 부패가 발생하면 베타 입자 (전자)의 스트림이 핵에서 배출되어 중성자 중 하나가 양성자 (β- 붕괴)로 변형되거나 양성자가 중성자 (β+ 붕괴)로 변할 수 있습니다. 원자 질량은 변하지 않지만 원자 수는 1만큼 증가하거나 감소합니다. 베타 붕괴의 일반적인 예는이 β- 붕괴 공정 동안 전자를 방출하는 YTTRIUM-90 동위 원소로 스트론튬 -90의 원자 분해입니다. 베타 입자는 알파 입자보다 약 8,000 배 작으므로 알파 입자와 달리 옷과 피부에 침투 할 수 있기 때문에 더 위험한 것으로 간주됩니다. 그러나 일반적으로 벽으로 막히고 방출 될 때 몇 피트 만 이동합니다.

베타 붕괴 다이어그램 (사진 크레디트 :Osweetnature/Shutterstock)

감마 붕괴

이전의 두 형태의 붕괴는 헬륨 원자와 전자/포지 트론을 방출하는 반면, 감마 붕괴는 고 에너지 광자의 방출을 초래하여 원자 수 또는 질량 수를 변경하지 않고 핵이보다 안정적인 형태에 도달 할 수있게한다. 방출에는 질량이없고 거의 모든 물질을 통과 할 수 있기 때문에 이것은 가장 위험한 방사선 형태입니다. 이 "감마 광선"을 효과적으로 차단하려면 몇 인치의 납 또는 여러 피트의 콘크리트가 필요합니다.이 "감마 광선"은 두 번째 생각없이 몸을 직접 통과시켜 골수에서 가장 민감한 기관의 조직에 이르기까지 모든 것에 영향을 미칩니다. 감마선은 본질적으로 빛의 형태이며, 폭발하는 별과 다른 원자력의 결과로 태어난 강력한 전자기 방사선입니다.

반감기 란?

이제 방사성 붕괴에 대한 이해를 얻었으므로 Half-Life 에 대한 아이디어 임신하기가 훨씬 쉬워집니다. 방사성 동위 원소가 알파, 베타 및 감마 붕괴를 통해보다 안정적인 형태로 분해함에 따라 원래의 "부모"재료의 양이 줄어 듭니다. 이제, 원자가 엄청나게 작고 예측할 수 없기 때문에 주어진 핵이 방사성 붕괴를 겪을 때 정확하게 알 수있는 방법이 없습니다. 그러나 많은 수 (수백만, 수십억 또는 수조의 개별 원자)로 간주되면 방사능 붕괴의 통계적 가능성을 측정 할 수 있습니다.

개별 원자의 양자 거동은 평가하기가 불가능하지만, 많은 원자 그룹의 거동은 확률에 따라 달라 지므로 신뢰할 수있는 수준의 통계적 확실성이 있습니다. 핵 물리학에서 반감기는 방사성 동위 원소가 방사성 부패를 얼마나 빨리 겪게 될지, 또는 안정적인 동위 원소가 그대로 유지되는지에 대한 유용한 측정 스틱입니다. 예를 들어 반감기를 이해하는 것이 가장 쉽습니다. 베타 붕괴를 통해 구리 -63으로 분해되는 방사성 동위 원소 니켈 -63의 반감기를 고려해 봅시다.

니켈 -63의 반감기는 100 년이므로 1,000,000 원자로 구성된이 방사성 요소의 샘플을 고려해 봅시다. 100 년 후, 약 50 만 개의 원자가 구리 -63으로 분해 될 것이며, 이는 더 이상 방사선을 방출하거나 붕괴하지 않는 안정적인 동위 원소 인 반면, 500,000 방사성 니켈 -63 원자는 남아 있습니다. 이것을 조금 더 외삽합시다…

100 년-500,000 니켈 -63 원자

200 년-250,000 니켈 -63 원자

300 년-125,000 니켈 -63 원자

400 년-62,500 니켈 -63 원자

500 년-31,250 니켈 -63 원자

600 년-15,625 니켈 -63 원자

방사성 동위 원소가 "딸"재료의 안정적인 동위 원소로 분해되면 더 이상 붕괴되거나 더 이상 방사선을 방출하지 않습니다. 따라서, 시간이 지남에 따라, 방사성 물질의 동일한 것과 동일하게 많은 알파, 베타 또는 감마 입자로 인해 방출되지 않기 때문에 덜 위험해질 것이다. 10 번 반감 후에, 샘플에서 원래 방사능의 1 천분이 미만이며 일반적으로 완전히 무해한 것으로 간주됩니다.

각 물질의 방사능 파괴의 속도는 일정하게 유지되지만, 모든 동위 원소는 수소 -7 (1 개의 양성자 및 6 개의 중성자)과 2.3 x 10-23 초의 반감기가 다른 반감기를 가지고 있으며, Tellurium-128 (52 xprotons 및 76 Neutrons)까지 2.2 x에서 2 번의 반감기를 자랑합니다. 우주!

최종 단어

원자 또는 양자 척도로 사물을보기 시작하면 단일 원자와 관련하여 정확한 것이 훨씬 어려워집니다. 우라늄 -235의 단일 원자를 볼 때, 언제 방사능 붕괴를 겪고 Thorium-231의 단일 원자가 될지 또는할지 아는 것은 불가능합니다. 그러나 우라늄 -235의 백만 원자를 관찰 할 때, 원자의 절반이 알파가 7 억 3 천 3 백만 년 이내에 붕괴 될 것이라고 말하는 것은 정확한 통계적 확률입니다!

반감기는 일반적으로 핵 물리학과 관련이 있지만, 특정 약물의 약동학과 같은 의료 기술과 공룡 화석의 방사선 탄소 데이트와 같은 의료 기술에 적용 할 수 있고 유용한 개념입니다! 반 생명 계산은 예측할 수없는 양자 영역을 이해 하고이 지구의 환경과 수명에 대한 방사성 재료의 장기적인 영향을 평가할 수있는 방법입니다!