방사성 붕괴는 불안정한 원자핵이 에너지를 방출하며 더 안정적인 상태로 변환되는 현상이다. 앙리 베크렐과 마리 퀴리에 의해 독립적으로 발견되었으며, 알파 붕괴, 베타 붕괴, 감마 붕괴 등 여러 종류가 있다. 방사성 붕괴는 원자핵 내부의 양성자와 중성자 간의 힘의 불균형으로 인해 발생하며, 붕괴 속도는 붕괴 상수, 반감기, 평균 수명 등의 개념으로 표현된다. 방사성 붕괴는 연대 측정, 의학, 산업 등 다양한 분야에 응용되며, 방사선 피폭의 위험성을 고려하여 안전 관리가 중요하다.
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거듭제곱 - 지수 함수 지수 함수는 양의 상수 *a*를 밑으로 하는 *y = ax* 형태의 함수이며, 특히 자연로그의 역함수인 *ex*는 다양한 정의와 응용을 가지며 복소수로 확장될 수 있다.
거듭제곱 - 반감기 반감기는 어떤 양이 원래 값의 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 의미하며, 방사성 붕괴, 화학 반응 등 다양한 분야에서 활용되고 방사성 동위원소의 안정성을 나타내는 지표이다.
방사능 - 방사성 탄소 연대 측정 방사성 탄소 연대 측정은 윌러드 리비가 1949년에 발견한 유기 물질 연대 측정 방법으로, 탄소-14의 방사성 붕괴를 이용하여 최대 6만 년까지의 연대를 측정하며, 고고학 유물 연대 측정에 주로 사용된다.
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방사성 붕괴
개요
방사성 붕괴 모식도. 불안정한 원자핵은 붕괴하여 방사선을 방출하고, 더 안정적인 형태로 변환된다.
베타 마이너스 붕괴: 전자와 반중성미자 방출 베타 플러스 붕괴 (양전자 방출): 양전자와 중성미자 방출 전자 포획: 원자핵이 궤도 전자를 흡수
감마 붕괴 (γ)
감마선(고에너지 광자) 방출 (핵 이성질체 전이)
자발 핵분열
무거운 핵이 두 개 이상의 작은 핵으로 분열
기타 붕괴
중성자 방출 양성자 방출 클러스터 붕괴 이중 베타 붕괴 이성질핵 전이
물리학
핵력
핵자들을 결합시키는 힘
약한 상호작용
베타 붕괴를 매개하는 힘
기타
방사성 핵종
방사성 붕괴를 하는 핵종
붕괴 에너지
붕괴 과정에서 방출되는 에너지
붕괴 생성물
붕괴 결과 생성되는 핵종
방사성 연대 측정
방사성 동위원소를 이용하여 연대 측정
이온화 방사선
방사성 붕괴로 인해 발생하는 이온화 방사선의 위험성
2. 방사성 붕괴의 발견과 역사
앙리 푸앵카레는 X선에 대한 관심과 연구를 통해 방사능 발견의 씨앗을 뿌렸으며, 이는 물리학자 앙리 베크렐에게 큰 영향을 미쳤다.[5] 1896년 베크렐과 마리 퀴리는 인광 물질을 연구하던 중 방사능을 독립적으로 발견했다.[6][7][8][9][10] 베크렐은 빛에 노출된 후 어둠 속에서 빛을 내는 인광 물질이 X선과 관련이 있을 수 있다고 생각했다. 그는 검은 종이로 사진 건판을 감싸고 그 위에 다양한 인광성 염을 올려놓았는데, 우라늄 염을 사용할 때까지는 결과가 모두 음성이었다. 그러나 우라늄 염은 사진 건판이 검은 종이에 싸여 있었음에도 불구하고 건판을 검게 만들었다. 베크렐은 이 방사선을 "베크렐선"이라고 불렀다.
곧 사진 건판이 검게 되는 현상은 인광과는 전혀 관련이 없다는 것이 밝혀졌다. 우라늄의 비인광성 염과 금속 우라늄도 건판을 검게 만들었기 때문이다. 이러한 실험을 통해 종이를 통과하여 건판을 빛에 노출된 것처럼 반응하게 만드는 보이지 않는 방사선이 존재한다는 것이 밝혀졌다.
처음에는 이 새로운 방사선이 당시 최근에 발견된 X선과 유사한 것으로 보였다. 그러나 베크렐, 어니스트 러더퍼드, 폴 빌라르, 피에르 퀴리, 마리 퀴리 등의 추가 연구를 통해 이 방사능이 훨씬 더 복잡하다는 것이 밝혀졌다. 러더퍼드는 모든 방사성 원소가 동일한 수학적 지수 공식을 따른다는 것을 처음으로 발견했다. 또한 러더퍼드와 그의 제자 프레더릭 소디는 많은 붕괴 과정이 한 원소에서 다른 원소로 핵 변환을 일으킨다는 것을 발견했다. 이후, 알파 및 베타 붕괴의 생성물을 설명하기 위해 파얀스-소디의 방사성 변위 법칙이 공식화되었다.[11][12]
초기 연구자들은 우라늄 외에도 많은 다른 화학 원소들이 방사성 동위원소를 가지고 있다는 것을 발견했다. 피에르 퀴리와 마리 퀴리는 우라늄 광석의 총 방사능을 체계적으로 탐색하여 두 개의 새로운 원소인 폴로늄과 라듐을 분리했다. 라듐은 바륨과 화학적으로 유사하여 구별하기 어려웠지만, 라듐의 방사능 때문에 구별할 수 있었다.
1907년 이전 파리 연구실에서 피에르 퀴리와 마리 퀴리
마리 퀴리와 피에르 퀴리의 방사능 연구는 과학과 의학에 큰 영향을 미쳤다. 베크렐선의 연구를 통해 라듐과 폴로늄을 발견한 후, 그들은 일부 중원소의 이온화 방사선 방출을 정의하기 위해 "방사능"이라는 용어를 만들었다.[13][14] 이 용어는 이후 모든 원소로 일반화되었다. 우라늄에서 침투하는 방사선에 대한 그들의 연구와 라듐의 발견은 암 치료를 위해 라듐을 사용하는 시대를 열었으며, 핵 에너지의 최초의 평화적 이용이자 현대 핵의학의 시작으로 볼 수 있다.[13]
3. 방사성 붕괴의 원리
중성자와 양성자는 핵을 이루며, 핵에 접근하는 다른 입자들과 여러 상호작용을 한다. 거시적인 세계에서는 볼 수 없는 강한 핵력이 아원자 차원에서는 가장 강한 힘으로 작용한다. 전기력 또한 중요하며, 베타 붕괴의 경우에는 약한 핵력도 관여한다.[55]
이러한 힘들의 상호작용은 입자 재배열을 통해 에너지를 방출하는 다양한 현상을 일으킨다. 핵 입자 구성이 불안정하면, 약간의 이동만으로도 낮은 에너지 배열로 재배열하며 에너지를 방출한다. 이는 마치 산 위에 쌓인 눈과 같다. 얼음 결정 사이의 마찰력이 눈의 무게를 지탱하지만, 낮은 에너지 상태에 비해 불안정하다. 따라서 외란이 발생하면 더 큰 엔트로피 상태, 즉 바닥상태로 이동하며 열을 방출하고, 전체 에너지는 여러 양자 상태로 분산된다. 결국 눈사태가 발생한다. 이 과정에서 전체 에너지는 변하지 않지만, 엔트로피의 법칙에 따라 눈사태는 한 방향, 즉 "바닥상태"(최대 에너지가 분배될 수 있는 확률이 가장 높은 상태)로만 일어난다.
이러한 ''붕괴''에는 특정 활성화 에너지가 필요하다. 눈사태에서는 외부의 작은 외란이 이 에너지를 제공한다. 들뜬 원자핵의 경우, 양자 ''진공 요동(vacuum fluctuations)''이 임의적으로 작은 외란을 일으킨다. 방사성 원자(또는 양자 역학의 어떤 들뜬 계)는 불안정하여 ''자발적으로'' 덜 들뜬 계로 안정화된다. 이 변환은 핵 구조를 바꾸고, 전자, 알파 입자 등 질량을 가진 고속 입자나 광자를 방출한다.[56]
가장 흔하고 역사적으로 중요한 자연 방사성 붕괴는 알파 입자, 베타 입자, 감마선 방출을 포함하며, 각각은 방사능을 주로 담당하는 기본 상호작용에 해당한다.[55]
알파 붕괴는 핵 내 양성자 간 전자기적 반발력과 강한 핵력의 잔여물인 핵력 사이의 경쟁을 나타낸다. 알파 입자는 강하게 결합된 핵이므로 경쟁에서 이기는 경우가 많다.[56] 베타 붕괴는 중성자가 양성자로, 또는 그 반대로 변환되는 과정이다. 약력의 직접적인 발현이다.[56] 감마 붕괴는 들뜬 양자 상태에서 더 낮은 에너지 상태로의 전이에 해당하며, 다른 종류의 전자기 방출과 유사하다. 입자 붕괴 메커니즘은 종종 딸핵을 들뜬 상태로 남겨 감마선 방출을 통해 붕괴하게 한다.[56]
초기 연구자들은 전기장 또는 자기장이 방사성 방출을 세 가지 유형의 빔으로 나눌 수 있다는 것을 발견했다. 이 광선들은 물질을 관통하는 능력이 증가하는 순서대로 알파 입자, 베타 입자, 감마선으로 이름이 붙여졌다. 알파 붕괴는 원자 번호 52인 텔루륨 이상의 더 무거운 원소에서만 관찰되며, 베릴륨-8 (두 개의 알파 입자로 붕괴)은 예외이다. 다른 두 가지 유형의 붕괴는 모든 원소에서 관찰된다.[54]
붕괴 생성물의 성질을 분석하면서 외부 자기장과 전기장에 의해 방사선에 가해지는 전자기력의 방향으로부터 알파 입자는 양전하를 띠고, 베타 입자는 음전하를 띠며, 감마선은 중성이라는 것이 분명했다. 굴절의 크기로부터 알파 입자가 베타 입자보다 훨씬 더 질량이 크다는 것이 명확해졌다. 알파 입자를 매우 얇은 유리창을 통과시켜 방전관에 가두어 연구자들은 갇힌 입자의 방출 스펙트럼을 연구할 수 있었고, 궁극적으로 알파 입자가 헬륨 핵이라는 것을 증명했다.[54]
알파 붕괴는 강력 상호작용에 의해 발생하며, 두 개의 양성자와 두 개의 중성자를 포함하는 입자(헬륨 핵과 동일)가 모핵에서 빠져나오는 현상이다. 이 과정은 핵 내 양성자 간의 전자기적 반발력과 강력 상호작용의 잔여물인 매력적인 핵력 사이의 경쟁을 나타낸다. 알파 입자는 특히 강력하게 결합된 핵으로, 경쟁에서 더 자주 승리하도록 돕는다.[56]
4. 2. 베타 붕괴
베타 붕괴는 원자핵에서 전자(베타 마이너스 붕괴) 또는 양전자(베타 플러스 붕괴)와 중성미자가 방출되는 현상이다. 베타 붕괴는 중성자를 양성자로, 또는 그 반대로 변환한다. 모핵 내부의 중성자가 양성자로 붕괴되면 전자, 반중성미자 및 높은 원자 번호를 가진 핵종이 생성된다. 모핵 내의 양성자가 중성자로 변환되면 양전자, 중성미자 및 낮은 원자 번호를 가진 핵종이 생성된다. 이러한 변화는 약력의 직접적인 발현이다.[56]
초기 연구자들은 붕괴와 음극선에서 발생하는 베타 방사선이 고속 전자임을 보여주었다. 우주선 생성물에서 양전자가 발견된 직후, 고전적인 베타 붕괴에서 작동하는 동일한 과정이 중성미자와 함께 양전자를 생성할 수도 있다는 것을 깨달았다 (양전자 방출). (고전적인 베타 붕괴는 반중성미자를 생성한다.)[54]
4. 3. 감마 붕괴
중성자 수 ''N''과 원자 번호 ''Z''를 갖는 방사성 핵종의 붕괴 모드에 대한 전이 다이어그램 (표시된 것은 α, β±, p+, 및 n0 방출, EC는 전자 포획을 나타냅니다).
감마 붕괴는 들뜬 양자 상태와 더 낮은 에너지 상태 간의 전이로, 다른 종류의 전자기 방출과 유사하다. 입자 붕괴 메커니즘은 종종 딸핵을 들뜬 상태로 남겨두어 감마선 방출을 통해 붕괴된다.[56]
감마 붕괴는 거의 항상 다른 유형의 붕괴와 관련이 있으며, 거의 동시에 또는 그 후에 발생한다. 자체 반감기를 갖는 별도의 현상으로서의 감마 붕괴는 자연 방사성에서 다른 유형의 붕괴로 생성된 흥분된 준안정 핵 이성체의 감마 붕괴의 결과이다.
4. 4. 기타 붕괴
엔리코 페르미는 1932년 중성자가 발견된 직후, 특정 희귀한 베타 붕괴 반응에서 추가적인 붕괴 입자로 중성자가 즉시 생성된다는 것을 발견했다. 이를 베타 지연 중성자 방출이라고 불렀다. 중성자 방출은 보통 17N의 베타 붕괴로 생성된 들뜬 상태의 17O*와 같이 들뜬 상태의 핵에서 발생한다. 중성자 방출 과정 자체는 핵력에 의해 제어되므로 매우 빠르며, 때로는 "거의 즉각적"이라고 불린다. 일부 원소에서는 고립된 양성자 방출이 관찰되기도 했다. 또한, 일부 무거운 원소는 조성이 다양한 생성물로 자연 핵분열을 겪을 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 클러스터 붕괴라고 불리는 현상에서는 알파 입자(헬륨 핵) 이외의 특정 조합의 중성자와 양성자가 원자에서 자발적으로 방출된다.[57]
평균 수명 (τ): 방사성 입자가 붕괴하기 전까지 평균적으로 존재하는 시간으로 붕괴 상수(λ)의 역수이다.[67]
이러한 상수들은 원자 집단의 통계적 행동과 관련이 있으며, 많은 수의 원자에 대해서는 정확한 예측을 제공하지만, 적은 수의 원자에 대해서는 정확도가 떨어진다.
방사성 붕괴를 겪고 있는 많은 동일한 원자의 시뮬레이션. 4개의 원자(왼쪽) 또는 400개의 원자(오른쪽)에서 시작. 맨 위의 숫자는 반감기가 몇 번 지났는지를 표시한다.
5. 1. 반감기
방사성 핵종의 샘플에서, 반감기는 그 방사성 원자핵의 절반이 붕괴하는데 걸리는 시간이다. 반감기는 붕괴 상수와 다음과 같은 관계를 갖는다.[67]
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이 관계는 저준위 방사성 물질은 더 오래 남는 반면에 고준위 방사성 물질은 빨리 없어진다는 것을 보여준다. 알려진 방사성 핵종의 반감기는 1019 년(209Bi와 같이 거의 안정한 핵종)부터 10−23초까지 매우 다양하다. 위 관계식의 '''ln2'''라는 인자는, 반감기라는 개념이 단순히 입자 수명 관계식에서 자연 지수 '''e''' 대신에 다른 밑수를 선택하는 방법이기 때문에 나온 것이다. 시정수 '''τ'''는 수명의 "1/2"배(방사성 핵종의 50%가 남아있는 시간)가 아니라 수명의 "1/e"배(방사성 핵종의 1/e = 약 36.8%가 남아있는 시간)이다. 따라서 다음의 방정식이 유효함을 쉽게 보일 수 있다.[67]
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방사성 붕괴가 일정한 확률을 가지는 지수적 현상이기 때문에, 각각의 반응이 또 다른 시간 간격을 통해서 표현될 수 있다. 예를 들면 "1/3 수명"(1/3이 남을 때까지 걸리는 시간)이나 "1/10 수명"(1/10이 남을 때까지 걸리는 시간) 등등으로 표현될 수 있다. 따라서 '''τ'''과 '''t½'''을 표지가 되는 시간으로 선택한 것은 단순히 편의를 위해서이고, 관습에 따르는 것이다. 그러한 상수들은 주어진 방사성 물질의 ''일정한 비율''이 붕괴한다는 기본적인 원칙을 반영할 따름이다.[67]
5. 2. 붕괴 상수
불안정한 원자핵의 붕괴는 완전히 무작위적이어서 특정 원자가 언제 붕괴할지를 예측하는 것은 불가능하다.[67] 그러나 붕괴는 언제나 일정한 비율로 일어난다. 따라서 특정 방사성 동위원소 시료가 주어지면, 짧은 시간 간격 ''dt'' 동안 일어나는 붕괴 반응의 수 ''dN''은 현재 존재하는 원자의 수에 비례한다. ''N''을 원자의 수라고 하면, 붕괴 확률 (-''dN''/''N'')은 ''dt''에 비례한다.
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방사성 핵종은 서로 다른 속도로 붕괴하며, 각각 자신만의 붕괴 상수(''λ'')를 가진다. 음의 부호는 ''N''이 붕괴 반응에서 줄어드는 것을 나타낸다. 이 일차 미분 방정식의 해는 다음의 함수로 주어진다.
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여기서 ''N''0은 초기(''t'' = 0)의 ''N''이다. 두 번째 방정식은 붕괴 상수 ''λ''가 1/시간의 차원(단위)을 가지는 것을 알려주고, 따라서 1/''τ''로 표현할 수도 있다. 여기서 ''τ''는 반응을 특징짓는 시간이다. 이 특징적인 시간은 그 반응의 시정수라고 불린다. 방사성 붕괴에서, 반응의 시정수는 붕괴하는 원자의 평균 수명이기도 하다. 각 원자는 붕괴할 때까지 유한한 시간동안 살아있고, 평균 수명은 모든 원자의 수명의 산술 평균이 된다. 그리고 ''τ''는 다음과 같은 붕괴 상수와의 관계를 가진다.
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앞의 지수 함수가 일반적으로 지수적 감쇠의 결과를 나타낸다. 그러나 두 가지 이유에서, 그것은 근사해일 뿐이다. 첫째로, 지수 함수는 연속적이지만, 물리량 ''N''은 음이 아닌 정수다. 두 번째로, ''무작위적 과정(random process)''을 표현하는 것이기 때문에, 함수는 통계적 참일 뿐이다. 그러나 대부분의 경우, ''N''은 극히 큰 수(아보가드로의 수에 상응하는 수준의 수)이고, 지수 함수는 훌륭한 근사이다.
방사성 물질의 붕괴 속도 또는 방사능(activity)은 다음과 같은 특성을 갖는다.
상수:
반감기 — 기호 ''t''1/2 — 방사성 물질의 양이 그 초기량의 절반으로 감소하는데 걸리는 시간.
평균 수명 — 기호 ''τ'' — 방사성 입자의 평균 수명.
붕괴 상수(감쇠 상수) — 기호 ''λ'' — 평균 수명의 역수.
위의 양은 상수이긴 하지만, 수많은 원자들의 무작위적인 행동으로부터 통계적으로 얻는 값이다. 따라서 이 상수들로 얻는 예측은 적은 수의 원자에 대해서는 덜 정확하다.
시간에 따라 변하는 양:
총 방사능 — 기호 ''A'' — 매초 어떤 물체(샘플)에서 일어나는 붕괴 반응의 수
입자의 수 — 기호 ''N'' — 샘플안의 전체 입자(원자)의 수
비방사능(Specific activity) — 기호 ''SA'' — 단위 질량(또는 단위 부피)의 물질의 매초 붕괴 반응의 수
이러한 물리량은 다음과 같은 관계를 갖는다.:
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여기서 ''a''0는 방사능 물질의 초기량 (불안정한 원자의 비율이, 물질이 생성될 때의 비율과 동일한 물질일 때)
방사성 물질의 ''붕괴율'' 또는 ''활성''은 다음과 같은 시간에 무관한 매개변수로 특징지어진다.
''반감기'', ,는 주어진 양의 방사성 물질의 활성이 초기 값의 절반으로 붕괴되는 데 걸리는 시간이다.
''붕괴 상수'', "람다", 평균 수명의 역수( 단위)로, 때로는 단순히 ''붕괴율''이라고도 한다.
''비활성도'', ,는 시료의 물질량당 단위 시간당 붕괴 횟수로, 시간은 0으로 설정된다(). "물질량"은 초기 시료의 질량, 부피 또는 몰일 수 있다.
이들은 다음과 같이 관련되어 있다.
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여기서 ''N''0는 활성 물질의 초기 양, 즉 물질이 생성되었을 때와 동일한 비율의 불안정한 입자를 가진 물질이다.
단일 붕괴 해()의 경우:
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이 방정식은 붕괴 상수 의 단위가 이며, 따라서 1/로도 표시될 수 있음을 나타내며, 여기서 는 "시간 상수"라고 하는 과정의 특성 시간이다.
방사성 붕괴 과정에서 이 시간 상수는 붕괴하는 원자의 평균 수명이기도 하다. 각 원자는 붕괴되기 전에 유한한 시간 동안 "살아 있으며", 이 평균 수명이 모든 원자의 수명의 산술 평균이며, 이는 이고, 이는 붕괴 상수와 다음과 같이 관련되어 있음을 알 수 있다.
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이 형식은 또한 두 개의 붕괴 과정()에 동시에 적용되며, 붕괴 상수의 동등한 값을 삽입하면(위에서 제공됨)
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붕괴 해에 다음과 같은 결과를 낳는다.
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더 일반적으로 사용되는 매개변수는 반감기 입니다. 특정 방사성 핵종의 시료가 주어지면, 반감기는 핵종의 원자 절반이 붕괴되는 데 걸리는 시간입니다. 1차 붕괴 핵반응의 경우:
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반감기는 붕괴 상수와 다음과 같이 관련됩니다. 및 = 를 설정하여 다음을 얻습니다.
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반감기와 붕괴 상수 사이의 이러한 관계는 방사능이 높은 물질은 빠르게 소모되는 반면, 방사능이 약한 물질은 더 오래 지속된다는 것을 보여줍니다. 알려진 방사성 핵종의 반감기는 거의 54자릿수나 되며, 매우 안정적인 핵종 128Te의 경우 년(초) 이상에서 매우 불안정한 핵종 5H의 경우 초까지 다양합니다.[27]
위 관계식에서 의 인자는 "반감기"의 개념이 수명 표현식에 대한 자연 밑 이외의 다른 밑을 선택하는 방법일 뿐이기 때문입니다. 시간 상수 는 -수명, 즉 1/''e''만 남을 때까지의 시간이며, 이는 약 36.8%이며 핵종의 반감기인 50%보다 작습니다. 따라서 는 보다 깁니다. 다음 방정식이 유효함을 알 수 있습니다.
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방사성 붕괴는 일정한 확률로 지수적이므로, 각 과정은 (예를 들어) "(1/3)-수명"(1/3만 남을 때까지의 시간) 또는 "(1/10)-수명"(10%만 남을 때까지의 기간) 등을 제공하는 다른 상수 시간 기간으로 쉽게 설명될 수 있습니다. 따라서, 마커 시간으로 와 ,는 편의상 선택된 것이며 관례에 따른 것입니다. 이것들은 주어진 방사성 물질의 ''동일한 비율''이, 어떤 기간이든 붕괴될 것이라는 것을 보여주는 정도까지 근본적인 원리를 반영합니다.
수학적으로 위 상황에 대한 수명은 위와 동일한 방식으로 찾을 수 있습니다'''', 을 설정하고 붕괴 해에 대입하여 다음을 얻습니다.
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5. 3. 평균 수명
방사성 붕괴에서, 반응의 시정수는 붕괴하는 원자의 평균 수명이다. 각 원자는 붕괴할 때까지 유한한 시간동안 살아있고, 평균 수명은 모든 원자의 수명의 산술 평균이 된다. 그리고 ''τ''는 다음과 같은 붕괴 상수와의 관계를 가진다.[67]
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방사성 물질의 '''붕괴 속도''' 또는 '''방사능'''(activity)은 다음과 같은 특성을 갖는다.
'''상수''':
반감기 — 기호 ''t''1/2 — 방사성 물질의 양이 그 초기량의 절반으로 감소하는데 걸리는 시간.
평균 수명 — 기호 ''τ'' — 방사성 입자의 평균 수명.
붕괴 상수(감쇠 상수) — 기호 ''λ'' — 평균 수명의 역수.
위의 양은 상수이지만, 수많은 원자들의 무작위적인 행동으로부터 통계적으로 얻는 값이다. 따라서 이 상수들로 얻는 예측은 적은 수의 원자에 대해서는 덜 정확하다.
이들은 다음과 같이 관련되어 있다.
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단일 붕괴 해의 경우:
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이 방정식은 붕괴 상수 λ의 단위가 ''t''−1이며, 따라서 1/''τ''로도 표시될 수 있음을 나타내며, 여기서 ''τ''는 "시간 상수"라고 하는 과정의 특성 시간이다.
방사성 붕괴 과정에서 이 시간 상수는 붕괴하는 원자의 평균 수명이기도 하다. 각 원자는 붕괴되기 전에 유한한 시간 동안 "살아 있으며", 이 평균 수명이 모든 원자의 수명의 산술 평균이며, 이는 ''τ''이고, 이는 붕괴 상수와 다음과 같이 관련되어 있음을 알 수 있다.
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6. 붕괴 계열
불안정한 원자핵은 여러 번의 붕괴를 거쳐 안정한 원자핵으로 변환될 수 있다. 이러한 연속적인 붕괴 과정을 '''붕괴 계열'''이라고 한다. 방사성 붕괴 사건의 딸 핵종 역시 불안정(방사성)할 수 있으며, 이 경우 딸 핵종 또한 붕괴하여 방사선을 생성한다. 그 결과로 생성된 두 번째 딸 핵종 또한 방사성을 띨 수 있다. 결국에는 안정된 핵종이 생성된다. 알파 붕괴의 결과로 생성된 모든 붕괴 딸 핵종은 헬륨 원자를 생성한다.
일부 방사성 핵종은 여러 가지 붕괴 경로를 가질 수 있다. 예를 들어, 비스무트-212의 일부[27]는 알파 방출을 통해 탈륨-208로 붕괴하는 반면, 비스무트-212의 일부[27]는 베타 방출을 통해 폴로늄-212로 붕괴한다. 탈륨-208과 폴로늄-212는 모두 비스무트-212의 방사성 딸 생성물이며, 둘 다 직접 안정적인 납-208로 붕괴한다.
7. 방사성 붕괴의 응용
방사성 붕괴는 다양한 분야에서 활용된다.
'''레디오아이소토픽 레이블링 (방사성동위원소를 이용한 표식법)''': 복잡한 시스템(살아있는 유기체 등)에서 화학 물질의 이동 경로를 추적하는 데 사용된다. 불안정한 원자들을 높은 농도로 포함한 샘플을 합성하여, 붕괴 반응을 검출함으로써 시스템 내 물질의 존재 여부를 판단할 수 있다.
'''하드웨어 난수 생성기''': 방사성 붕괴가 완전히 무작위(드물게 혼돈 상태)라는 전제 아래에 응용된다.
'''물질의 연대 측정''': 방사성 붕괴 반응이 시간에 따라 크게 변하지 않는다는 점을 이용하여 특정 물질의 연대를 측정하는 데 사용된다. 방사성 동위원소와 그 붕괴 생성물이 바위가 응고될 때 갇히는 현상을 이용하며, 여러 검증 방법을 통해 확인한다.
7. 1. 연대 측정
방사성 붕괴는 특정 물질의 연대를 측정하는 데 유용하게 사용된다. 방사성 동위원소와 그 붕괴 생성물은 암석이 굳을 때 갇히게 되는데, 이를 이용하여 암석이 굳은 시기를 추정할 수 있다. 이 방법은 여러 검증 과정을 거쳐야 한다.
유기 물질의 연대 측정에는 탄소-14가 사용된다. 유기물이 성장하면서 공기 중의 탄소-14를 흡수하는데, 이후 탄소-14의 양은 붕괴 과정을 통해 감소한다. 탄소-14는 반감기가 5700(±30)년[27]이며, 자연 탄소 1g당 분당 14 붕괴(dpm)의 붕괴율을 가진다.
예를 들어, 어떤 유물에서 현재 탄소 1g당 4 dpm의 방사능이 검출된다면, 다음과 같은 방정식을 사용하여 그 물체의 대략적인 나이를 계산할 수 있다.
:
여기서:
:
이러한 방사성 동위원소를 이용한 연대 측정법은 탄소-14 연대 측정법 등 다양한 방법으로 활용된다.
7. 2. 의학적 이용
방사성 붕괴는 살아있는 유기체와 같은 복잡한 시스템에서 화학 물질의 이동 경로를 추적하는 데 사용되는 방사성 동위 원소 표지 기술에 활용된다. 이 방법은 불안정한 원자를 높은 농도로 포함하는 샘플을 합성하고, 붕괴 반응을 검출하여 시스템 내에서 물질의 존재 여부를 확인한다.[27] 이러한 방사성 동위 원소 표지 기술은 핵의학 분야에서 질병을 진단하고 치료하는 데 사용된다.
7. 3. 산업적 이용
방사성 붕괴는 복잡한 시스템에서 화학 물질의 이동 경로를 추적하는 방사성 동위 원소 표지 기술에 응용된다.[27] 예를 들어, 살아있는 유기체와 같은 시스템에서 특정 물질의 존재 여부는 붕괴 사건의 위치를 감지하여 확인할 수 있다.
또한 방사성 붕괴는 특정 물질의 절대 연대를 추정하는 데에도 유용한 도구로 사용된다.[27] 지질 물질의 경우, 방사성 동위 원소와 그 붕괴 생성물은 암석이 굳을 때 갇히게 되며, 이를 통해 암석이 굳은 시기를 추정할 수 있다.
7. 4. 기타 응용
방사성 붕괴는 하드웨어 난수 생성기, 실라르드-찰머스 효과 등에 응용된다.[30][31][32]
방사성 붕괴는 복잡한 시스템에서 화학 물질의 이동 경로를 추적하기 위한 레디오아이소토픽 레이블링(radioisotopic labeling, 방사성동위원소를 이용한 표식법)에 응용된다. 불안정한 원자들을 높은 농도로 포함한 샘플을 합성하여, 붕괴 반응을 검출함으로써 시스템의 임의의 부분에서 물질의 존재 여부를 판단할 수 있다.
방사성 붕괴는 완전히 무작위(드물게 혼돈 상태)라는 전제 아래에, '''하드웨어 난수 생성기'''에 응용된다.
실라르드-찰머스 효과는 방사성 붕괴로 전달된 운동 에너지로 인해 화학 결합이 파괴되는 현상이다. 이 현상은 원자가 중성자를 흡수하고 감마선을 방출하면서 상당한 양의 운동 에너지를 동반할 때 발생한다. 이 운동 에너지는 뉴턴의 제3법칙에 따라 붕괴하는 원자를 뒤로 밀어내어 화학 결합을 파괴할 만큼 충분한 속도로 이동하게 한다.[30] 이 효과는 화학적 수단을 통해 동위원소를 분리하는 데 사용될 수 있다. 1934년 레오 실라르드와 토머스 A. 찰머스는 중성자 폭격 후 액체 요오드화 에틸에서 결합이 파괴되어 방사성 요오드를 제거할 수 있다는 것을 관찰했다.[31][32]
8. 방사능의 위험성과 안전 관리
방사성 물질의 위험도 분류 기호
알파 입자는 종이 한 장으로, 베타 입자는 알루미늄 판으로 막을 수 있지만, 감마선은 매우 두꺼운 납과 같은 물질로만 줄일 수 있다.
방사능과 방사선의 위험은 즉각적으로 인식되지 않았다. 1896년, 전기 공학자이자 물리학자인 니콜라 테슬라는 자신의 손가락에 X-선을 의도적으로 쪼였을 때 X-선으로 인한 극심한 영향을 처음으로 관찰했다. 그는 화상의 이유가 X-선보다 오존 때문일 것이라고 추정했지만, 관찰 내용을 출판했고 부상은 후에 치료되었다.
암 발생률을 포함한 방사선의 유전적 효과는 훨씬 후에 인식되었다. 1927년 허먼 조지프 멀러는 유전적 효과를 보여주는 연구 결과를 출판했고, 1946년에 이 발견으로 노벨상을 받았다.
방사선의 생물학적 효과가 알려지기 전, 많은 내과 의사들과 기업들은 방사성 물질을 특허 약품과 방사성 엉터리 치료제로 판매하기 시작했다. 마리 퀴리는 방사선이 인체에 미치는 영향이 아직 밝혀지지 않았다고 경고하며 이러한 치료법에 반대했다. 1930년대에 엉터리 치료제 애호가들의 뼈 조직 괴사와 사망 사례가 많이 발생한 후, 라듐 함유 의약품은 시장에서 거의 사라졌다.[19]
빌헬름 뢴트겐이 X선을 발견한 지 불과 1년 만인 1896년, 미국의 엔지니어 볼프람 푹스는 최초의 방호 권고를 했지만, 국제 방호 기준 수립을 고려한 최초의 국제 방사선 학회(ICR)는 1925년에야 개최되었다. 암 위험을 포함한 방사선이 유전자에 미치는 영향은 훨씬 나중에 인식되었다. 1927년 헤르만 조셉 뮬러는 유전적 영향에 대한 연구를 발표했고, 1946년에는 이 발견으로 노벨 생리학·의학상을 수상했다.
1928년 스톡홀름에서 열린 두 번째 ICR에서는 뢴트겐 단위 채택을 제안하고 국제 X선 및 라듐 방호 위원회(IXRPC)를 결성했다. 롤프 시버트가 위원장으로 임명되었고, 위원회는 1931년, 1934년, 1937년에 회의를 개최했다.
제2차 세계 대전 이후 군사 및 민간 원자력 프로그램으로 인해 취급되는 방사성 물질의 범위와 양이 증가하면서, 많은 직업 근로자와 대중이 유해한 수준의 이온화 방사선에 노출될 가능성이 커졌다. 1950년 런던에서 열린 종전 후 첫 번째 ICR에서 현재의 국제 방사선 방호 위원회(ICRP)가 탄생했다.[19] ICRP는 이후 방사선 위험의 모든 측면을 다루는 현재의 국제 방사선 방호 시스템을 개발해왔다.
2020년, 하우프트만과 8개국 출신의 15명의 국제 연구원들은 메타 분석을 통해 "저선량"으로 인한 손상을 연구했다. 이는 히로시마·나가사키 원자 폭탄 투하 생존자와 여러 원자력 발전소 사고에서 발생했다. 이 과학자들은 ''JNCI Monographs: Epidemiological Studies of Low Dose Ionizing Radiation and Cancer Risk''에서 새로운 역학 연구가 저선량 이온화 방사선으로 인한 과도한 암 위험을 직접적으로 뒷받침한다고 보고했다.[20] 2021년, 이탈리아 연구원 세바스티아노 벤투리는 방사성 세슘과 췌장암 사이의 첫 번째 상관관계를 보고했다.[21]
방사성 물질 또는 이온화 방사선의 존재를 경고하는 데 사용되는 삼엽체 기호
8. 1. 방사선의 위험성
1896년 초기 크룩스관 장치로 X선 이미지를 촬영하는 모습이다. 중앙에 크룩스관이 보이고, 서 있는 남자는 형광 투시경 화면으로 손을 보고 있다. 당시에는 방사선 노출에 대한 예방 조치가 전혀 이루어지지 않았고, 그 위험성도 알려지지 않았다.
방사능과 X선으로 인한 이온화 방사선의 위험성은 즉시 인식되지 않았다. 1895년 빌헬름 뢴트겐이 X선을 발견하면서 과학자, 의사, 발명가들 사이에서 광범위한 실험이 이루어졌다. 1896년부터 많은 사람들이 기술 저널에 화상, 탈모 등 심각한 부작용에 대한 보고를 하기 시작했다.
그해 2월, 밴더빌트 대학교의 다니엘 교수와 더들리 박사는 더들리의 머리에 X선을 쪼이는 실험을 진행했고, 그 결과 더들리는 탈모를 겪었다. H.D. 호크스 박사가 X선 시연 중 손과 가슴에 심각한 화상을 입었다는 보고는 ''전기 검토(Electrical Review)''에 실린 수많은 보고 중 첫 번째였다.[15]
엘리후 톰슨과 니콜라 테슬라를 포함한 다른 실험자들도 화상을 보고했다. 톰슨은 의도적으로 손가락을 일정 시간 X선 튜브에 노출시켰고, 통증, 부어오름, 물집이 생기는 증상을 겪었다.[16] 자외선과 오존을 포함한 다른 영향들이 피해의 원인으로 지목되기도 했으며,[17] 많은 의사들은 여전히 X선 노출로 인한 영향은 전혀 없다고 주장했다.[16]
이러한 상황에도 불구하고, 몇몇 초기 체계적인 위험 조사가 이루어졌다. 1902년 윌리엄 허버트 롤린스는 X선의 부주의한 사용과 관련된 위험에 대한 자신의 경고가 산업계나 동료들에게 무시되고 있다는 사실에 절망적인 어조로 글을 썼다. 롤린스는 X선이 실험 동물을 죽일 수 있고, 임신한 기니피그를 유산시킬 수 있으며, 태아를 죽일 수 있다는 것을 증명했다. 그는 또한 "동물들은 X선의 외부 작용에 대한 민감도가 다르다"고 강조하며, X선을 사용하여 환자를 치료할 때 이러한 차이점을 고려해야 한다고 경고했다.
방사능은 원자 번호가 큰 원소의 특징이다. 최소 하나의 안정 동위원소를 가진 원소는 밝은 파란색으로 표시된다. 녹색은 가장 안정적인 동위원소의 반감기가 수백만 년인 원소를 나타낸다. 노란색과 주황색은 점차 덜 안정적이며 반감기는 수천 년 또는 수백 년에서 하루까지이다. 빨간색과 보라색은 가장 안정적인 동위원소의 반감기가 하루 정도 또는 훨씬 짧게 측정되는 매우 방사성이 높은 원소를 나타낸다.
방사성 물질로 인한 방사선의 생물학적 영향은 측정하기 더 어려웠다. 이로 인해 많은 의사와 기업들이 방사성 물질을 특허 의약품으로 판매하는 경우가 있었다. 예를 들어 라듐 관장 치료법과 강장제로 마시는 라듐 함유 물이 있었다. 마리 퀴리는 이러한 종류의 치료법에 대해 "라듐은 훈련받지 않은 손에서는 위험하다"고 경고했다.[18] 퀴리는 훗날 재생 불량성 빈혈로 사망했는데, 이는 이온화 방사선에 노출된 것이 원인일 가능성이 높다. 1930년대에 여러 건의 골 괴사 및 라듐 치료 애호가의 사망 사례가 발생한 후, 라듐 함유 의약품은 시장에서 대거 철수되었다 (방사능 돌팔이 치료).
8. 2. 한국의 방사능 안전 관리
방사선을 쬠을 피폭이라고 한다. 피폭선량에 따라서는 방사선 장애라고 불리는 영향이 신체에 나타나는 경우가 있다.
8. 3. 방사능 측정 단위
앙리 베크렐을 기리는 베크렐(Bq)은 국제 단위계(SI)에서 방사능의 단위이다. 1 Bq는 초당 1번의 변환(또는 붕괴)으로 정의된다.
방사능의 이전 단위는 큐리(Ci)이며, 원래 "1그램의 라듐(원소)과 평형 상태에 있는 라듐 에머네이션의 양 또는 질량"으로 정의되었다.[22] 오늘날 큐리는 초당 번의 붕괴로 정의되며, 1 큐리(Ci) = 이다. 방사선 방호 목적을 위해, 미국 원자력 규제 위원회는 SI 단위와 함께 큐리 단위의 사용을 허용하지만,[23]유럽 연합 유럽 측정 단위 지침은 "공중 보건...목적"을 위해 1985년 12월 31일까지 사용을 단계적으로 중단하도록 요구했다.[24]
이온화 방사선의 영향은 기계적 손상에는 그레이 단위, 조직 손상에는 시버트 단위로 측정되는 경우가 많다.
방사성 물질의 ''붕괴율'' 또는 ''활성''은 다음과 같은 시간에 무관한 매개변수로 특징지어진다.
''반감기'' ()는 주어진 양의 방사성 물질의 활성이 초기 값의 절반으로 붕괴되는 데 걸리는 시간이다.
''붕괴 상수'' () "람다"는 평균 수명의 역수( 단위)로, 때로는 단순히 ''붕괴율''이라고도 한다.
일반적으로 방사성 물질의 단위 시간당 방사성 붕괴하는 원자 수(방사성 붕괴 속도)를 해당 방사성 물질의 방사능이라고 하며, 단위로는 베크렐(Bq)이 사용된다. 베크렐 이전에 사용되었던 단위이며, 현재 보조 단위로 사용되고 있는 큐리(Ci)도 있다.
;베크렐 (Bq)
:방사성 물질이 1초당 붕괴하는 '''원자 수''' (d/sec)의 단위를 '''베크렐'''(기호: Bq)이라고 한다. 매초 붕괴(붕괴) 수 (dps; decay per second) 등으로 불리기도 했다.
;큐리 (Ci) (보조 단위, 구 단위)
:역사적인 이유로, 방사성 물질인 라듐 1 g이 1초 동안 붕괴하는 원자 수 (d/sec, Bq)를 기준으로 정해진 방사능의 단위를 큐리(기호: Ci)라고 한다. 1 Ci(큐리)는 베크렐(Bq)을 기준으로 다음과 같이 정해진다.
::1 Ci = Bq (370억 베크렐)
:또한, 1 베크렐은 큐리이다.[65] 큐리는 현재에도 보조 단위로 사용되고 있다.
9. 방사성 핵종의 기원
빅뱅 핵합성에 따르면, 우주 초기에는 수소, 헬륨, 리튬과 같은 가벼운 원소들의 안정 동위 원소가 생성되었다. 이 가벼운 안정 핵종들은 현재까지 남아있지만, 빅뱅에서 생성된 가벼운 원소의 방사성 동위원소(예: 삼중수소)는 오래전에 붕괴되었다. 붕소보다 무거운 원소들은 빅뱅에서 생성되지 않았으며, 초기 다섯 원소는 장수하는 방사성 동위원소를 가지고 있지 않다.
별 내부에서는 핵융합 반응을 통해 헬륨보다 무거운 원소들이 생성된다. 특히, 초신성 폭발은 더 무거운 원소들을 우주 공간으로 방출한다. 지구에서 발견되는 방사성 원시 핵종은 태양계가 형성되기 전에 발생한 고대 초신성 핵합성 폭발의 잔재이다. 이들은 원시 태양 성운의 형성, 행성 강착을 거쳐 현재까지 살아남은 방사성 핵종의 일부이다.
우주선이 지구 대기나 지각의 원소와 충돌하여 우주선 상호작용을 통해 방사성 핵종을 생성한다. 예를 들어, 탄소-14[27]는 우주선과 질소의 상호작용으로 인해 지구 상층 대기에서 끊임없이 생성된다.
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