전자 포획

3. 반응 메커니즘

전자 포획은 원자핵 내 양성자가 궤도 전자(주로 K-껍질 전자)와 상호작용하여 중성자로 변환되는 과정이다. 이 과정에서 전자 중성미자(νe)가 방출된다.^[8] 쿼크 수준에서는 업 쿼크(u)가 전자(e-)와 반응하여 다운 쿼크(d)와 전자 중성미자(νe)로 변환된다.

• 핵자 수준 반응식: p + e- → n + νe
• 쿼크 수준 반응식: u + e- → d + νe

전자 포획은 β⁺붕괴(양전자 방출)와 경쟁하는 경우가 많지만, 모핵과 딸핵의 에너지 차이가 1.022MeV에 미치지 못하는 경우에는 전자 포획만이 일어난다.

3. 1. 화학 결합 및 외부 환경의 영향

4. 발생 조건

전자 포획은 양성자 수가 과잉되어 불안정한 원자핵에서 일어나기 쉽고, β⁺붕괴(양전자 붕괴)와 경쟁하는 경우가 많지만, 모핵과 딸핵의 에너지 차이가 1.022MeV에 미치지 못하는 경우에는 전자 포획만이 일어난다.^[8]

주기율표 중간의 원소 주변에서는 동일한 원소의 안정 동위원소보다 가벼운 동위원소가 전자 포획을 통해 붕괴되는 경향이 있다. 전자 포획은 질량 변화가 가장 작고 양전자 방출이 항상 가능하지 않은 더 무거운 중성자 결핍 원소에서 가장 자주 발생한다. 핵 반응에서 질량 손실이 0보다 크지만 2m_ec²보다 작으면 양전자 방출은 불가능하지만, 전자 포획은 자발적으로 일어난다.

이 붕괴에서는 중성자 수가 1개 증가하고 양성자 수가 1개 감소하므로, 질량수는 변하지 않고 원자번호가 1 감소한다.

: p\ + {\it{e}^-} -> n\ + \nu_e

쿼크 수준에서는

: u\ + {\it{e}^-} -> d\ + \nu_e

궤도에 생긴 빈자리에는 그 바깥쪽 전자 궤도에서 전자가 전이하여, 궤도의 에너지 차이에 상당하는 파장의 X선(특성 X선)이 방출된다. 또한, 더 높은 준위의 궤도 전자가 이 에너지를 받아 원자 외부로 방출되는 오제 전자도 관측된다.

전자 포획의 빈도는 화학 결합이나 압력 등의 외부 영향을 받아 약간 변한다. 예를 들어 베릴륨-7은 금속 상태의 반감기와 비교하여, 플루오르화물에서는 0.074% 길어진다. 또한, 베릴륨-7 원자를 풀러렌(C₆₀)의 내부에 가두면 반감기가 0.83% 짧아진다는 보고가 있다.^[10]

화학 결합은 또한 핵에 대한 전자의 근접성에 따라 전자 포획 속도에 약간의 영향을 미친다(일반적으로 1% 미만). 예를 들어, ⁷Be에서 금속 환경과 절연 환경의 반감기 차이가 0.9% 관찰되었다.^[9] 이 비교적 큰 효과는 베릴륨이 작은 원자이며 핵에 가까운 원자가 전자를 사용하고 궤도 각운동량이 없는 궤도에 있는 사실 때문이다. '''s''' 궤도(껍질이나 주요 양자수에 관계없이)의 전자는 핵에서 확률 배강을 가지므로 '''p''' 또는 '''d''' 전자(핵에서 확률 마디를 가짐)보다 전자 포획을 받기 훨씬 더 쉽다.

5. 전자 포획의 예시

포획되는 전자는 원자 자체의 전자 중 하나이며, 아래 반응식에서 암시하는 것처럼 새로운 유입 전자가 아니다. 전자 포획의 몇 가지 예는 다음과 같다.

전자 포획에 의해서만 붕괴하는 몇 가지 일반적인 방사성 동위원소는 다음과 같다.

전체 목록은 핵종표를 참조하면 된다.

6. 응용 분야

전자포획형 검출기와 광자극 루미네선스(OSL)는 원자핵의 전자 포획과는 다른 현상을 이용한다. 광자극 루미네선스(OSL)는 광루미네선스와 열루미네선스의 범주에 속한다. 전자 포획을 하는 방사성 동위원소는 핵의학에서 진단 및 치료에 사용된다. (예: 갈륨-67, 요오드-123) 또한 전자 포획은 기초 과학에서 원자핵 구조 및 붕괴 과정 연구에 중요한 정보를 제공한다.

6. 1. 대한민국의 응용 사례

참조

_[1] 서적 An introduction to nuclear physics https://archive.org/[...] Cambridge University Press
_[2] 논문 The Reines-Cowan experiments: Detecting the poltergeist http://library.lanl.[...]
_[3] 서적 Discovering Alvarez: Selected works of Luis W. Alvarez, with commentary by his students and colleagues University of Chicago Press
_[4] 웹사이트 Luis Alvarez, biography http://nobelprize.or[...] 2009-10-07
_[5] 논문 Nuclear K Electron Capture
_[6] 논문 Electron Capture and Internal Conversion in Gallium 67
_[7] 논문 The capture of orbital electrons by nuclei
_[8] 논문 Manipulation of Nuclear Lifetimes in Storage Rings http://www.ca.infn.i[...]
_[9] 논문 Change of the ⁷Be electron capture half-life in metallic environments
_[10] 논문 Enhanced Electron-Capture Decay Rate of ⁷Be Encapsulated in C₆₀ Cages
_[11] 논문 電子捕獲型検出器を用いるガスクロマトグラフィーによる魚介類中のトリブチルスズ化合物の定量 https://doi.org/10.2[...]
_[12] 논문 電子捕獲ガスクロマトグラフィーによる米粒中のBHCの定量 農薬の残留分析に関する研究(第4報) https://doi.org/10.2[...]
_[13] 웹사이트 放射線診療技術研修支援システム http://www.020329.co[...] 日本獣医師会
_[14] 간행물 外部被ばく個人線量測定用OSL線量計の諸特性 https://jopss.jaea.g[...] 日本原子力研究開発機構
_[15] 웹사이트 OSL線量計（InLight、Albedo、nanoDot） https://www.nagase-l[...] 長瀬ランダウア株式会社
_[16] 논문 石英・長石を試料とした光励起ルミネッセンス年代測定法の基礎研究 https://doi.org/10.3[...]
_[17] 논문 光ルミネッセンスと熱ルミネッセンスを利用した活断層破砕帯の年代測定法 https://doi.org/10.5[...]
_[18] 논문 浅海成堆積物のOSL年代測定 https://doi.org/10.4[...]