유도 방사능

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1. 개요
2. 유도 방사
3. 스테파니아 머래시누와 인공 방사능 발견
4. 유도 방사능의 생성률
- 4.1. 생성률 공식
- 4.2. 포화 강도와 포화 인자
참조

1. 개요

유도 방사능은 원자가 빛을 방사하는 방법 중 하나로, 외부에서 들어오는 빛이 원자에 작용하여 전자가 낮은 에너지 준위로 전이되면서 빛이 방출되는 현상을 말한다. 레이저와 메이저는 유도 방사를 이용하여 빛이나 전파를 증폭하는 장치이며, 유도 방사에 의해 생성된 레이저는 일반적인 광원과 달리 깨끗한 광파를 방사한다. 또한 유도 방사능은 인공 방사능 발견과 관련하여 스테파니아 머래시누의 연구와 업적 논란이 존재하며, 원자로 또는 가속기를 통해 물질에 방사선을 조사했을 때 생성되는 유도 방사능의 생성률은 수학적 공식을 통해 계산할 수 있다.

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유도 방사능
개요
정의	불안정한 핵이 입자나 에너지를 방출하면서 다른 핵종으로 변환될 때, 중성자 또는 다른 입자로 안정적인 핵을 때려 방사성으로 만드는 과정
관련 현상	핵반응 방사성 붕괴
역사
최초 발견	이렌 졸리오퀴리와 프레데리크 졸리오퀴리 부부가 1934년에 발견
최초의 인공 방사성 동위 원소	알루미늄을 알파 입자로 충격시켜 만든 인-30
유도 방사능 생성 메커니즘
입자 충돌	안정적인 핵에 중성자, 양성자, 또는 다른 입자를 충돌시켜 핵반응을 일으킴. 이 과정에서 핵은 불안정해지고 방사성을 띠게 됨.
핵반응 종류	중성자 포획: 핵이 중성자를 흡수하여 더 무거운 동위 원소가 됨. 양성자 방출: 핵이 양성자를 방출하여 다른 원소로 변환됨. 알파 입자 방출: 핵이 알파 입자를 방출하여 더 가벼운 원소로 변환됨. 핵분열: 무거운 핵이 두 개 이상의 작은 핵으로 쪼개짐.
유도 방사능의 활용
의학	방사선 치료: 암세포를 파괴하기 위해 유도 방사능을 이용. 의료 영상: 유도 방사능을 이용하여 인체 내부를 시각화.
산업	비파괴 검사: 유도 방사능을 이용하여 제품의 결함을 검사. 공정 제어: 유도 방사능을 이용하여 생산 공정을 제어.
연구	추적자: 유도 방사능을 이용하여 화학 반응 및 생물학적 과정을 추적. 연대 측정: 유도 방사능을 이용하여 고고학적 유물 및 지질 샘플의 연대를 측정.
유도 방사능의 위험성
방사선 노출	유도 방사능에 노출되면 방사선 피폭으로 인한 건강 문제가 발생할 수 있음.
방사성 폐기물	유도 방사능을 포함하는 물질은 방사성 폐기물로 분류되어 안전하게 관리해야 함.
유도 방사능의 예방 및 관리
차폐	방사선 차폐재를 사용하여 방사선 노출을 최소화.
거리 유지	방사원과의 거리를 늘려 방사선 강도를 낮춤.
시간 단축	방사선에 노출되는 시간을 최소화.
환기	방사성 물질이 공기 중에 확산되는 것을 방지하기 위해 환기 시스템을 사용.
참고 자료
참고 문헌	Alberto Fassò, Marco Silari, Luisa Ulrici, Predicting Induced Radioactivity at High Energy Accelerators Bruce Thomadsen, Ravinder Nath, Fred B. Bateman, Jonathan Farr, Cal Glisson, Mohammad K. Islam, Terry LaFrance, Mary E. Moore, George Xu, Mark Yudelev, Potential Hazard Due to Induced Radioactivity Secondary to Radiotherapy
관련 링크	Irène Joliot-Curie: Biographical Irène Joliot-Curie and Frédéric Joliot

2. 유도 방사

원자가 빛을 방사하는 방법에는 자연 방사와 유도 방사가 있다. 유도 방사는 외부에서 들어온 빛이 원자에 작용하여 전자가 낮은 에너지 준위로 전이하면서 빛을 방사하는 현상이다. 이 현상은 레이저나 메이저와 같이 빛이나 전파를 증폭하는 장치의 기반이 된다.^[1]

2. 1. 유도 방사의 원리

원자가 빛을 방사할 때의 방사 방법으로는 자연 방사 외에 유도 방사가 있다. 전자가 높은 에너지 준위에 있을 때 그대로 방치해 두어도 시간이 지남에 따라 자연 방사로 빛이 방사되겠지만, 만약 이 빛과 같은 진동수의 빛이 외부에서 들어와 이 원자에 작용하면, 이 빛에 유도 촉진되어 전자는 에너지가 낮은 준위로 곧 전리되며, 그 결과 빛이 방사된다. 이것이 유도 방사이다. 들어오는 빛이 강할수록 이 유도 방사는 강하게 일어난다.

흔히 눈에 들어오는 빛은 특정의 진동수에 대해서는 약한 것이어서 유도 방사는 거의 일어나지 않고 빛은 모두 자연 방사에 의한 것이라고 생각해도 좋다. 이에 비해서 레이저나 메이저는 이 유도 방사에 의하여 여러 가지 빛이나 전파를 만드는 장치이다. 따라서, 유도 방사에 의한 것이므로 레이저는 보통 광원과는 달리 무질서하지 않은 깨끗한 광파를 방사하게 된다. 레이저 laser(light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머릿글자)는 유도 방사에 의한 빛의 증폭을 뜻하고, 메이저 maser(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머릿글자)는 유도 방사에 의한 마이크로파의 증폭을 뜻한다.

2. 2. 자연 방사와의 차이점

원자가 빛을 방사할 때, 자연 방사 외에 유도 방사도 가능하다. 전자가 높은 에너지 준위에 있을 때, 시간이 지나면 자연 방사로 빛이 방사된다. 하지만 이 빛과 같은 진동수의 빛이 외부에서 들어와 원자에 작용하면, 이 빛에 유도 촉진되어 전자는 에너지가 낮은 준위로 전이하며 빛을 방사한다. 이를 유도 방사라고 한다. 들어오는 빛이 강할수록 유도 방사는 강하게 일어난다.^[1]

일반적으로 눈에 들어오는 빛은 특정 진동수에 대해 약해서 유도 방사는 거의 일어나지 않고, 대부분 자연 방사에 의한 것이다.^[1] 반면, 레이저나 메이저는 유도 방사를 이용하여 빛이나 전파를 만든다.^[1] 레이저는 유도 방사를 통해 무질서하지 않고 깨끗한 광파를 방사하는 특징이 있다.^[1]

2. 3. 레이저와 메이저

원자가 빛을 방사할 때의 방사 방법으로는 자연 방사 외에 유도 방사가 있다. 전자가 높은 에너지 준위에 있을 때 그대로 방치해 두어도 시간이 지남에 따라 자연 방사로 빛이 방사되겠지만, 만약 이 빛과 같은 진동수의 빛이 외부에서 들어와 이 원자에 작용하면, 이 빛에 유도 촉진되어 전자는 에너지가 낮은 준위로 곧 전리되며, 그 결과 빛이 방사된다. 이것이 유도 방사이다. 들어오는 빛이 강할수록 이 유도 방사는 강하게 일어난다. 흔히 눈에 들어오는 빛은 특정 진동수에 대해서는 약한 것이어서 유도 방사는 거의 일어나지 않고 빛은 모두 자연 방사에 의한 것이라고 생각해도 좋다. 이에 비해서 레이저나 메이저는 이 유도 방사에 의하여 여러 가지 빛이나 전파를 만드는 장치이다. 따라서, 유도 방사에 의한 것이므로 레이저는 보통 광원과는 달리 무질서하지 않은 깨끗한 광파를 방사하게 된다. 레이저(light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머릿글자)는 유도 방사에 의한 빛의 증폭을 뜻하고, 메이저(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머릿글자)는 유도 방사에 의한 마이크로파의 증폭을 뜻한다.

3. 스테파니아 머래시누와 인공 방사능 발견

프레데리크 졸리오퀴리와 이렌 졸리오퀴리(피에르 퀴리와 마리 퀴리의 딸)는 1935년에 인공 방사능 발견으로 노벨 물리학상을 수상했지만, 여러 자료에서는 스테파니아 머래시누가 이를 최초로 발견했음을 보여준다.^[7] 머래시누는 이렌 졸리오퀴리가 자신의 연구 결과를 무단으로 사용한 것에 대해 불만을 표했으며, 10년 전 파리에서 이미 인공 방사능을 발견했다고 공개적으로 주장했다. ''그들의 과학에 대한 헌신: 방사능의 선구적인 여성들''에 따르면, 머래시누는 1936년 리제 마이트너에게 보낸 편지에서 이렌 졸리오퀴리가 자신의 동의 없이, 특히 인공 방사능과 관련된 많은 연구를 자신의 연구에 사용한 것에 대해 실망감을 표했다고 한다.^[7]

3. 1. 머래시누의 연구

제1차 세계 대전 이후, 콘스탄틴 키리체스쿠의 지원으로 스테파니아 머래시누는 유학 장학금을 받아 파리로 유학을 갔다. 1919년 마리 퀴리와 함께 소르본 대학교에서 방사능 강의를 들었으며,^[6] 1926년까지 퀴리 연구소에서 퀴리와 함께 연구했다. 머래시누는 폴로늄의 반감기를 연구하고 알파 붕괴 측정 방법을 고안했다. 이 연구를 통해 방사성 핵종이 폴로늄 알파선에 노출된 결과로 원자에서 형성될 수 있다고 믿게 되었으며, 이는 이렌 졸리오퀴리와 프레데리크 졸리오퀴리의 1935년 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다.^[7]

3. 2. 인공 방사능 발견

제1차 세계 대전 이후, 콘스탄틴 키리체스쿠의 지원을 받아 스테파니아 머래시누는 파리로 유학을 갔다. 1919년 그녀는 마리 퀴리와 함께 소르본 대학교에서 방사능에 대한 강의를 들었다.^[6] 1926년까지 퀴리 연구소에서 퀴리와 함께 연구를 진행하며, 폴로늄의 반감기를 연구하고 알파 붕괴를 측정하는 방법을 고안했다. 이 연구를 통해 방사성 핵종이 폴로늄의 알파선에 노출된 결과로 원자로부터 형성될 수 있다고 믿게 되었으며, 이는 이렌 졸리오퀴리와 프레데리크 졸리오퀴리의 1935년 노벨 화학상 수상으로 이어졌다.^[7]

1935년, 프레데리크 졸리오와 이렌 졸리오퀴리 ( 피에르 퀴리와 마리 퀴리의 딸)는 인공 방사능의 발견으로 노벨 화학상을 수상했지만, 모든 자료는 머래시누가 최초로 이를 발견했음을 보여준다. 스테파니아 머래시누는 이렌 졸리오퀴리가 자신의 인공 방사능에 대한 연구 결과를 언급 없이 상당 부분 사용한 것에 대해 불만을 표했다. 머래시누는 자신의 박사 학위 논문에서 증명된 바와 같이, 10년 이상 전에 파리에서 연구하는 동안 인공 방사능을 발견했다고 공개적으로 주장했다. "머래시누는 1936년 리제 마이트너에게 보낸 편지에서 이렌 졸리오퀴리가 자신의 동의 없이, 특히 인공 방사능과 관련된 많은 연구를 자신의 연구에 사용한 것에 대해 실망감을 표했다"고 ''그들의 과학에 대한 헌신: 방사능의 선구적인 여성들''에 언급되어 있다.

3. 3. 업적 논란

제1차 세계 대전 이후, 스테파니아 머래시누는 파리로 유학을 갔다. 1919년 소르본 대학교에서 마리 퀴리의 방사능 강의를 들었고,^[6] 이후 퀴리 연구소에서 퀴리와 함께 연구를 진행했다. 머래시누는 폴로늄의 반감기를 연구하고 알파 붕괴를 측정하는 방법을 고안했다. 이 연구를 통해 방사성 핵종이 폴로늄의 알파선에 노출된 결과로 형성될 수 있다고 믿게 되었으며, 이는 이렌 졸리오퀴리와 프레데리크 졸리오퀴리 부부의 1935년 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다.^[7]

1935년, 프레데리크 졸리오퀴리와 이렌 졸리오퀴리 부부는 인공 방사능 발견으로 노벨 물리학상을 수상했지만, 여러 자료는 머래시누가 이를 최초로 발견했음을 보여준다. 머래시누는 이렌 졸리오퀴리가 자신의 인공 방사능 연구 결과를 언급 없이 상당 부분 사용한 것에 대해 불만을 표했다. 머래시누는 자신의 박사 학위 논문에서 증명된 바와 같이, 10년 이상 전에 파리에서 연구하는 동안 인공 방사능을 발견했다고 공개적으로 주장했다. ''그들의 과학에 대한 헌신: 방사능의 선구적인 여성들''에 따르면, 머래시누는 1936년 리제 마이트너에게 보낸 편지에서 이렌 졸리오퀴리가 자신의 동의 없이, 특히 인공 방사능과 관련된 많은 연구를 자신의 연구에 사용한 것에 대해 실망감을 표했다고 한다.

4. 유도 방사능의 생성률

원자로 또는 가속기에서 물질에 일정한 방사선을 계속 조사하면, 유도 방사능이 생성된다. 이때 생성되는 유도 방사능의 양을 계산하는 방법은 다음과 같다.

생성률 공식: 자세한 공식 유도 과정은 하위 섹션 ('생성률 공식')을 참고하라.
포화 강도와 포화 인자: 무한 시간 조사했을 경우의 방사능을 '''포화 강도'''(σφM), (1-e^-λt)를 '''포화 인자'''라고 한다. 자세한 내용은 하위 섹션 ('포화 강도와 포화 인자')을 참고하라.

4. 1. 생성률 공식

조사 대상 물질의 단위 부피당 M개의 원자 수를 가진 동위 원소가 있고, 붕괴 상수 λ의 방사성 동위 원소가 생성되는 반응 단면적을 σ, 조사되는 방사선의 플럭스를 φ, 단위 부피당 생성된 방사성 동위 원자의 수를 N이라고 하면, 미소 시간 dt 내에 생성되는 방사성 동위 원자 수는 다음과 같다.

:σφMdt

하지만, 생성된 순간부터 방사성 붕괴에 의해 계속 붕괴하기 때문에, 이를 계산에 넣으면, 생성률 dN은 다음과 같이 주어진다.

:dN/dt = σφM - λN

T 시간 조사했을 때의 방사성 동위 원자 수는 다음과 같다.

:(σφM/λ)(1-e^-λt)

조사를 정지한 순간의 방사능은 다음과 같다.

:σφM(1-e^-λt)

여기서 σφM는 무한 시간 조사를 했을 경우의 방사능으로 '''포화 강도'''라고 하며, (1-e^-λt)를 '''포화 인자'''라고 한다.

4. 2. 포화 강도와 포화 인자

반응 단면적 σ, 조사되는 방사선의 플럭스를 φ, 단위 부피당 생성된 방사성 동위 원자의 수를 N이라고 할 때, 미소 시간 dt 내에 생성되는 방사성 동위 원자 수는 다음과 같다.

:

\sigma\phi{Mdt}

하지만, 생성된 순간부터 방사성 붕괴에 의해 계속 붕괴하기 때문에, 이를 계산에 넣으면 생성률 dN은 다음과 같다.

:

\frac{dN}{dt}=\sigma\phi{M}-\lambda{N}

T 시간 조사했을 때의 방사성 동위 원자 수는 다음과 같다.

:

\frac{\sigma\phi{M}}{\lambda}(1-e^{-\lambda{t}})

조사를 정지한 순간의 방사능은 다음과 같다.

:

\sigma\phi{M}(1-e^{-\lambda{t}})

여기서 σφM는 무한 시간 조사를 했을 경우의 방사능으로 '''포화 강도'''라고 하며, (1-e^-λt)를 '''포화 인자'''라고 한다.

참조

_[1] 간행물 Predicting Induced Radioactivity at High Energy Accelerators http://www.slac.stan[...] SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University 1999-10
_[2] 웹사이트 Irène Joliot-Curie: Biographical https://www.nobelpri[...] 2018-12-10
_[3] 논문 Potential Hazard Due to Induced Radioactivity Secondary to Radiotherapy
_[4] 문서
_[5] 웹사이트 Irène Joliot-Curie and Frédéric Joliot https://www.scienceh[...] 2016-06
_[6] 서적 The Biographical Dictionary of Women in Science: L-Z https://books.google[...] Taylor & Francis
_[7] 서적 Sustainable Energy Systems and Applications https://books.google[...] Springer Science & Business Media
_[8] 서적 理化学英和辞典 http://webshop.kenky[...] 研究社
_[9] 간행물 Predicting Induced Radioactivity at High Energy Accelerators http://www.slac.stan[...] SLAC National Accelerator Laboratory, 스탠퍼드 대학교 1999-10

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