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8 차시, 원자핵 반응

원자와 원자핵

방사선과 방사능

원자핵반응

방사선피폭과 방사선량

방사성핵종

방사평형

방사선과 물질과의 상호작용

- 러더포드에 의해 처음으로 성공 - 2개의 원자핵이 충돌, 원자핵이 결합하거나 분해하여 새로운 원자핵 생성 반응 - 주로 무거운 원자핵 (우라늄 등)에 가벼운 입자(α, p, n 등) 입사하여 반응을 일으킴. X + a → Y + b 또는 X ( a , b ) Y

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핵 반응

핵반응의 종류

핵 반응

원자핵 붕괴 :

방사성핵종이 방사선 방출→다른 핵종으로 변환

Ex)

→226 222 4

88 86 2Ra Rn + He

원자핵 불안정한 핵종 > 안정한 핵종 불안정 : 원자핵속의 양성자와 중성자의 비 불균형 - Z 小 → 양성자 ≒ 중성자 - Z 大 → 중성자 > 양성자 (∵ Z이 커지면 양성자간 반발력이 커져 원자핵 불안정, 반발력을 약화 시키기위해 중성자가 많음)

원자핵 붕괴

X + a → Y + b 또는 X ( a , b ) Y

• 핵반응의 원칙

- 핵자수 보존 법칙 : 전체 핵자수가 보존

- 전하량 보전법칙 양전하를 띠고 있는 양성자수 만큼 궤도의 전자 음전하를 띠고 있음

- 에너지 보존법칙 : 질량-에너지의 합 보존

- 운동량 보전법칙 : 반응전 후의 운동량

• 모든 핵반응은 에너지변화 발생

• 핵반응의 Q값 : 에너지 발생량, 흡수량 ∆M(amu) =반응핵들의 전체질량−생성핵들의 전체질량

𝑸 = [ 반응핵 전체질량 − 생성핵 전체질량 ] × 𝟗𝟑𝟏. 𝟓𝑴𝒆𝑽/𝒂𝒎𝒖

Q값이 ‘–’ (흡열반응)이면 그 값보다 큰 에너지(문턱에너지)를

외부에서 공급해주어야 함. (Q 값>0 : 발열반응,, 그대로 진행 )

문턱에너지(Eth)와 Q값(에너지 발생량)과의 관계

𝑬𝒕𝒉 =𝒎𝒂+𝒎𝒃

𝒎𝒂× 𝑸 ( 𝑚𝑎: 반응핵중 표적핵의 질량,

𝑚𝑏: 반응핵중 입사입자의 질량 )

핵반응에서의 에너지 변화

발열반응과 흡열반응

반응의 Q치와 문턱값 (threshold energy)

- 반응의 Q치

= {(Mx + Ma) - (My + Mb)} c2 (J)

= {(Mx + Ma) - (My + Mb)} × 931.5 (MeV)

- 반응의 Q > 0 일때 발열반응,

반응의 Q < 0일 때 흡열반응이라 한다.

- 흡열반응일 때 : 문턱값 이상 에너지 필요

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흡열반응의 문턱값

𝑿 𝒂, 𝒃 𝒀

𝑬𝒕𝒉 = |Q| × 𝑴𝑿 + 𝑴𝒂

𝑴𝑿

과녁핵에 충돌한 입사입자는

산란(scattering), 흡수(absorption)

- 산란 : 입사입자가 과녁핵에 충돌,

과녁핵의 쿨롱반발력으로 입사 방향이

바뀌는 현상 (입사입자 종류 불변)

- 흡수 : 입사입자가 과녁핵에 충돌 흡수

→ 복합핵 → 핵변환 8

핵반응의 종류

핵 반응

핵 반응의 종류

산란

- 탄성산란 : 충돌전후 운동에너지 보존 X(a,a)X

- 비탄성산란 : 입사입자의 운동에너지가

과녁핵의 들뜸에 사용, 사용분 에너지 줄어듬

X(a,a’)X’ : 핵은 감마선 방출후 안정화

흡수(핵변환) - 포획반응 : 입사입자가 과녁핵에 출동하여 복합핵이 되나,

입자를 방출할 만큼 에너지가 크지 않고, 핵의 에너지 준위

차에 의한 감마선만 방출 : 중성자포획 𝒏, 𝜸 , 양성자포획(𝒑, 𝜸) 반응

𝐶𝑜59 𝑛, 𝛾 𝐶𝑜60 , 𝐹𝑒(𝑝, 𝛾) 𝐶𝑜5756 - 입자방출반응 : X + a → Y + b 또는 X ( a , b ) Y

- 핵분열, 핵융합 9

핵분열(nuclear fission)

- 무거운 원자핵이 두 개의 가벼운 원자

핵으로 되는 핵반응 (분열후 평균 2.5개 n)

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핵분열생성물

방사성 핵종

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원자와 원자핵

방사선과 방사능

원자핵반응

방사선피폭과 방사선량

방사성핵종

방사평형

방사선과 물질과의 상호작용

방사성핵종

1. 천연방사성핵종

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• 약 46억 년 전 지구가 생길 때에 생성된 이후 현재까지 남아 있는 방사성핵종

- 반감기가 108년 이상인 238U(4.468×109년), 232Th(1.41×1010년), 235U(7.04×108년) 등 - 각 붕괴계열 모두 𝛼붕괴와 𝛽붕괴가 반복해서 일어나며, 질량수는 4 만큼 작아짐 • 특정계열에 속하는 방사성핵종 질량수 A=4n+q 로 표시 - 토륨계열 : 4n 붕괴계열 - 넵투늄계열 : 4n+1 붕괴계열(현재 존재하지 않음) - 우라늄계열 : 4n+2 붕괴계열 - 악티늄계열 : 4n+3 붕괴계열

1차천연방사성핵종 계열 암기법

• Actinium, Uranium, Neptunium, Thorium

• AUNT(숙모)로 암기 : 4n+3,+2,+1,+0

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토륨계열(4n)

𝑇ℎ90232 로 시작해서

𝜶붕괴 𝟔회, 𝜷붕괴 𝟒회

𝑃𝑏 안정 로 끝남.82208

붕괴 횟수 계산: 𝜶붕괴 : (232-208)/4 = 6회 𝜷붕괴 : (82-90)=베타붕괴횟수-(2x6) 베타붕괴횟수=4회

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넵투늄 계열 (4n+1)

𝑁𝑝93237 로 시작해서

𝜶붕괴 𝟕회, 𝜷붕괴 𝟒회

𝐵𝑖 안정 로 끝남.83209

붕괴 횟수 ? 𝜶붕괴 : (237-209)/4 = 7회 𝜷붕괴 : (83-93)=베타붕괴횟수-(2x7) 베타붕괴횟수=4회

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우라늄계열 (4n+2)

𝑈92238 로 시작해서

𝜶붕괴 𝟖회, 𝜷붕괴 𝟔회

𝑃𝑏 안정 로 끝남.82206

붕괴 횟수 계산: 𝜶붕괴 : (238-206)/4 = 8회 𝜷붕괴 : (82-92)=베타붕괴횟수-(2x8) 베타붕괴횟수=6회

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악티늄계열(4n+3)

𝑈92235 로 시작해서

𝜶붕괴 𝟕회, 𝜷붕괴 𝟒회

𝑃𝑏 안정 로 끝남.82207

붕괴 횟수 ? 𝜶붕괴 : (235-207)/4 = 7회 𝜷붕괴 : (82-92)=베타붕괴횟수-(2x7) 베타붕괴횟수=4회

계열을 이루지 않는 천연 방사성핵종

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2. 2차 천연 방사성핵종 • 1차 천연방사성핵종인 238U, 232Th, 235U 등의 붕괴에 따라 2차적으로 생성된 핵종

• 그 반감기는 어미핵종에 비해 짧다.

어미핵종의 반감기가 딸핵종의 보다 긴경우

일정시간 경과후 방사평형(두 핵종의 원자수 일치)

예)

• 237Np의 반감기는 지구나이, 4.6×109년에 비해 짧기 때문에 소멸되어 현재 지상에 존재하지 않는다.

※ 현존하는 237Np는 인공방사성핵종이며 238U(n,2n)237U로

생성된 237U의 β-붕괴에 따라 생성.

또한 237Np는 241Am의 α붕괴에 따라 생성되기도 한다.

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132Te(β-, T = 78h) -> 132I(β-, T = 2.3h) -> 132Xe

3. 유도 천연방사성핵종 - 자연계에서 우주선은 대기중의 산소, 질소, 아르곤 등의 원자핵을

파쇄(破碎, spallation)하는 반응에 의해 다양한 가벼운 원소 생성 - 이외에도 자발핵분열에 의한 중성자나, (α,n)반응에 의한 중성자 핵반응으로 생성된 것

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핵종 반감기 생성 핵반응

이외에도 파쇄반응으로 22Na, 32Si 등이 생성되며, 3H, 14C, 32P, 35S 등은 파쇄반응 이외에 14N(n,3H)12C, 14N(n,p)14C, 32S(n,p)32P, 35Cl(n,p)35S 등 핵반응으로도 생성됨

4. 인공 방사성 핵종

☞ 의료, 산업, 연구 등에 여러 종류의 RI 이용

- 의료 : 𝑇𝑐 − 99𝑚, 𝐼 − 131, 𝐼 − 125, 𝐼 − 123, 𝐺𝑎 − 67,

𝑇𝑙 − 201, 𝐶𝑜 − 60, 𝐶𝑠 − 137 등

- 산업 : 𝐼𝑟 − 192, 𝐶𝑜 − 60, 𝐴𝑚 − 241, 𝐶𝑠 − 137, 𝐶𝑓 − 252 등

- 연구 : 𝐻 − 3, 𝐶 − 14, 𝑃 − 32, 𝑆 − 35, 𝐼 − 125

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방사평형

(Radioactive Equilibrium)

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원자와 원자핵

방사선과 방사능

원자핵반응

방사선피폭과 방사선량

방사성핵종

방사평형

방사선과 물질과의 상호작용

방사평형 (Radioactive Equilibrium)

어미 핵종과 딸핵종의 방사능붕괴수가 같거나, 질량수가 같을 때(방사능이 같음, 영속평형), 질량수가 같을 때(일시평형)를 방사평형이라 함.

1. 영속평형(𝑇1 ≫ 𝑇2)

2. 일시평형 (𝑇1 > 𝑇2)

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1. 영속 평형(Secular Equilibrium)

(𝑻𝟏 ≫ 𝑻𝟐)

𝑨𝟏 = 𝑨𝟐, 𝝀𝟏𝑵𝟏 = 𝝀𝟐𝑵𝟐

2. 일시평형(Transit Equilibrium)

(𝑻𝟏 > 𝑻𝟐)

𝝀𝟏𝑵𝟏 = (𝝀𝟐 − 𝝀𝟏)𝑵𝟐, 𝑨𝟐 > 𝑨𝟏

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• 일시평형의 예

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• 영속평형의 예

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3. 방사평형이 성립되지 않는 경우

𝑻𝟏 < 𝑻𝟐

방사평형

영속평형 (어미핵종과 탈핵종의 방사능이 같거나, 질량수가 같을 때)

(𝑇1 ≫ 𝑇2) 𝐴1 = 𝐴2, 𝜆1𝑁1 = 𝜆2𝑁2

일시평형 (질량수만 같을 때)

(𝑇1 > 𝑇2) 𝜆1𝑁1 = (𝜆2 − 𝜆1)𝑁2, 𝐴2 > 𝐴1