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베타 입자

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목차

1. 개요

베타 입자는 방사성 붕괴의 한 유형으로, 전자(β⁻) 또는 양전자(β⁺)의 형태로 방출되는 고에너지 입자이다. β⁻ 붕괴는 중성자 과잉인 원자핵에서 중성자가 양성자, 전자, 반중성미자로 변환되는 현상이며, β⁺ 붕괴는 양성자 과잉인 원자핵에서 양성자가 중성자, 양전자, 전자 중성미자로 변환되는 현상이다. 베타 입자는 물질과의 상호작용을 통해 이온화 및 여기 작용을 일으키며, 알루미늄이나 플라스틱으로 차폐 가능하다. 베타 분광학은 베타 입자의 에너지 분포를 연구하는 학문이며, 붕괴 도표를 통해 핵 붕괴 과정을 분석한다. 베타 입자는 의료 분야에서 암 치료, 추적자, 품질 관리 등에 활용되며, 생체 조직에 해로운 영향을 미칠 수 있지만, 방사선 치료에도 사용된다.

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베타 입자
개요
중성자가 베타 붕괴할 때 고속으로 방출되는 전자 또는 양전자
중성자가 β 붕괴할 때 고속으로 방출되는 전자 또는 양전자
입자 정보
종류기본 입자
분류페르미온
그룹레프톤
세대1세대
상호작용약한 상호작용, 전자기 상호작용, 중력 상호작용
반입자해당 정보 없음
상태해당 정보 없음
이론해당 정보 없음
발견어니스트 러더퍼드(1898년)
기호해당 정보 없음
질량9.1093837015(28)×10−31 kg
평균 수명해당 정보 없음
붕괴 폭해당 정보 없음
붕괴 입자해당 정보 없음
전하±e
반지름해당 정보 없음
전기 쌍극자 모멘트해당 정보 없음
전기 분극률해당 정보 없음
자기 모멘트해당 정보 없음
자기 분극률해당 정보 없음
색전하없음
스핀1/2
스핀 상태해당 정보 없음
렙톤 수해당 정보 없음
중입자 수0
기묘도해당 정보 없음
맵시해당 정보 없음
바텀ness해당 정보 없음
톱ness해당 정보 없음
아이소 스핀해당 정보 없음
약한 아이소 스핀해당 정보 없음
약한 아이소 스핀 3해당 정보 없음
초전하해당 정보 없음
약한 초전하해당 정보 없음
카이랄성해당 정보 없음
B-L해당 정보 없음
X 전하해당 정보 없음
반전성해당 정보 없음
G 패리티해당 정보 없음
C 패리티해당 정보 없음
R 패리티해당 정보 없음
응축 대칭해당 정보 없음

2. 베타 붕괴의 종류

베타 붕괴는 원자핵 내부의 중성자나 양성자가 변환되면서 베타 입자를 방출하는 현상으로, 방출되는 입자의 종류에 따라 크게 두 가지로 나뉜다.


  • '''β⁻ 붕괴''' (베타 마이너스 붕괴): 중성자가 과도하게 많은 불안정한 원자핵에서 일어난다. 원자핵 안의 중성자 하나가 양성자로 변하면서 전자(음전하를 띤 베타 입자)와 전자 반중성미자를 방출한다. 이 과정은 약한 상호작용에 의해 일어난다. β⁻ 붕괴는 원자로에서 생성된 핵분열 생성물이나 자유 중성자의 붕괴 등에서 관찰된다.
  • '''β⁺ 붕괴''' (베타 플러스 붕괴): 양성자가 과도하게 많은 불안정한 원자핵에서 일어난다. 원자핵 안의 양성자 하나가 중성자로 변하면서 양전자(양전하를 띤 베타 입자)와 전자 중성미자를 방출한다. 이 붕괴는 붕괴 후 생성되는 딸핵이 붕괴 전 모핵보다 더 안정적인 상태(낮은 에너지 상태)일 때만 가능하다.


이처럼 베타 붕괴 과정에서 고속으로 방출되는 전자 또는 양전자를 베타 입자라고 한다. 열전자, 광전자, 오제 전자 등 다른 원인으로 방출된 전자는 베타 입자라고 부르지 않는다. 또한, 입자 가속기 등으로 가속된 고속의 전자는 전자선 또는 전자빔이라고 구별하여 부른다.

베타 입자는 입자로서 전자 또는 양전자와 완전히 동일한 페르미온이며, 같은 스핀과 질량을 가진다. β⁺ 붕괴에서 발생한 양전자는 주위의 전자와 만나 쌍소멸하면서 각각 0.511 MeV의 에너지를 가진 감마선 광자 두 개를 방출하기도 한다.

2. 1. β⁻ 붕괴 (전자 방출)

β⁻ 붕괴. 중성자가 양성자로 변하면서 전자(베타 입자)와 전자 반중성미자를 방출한다. 삽입 그림은 자유 중성자의 붕괴를 나타낸다.


원자핵이 β⁻붕괴하여 전자(베타 입자)를 방출하는 모습


중성자가 과도하게 많은 불안정한 원자핵은 β⁻ 붕괴를 일으킬 수 있다. 이 과정에서 원자핵 안의 중성자 하나가 양성자로 변하면서 전자 하나와 전자 반중성미자 하나를 방출한다.

:\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p} + \mathrm{e}^- + \bar{\nu}_e

이 붕괴는 약한 상호작용에 의해 일어난다. 중성자는 가상의 W⁻ 보손을 방출하며 양성자로 변환된다. 쿼크 수준에서 보면, 중성자(위 쿼크 1개, 아래 쿼크 2개)를 구성하는 아래 쿼크 하나가 W⁻ 보손을 방출하고 위 쿼크로 변하면서 양성자(위 쿼크 2개, 아래 쿼크 1개)가 된다. 이후 방출된 가상의 W⁻ 보손은 즉시 전자와 전자 반중성미자로 붕괴한다.

β⁻ 붕괴는 원자로 내부에서 핵분열 결과 생성되는, 중성자가 풍부한 핵분열 생성물들에서 흔하게 관찰된다. 또한, 원자핵에 묶여있지 않은 자유 중성자도 이 과정을 통해 붕괴한다. 이러한 과정들은 핵연료 봉에서 많은 양의 베타선(전자)과 전자 반중성미자가 생성되는 주된 원인이 된다.

2. 2. β⁺ 붕괴 (양전자 방출)

양성자가 과잉된 불안정한 원자핵은 β+ 붕괴(베타 플러스 붕괴)를 할 수 있으며, 이를 양전자 붕괴라고도 부른다. 이 과정에서 원자핵 내부의 양성자 하나가 중성자, 양전자, 그리고 전자 뉴트리노로 변환된다.

: p → n + e+ + νe

: (양성자 → 중성자 + 양전자 + 전자 뉴트리노)

β+ 붕괴는 붕괴 후 생성되는 딸핵의 결합 에너지 절대값이 붕괴 전 모핵의 결합 에너지보다 클 때, 즉 딸핵이 더 낮은 에너지 상태(더 안정된 상태)일 때만 일어날 수 있다. β+ 붕괴 과정에서 방출되는 베타 입자는 양전하를 띤 양전자이다.

3. 다른 물질과의 상호작용

방사성 물질에서 방출되는 세 가지 일반적인 방사선, 즉 알파선, 베타선, 감마선 중에서 베타선은 투과력과 이온화 능력이 중간 정도이다. 서로 다른 방사성 물질에서 방출되는 베타 입자의 에너지는 다양하지만, 대부분의 베타 입자는 수 mm 두께의 알루미늄 판이나 약 1cm 두께의 플라스틱 판으로 차단할 수 있다.

왼쪽부터 알파 입자, 베타 입자, 감마선의 투과력 비교. 알파 입자는 종이, 베타 입자는 플라스틱 판, 감마선은 두꺼운 납판으로 차폐된다.


베타 입자는 전하를 가지고 있기 때문에 물질을 통과하면서 원자핵이나 궤도 전자와 전자기적 상호작용을 한다.

  • 궤도 전자와의 상호작용: 베타 입자는 물질 내 궤도 전자를 전리시키거나 여기시킨다. 이 과정에서 베타 입자는 에너지를 잃게 된다. 알파 입자와 비교하면 베타 입자의 전리 및 여기 작용은 상대적으로 약해서 한 번에 잃는 에너지가 적고, 따라서 알파 입자보다 더 긴 거리를 이동하며 넓은 범위에 영향을 미친다. 또한, 궤도 전자와의 상호작용(척력 또는 인력)으로 인해 베타 입자의 진행 경로는 직선이 아니라 구불구불하게 휘어진다.
  • 원자핵과의 상호작용: 베타 입자는 원자핵의 쿨롱장에 의해 강하게 휘어지면서 가속도를 얻게 되고, 이때 에너지를 잃으면서 제동 복사라는 X선을 방출한다. 이 현상은 베타 입자의 에너지가 높고 상호작용하는 물질의 원자 번호가 클수록 더 강하게 나타난다.


베타 입자가 원자와 상호작용하며 궤도가 휘어지는 모습


베타 입자를 차폐할 때는 이 제동 복사 현상을 고려해야 한다. 베타 입자 자체는 비교적 얇은 물질로 막을 수 있지만, 제동 복사로 인해 발생하는 X선은 투과력이 더 강하기 때문이다. 따라서 효과적인 차폐를 위해서는 먼저 플라스틱과 같이 원자 번호가 낮은 물질로 베타 입자를 막아 제동 복사 발생을 최소화하고, 이후 발생하는 X선은 납과 같이 원자 번호가 높은 물질로 차폐하는 이중 구조를 사용하는 것이 일반적이다.

물 속에서, 핵분열 생성물에서 방출된 고에너지 베타 입자는 물 속에서의 광속 (진공 중 광속의 약 75%)을 초과하는 속도로 이동할 수 있다.[4] 이 경우, 베타 입자는 푸른 빛을 내는 체렌코프 복사 현상을 일으킨다. 수영장형 원자로의 연료봉 주변에서 관찰되는 푸른 빛이 바로 이 체렌코프 복사이다.

트리가 원자로 풀에서 방출되는 푸른 체렌코프 복사. 고속 베타 입자가 물 속에서 빛보다 빠르게 이동하기 때문에 발생한다.

3. 1. 검출 및 측정

이소프로필알코올 윌슨 구름상자에서 검출된 베타 방사선 (인공 방사선원인 스트론튬-90 삽입 후)


베타 입자가 물질과 상호작용하며 일으키는 이온화 또는 여기(excitation) 현상은 방사선 측정 장비가 베타 방사선을 감지하고 그 양을 측정하는 기본적인 원리가 된다. 기체의 이온화 원리는 전리함이나 가이거-뮐러 계수기와 같은 장비에서 활용되며, 섬광체가 여기되는 현상은 섬광 계수기에서 사용된다.

다음 표는 이온화 방사선과 관련된 여러 물리량과 그 단위들을 보여준다. 국제단위계(SI) 단위와 과거에 사용되었던 비SI 단위가 함께 표시되어 있다.

이온화 방사선 관련 양
양단위기호유도연도SI 단위 환산값
방사능 (A)베크렐Bqs−11974SI 단위
퀴리Ci3.7 × 1010 s−119533.7 × 1010 Bq
러더퍼드Rd106 s−119461 × 106 Bq
조사선량 (X)쿨롱/킬로그램C/kgC⋅kg−1 of air1974SI 단위
뢰트겐Resu / 0.001293 g of air19282.58 × 10−4 C/kg
흡수선량 (D)그레이GyJ⋅kg−11974SI 단위
에르그/그램erg/gerg⋅g−119501.0 × 10−4 Gy
래드rad100 erg⋅g−119530.01 Gy
등가선량 (H)시버트SvJ⋅kg−1 × WR1977SI 단위
렘rem100 erg⋅g−1 × WR19710.01 Sv
유효 선량 (E)시버트SvJ⋅kg−1 × WR × WT1977SI 단위
렘rem100 erg⋅g−1 × WR × WT19710.01 Sv


  • 그레이(Gy)는 흡수선량의 SI 단위로, 방사선에 노출된 물질에 흡수된 에너지의 양을 나타낸다. 베타 방사선의 경우, 인체 조직에 미치는 확률적 생물학적 영향을 나타내는 등가선량의 단위인 시버트(Sv)와 수치적으로 동일하다. 이는 흡수선량에서 등가선량으로 변환할 때 사용되는 방사선 가중치(''W''''R'')가 베타 입자의 경우 1이기 때문이다. 반면, 알파 입자는 조직에 더 큰 이온화 효과를 주기 때문에 방사선 가중치가 20이다.
  • 래드(rad)는 흡수선량에 대한 과거 CGS 단위계 단위이며, 렘(rem)은 등가선량에 대한 과거 CGS 단위계 단위로 현재는 주로 미국에서 제한적으로 사용된다.

3. 2. 베타 분광학

개별 베타 입자가 가진 에너지는 베타 분광법(beta spectrometry)을 통해 측정된다. 이렇게 얻어진 에너지 분포를 스펙트럼으로 연구하는 학문 분야가 베타 분광학(beta spectroscopy)이다. 베타 입자의 에너지는 자기장 속에서 전자의 경로가 얼마나 휘어지는지를 측정하여 결정한다.[5]

4. 붕괴 도표

세슘-137 붕괴 방식도. 초기 베타 붕괴를 거치는 것을 보여준다. 137Cs와 관련된 661 keV 감마 피크는 실제로 딸 핵종에서 방출된다.


붕괴 도표는 방출되는 방사선의 종류와 에너지, 상대적인 양, 그리고 붕괴 후 생성되는 딸핵종 등의 정보를 보여준다. 예를 들어, 첨부된 그림은 세슘-137(137Cs)의 베타 붕괴 과정을 나타내는 붕괴 도표이다. 137Cs는 661 keV에서 특징적인 감마 피크를 보이는 것으로 잘 알려져 있지만, 이 감마선은 사실 137Cs 자체가 아니라 붕괴 후 생성된 딸 핵종인 137mBa에서 방출되는 것이다.

인-32(32P)는 의학 분야에서 널리 사용되는 베타 방출 동위원소이다. 반감기는 14.29일로 비교적 짧으며[3], 아래의 핵반응식처럼 베타 붕괴를 통해 황-32(32S)로 변환된다.

:32P → 32S + e- + ν̅e

이 붕괴 과정에서는 총 1.709 MeV의 에너지가 방출된다.[3] 방출된 전자(베타 입자)의 운동 에너지는 평균적으로 약 0.5 MeV이며, 나머지 에너지는 거의 검출하기 어려운 전자 반뉴트리노가 가지고 사라진다. 32P에서 방출되는 전자는 다른 베타 방출 핵종에 비해 상당히 높은 에너지를 가진다. 이 베타 입자는 공기 중에서는 약 1m, 아크릴 유리로는 약 5mm 두께로 차단될 수 있다.

5. 역사

앙리 베크렐은 우라늄에서 나오는 정체불명의 방사선을 발견하였다. 어니스트 러더퍼드는 이 방사선을 추가로 연구하여 1898년에 두 종류의 방사선, 즉 알파 입자와 베타 입자를 구분하고 각각 명명하였다. 그는 베타 입자가 검은 종이에 쉽게 흡수되는 알파 입자보다 100배 더 강한 투과력을 가지고 있음을 발견하였고, 이 연구 결과를 1899년에 발표하였다.[6]

1900년, 앙리 베크렐은 음극선 연구와 전자 확인에 사용되었던 J. J. 톰슨의 방법을 활용하여 베타 입자의 전하량 대 질량 비(''e''/''m'')를 측정하였다. 그는 베타 입자의 ''e''/''m'' 값이 톰슨이 발견한 전자의 값과 동일하다는 사실을 확인하였고, 이를 근거로 베타 입자가 실제로는 전자라고 제안하였다. 베타선을 이루는 입자인 전자는 1897년에 발견되었고, 양전자는 1932년에 발견되었다.

6. 이용

베타 입자는 다양한 분야에서 유용하게 사용된다.

산업 현장에서는 물질의 두께를 측정하거나 제품의 품질을 관리하는 데 베타 입자가 활용된다. 예를 들어, 종이를 생산할 때 롤러 사이를 통과하는 종이에 베타선을 쬐어 두께를 검사한다. 베타 입자 중 일부는 종이를 통과하면서 흡수되는데, 종이의 두께가 기준보다 두껍거나 얇으면 흡수되는 방사선의 양이 달라진다. 이를 감지하여 컴퓨터 프로그램이 롤러를 조절함으로써 일정한 두께의 종이를 생산하도록 제어한다.

베타라이트라고 불리는 특수한 조명 장치에도 베타 입자가 사용된다. 이 장치는 삼중수소(3H)와 형광체를 이용한다. 삼중수소가 붕괴하면서 방출하는 베타 입자가 형광체에 부딪히면, 형광체가 빛(광자)을 내는 원리이다. 이는 브라운관 텔레비전과 유사한 방식이다. 베타라이트는 외부 전원 공급 없이 삼중수소가 존재하는 동안 계속해서 빛을 낼 수 있다. 다만, 삼중수소의 반감기가 약 12.32년이므로 빛의 밝기는 시간이 지남에 따라 점차 감소하여 반감기마다 절반으로 줄어든다.

의료 분야에서도 베타 입자는 중요하게 활용된다. 눈이나 뼈암과 같은 특정 암 치료에 사용되기도 하며, 인체 내부를 관찰하기 위한 추적자로도 쓰인다. 스트론튬-90은 베타 입자를 생성하는 데 흔히 사용되는 물질 중 하나이다. 또한, 특정 방사성 추적자 동위 원소가 베타 플러스(β+) 붕괴를 할 때 방출되는 양전자는 양전자 방출 단층촬영(PET 스캔)의 핵심 원리가 된다. 베타 입자의 의료 분야 활용에 대한 더 자세한 내용은 아래 의료 이용 섹션에서 다룬다.

6. 1. 의료 이용

베타 입자는 암 치료나 인체 내부 관찰 등 의료 분야에서 다양하게 활용된다. 스트론튬은 베타 입자를 생성하는 대표적인 물질 중 하나이다. 또한, 방사성 추적자 동위원소의 β+붕괴는 양전자 방출 단층촬영(PET scan)에 필요한 양전자를 만드는 데 사용된다.

특히 베타선 방출 핵종은 베타선이 가진 강한 이온화 작용과 감마선이나 X선에 비해 비교적 짧은 비정(물질 내 이동 거리)을 이용해 암의 근접치료에 중요하게 사용된다. 근접치료는 방사성 동위원소를 인체 내부에 적용하는 방식에 따라 크게 밀봉 근접치료와 비밀봉 근접치료로 나눌 수 있다.

=== 밀봉 근접치료 ===

방사성 동위원소를 용기에 밀봉하여 종양 조직에 직접 삽입하거나(혀, 전립선 등) 종양 근처의 체강(식도, 질 등)에 넣는 방식이다. 사용되는 핵종의 특성에 따라 고선량률 조사와 저선량률 조사가 있다. 저선량률 선원은 종양 내에 오래 남아 지속적으로 베타선을 방출하는 반면, 고선량률 선원은 "RALS(Remote After-Loading System)"라는 장치를 이용해 단시간 동안만 조사한다.

밀봉 근접치료 사용 베타선 방출 핵종
핵종
125I
137Cs
192Ir
198Au



=== 비밀봉 근접치료 ===

방사성 동위원소 자체나 방사성 동위원소로 표지된 약제를 체내 또는 종양에 직접 투여하는 방식이다. 이를 RI 내복요법이라고도 한다.

비밀봉 근접치료 사용 베타선 방출 핵종 표지 약제
핵종약제명
131IBexxar
89SrMetastron
153SmQuadramet
90YZevalin
177LuDOTA-TATE(루타세라)



이 중 갑상선암 치료에 사용되는 131I는 베타선과 함께 감마선도 방출하기 때문에, 갑상선에 흡수된 방사성 요오드의 양을 정량적으로 평가할 수 있다는 특징이 있다.

최근에는 베타선보다 더 강한 이온화 작용을 하고 비정이 더 짧은 알파선을 방사선 치료에 이용하는 연구도 진행되고 있다.

7. 건강 영향

베타 입자는 물질을 관통하는 성질이 있으며, 생체 조직에 대해서는 중간 정도의 투과력을 가진다. 이 과정에서 분자의 구조를 변형시킬 수 있는데, 특히 DNA 분자 구조가 변형될 경우 자발적인 돌연변이를 일으킬 수 있다. 이러한 변화는 암이나 사망과 같은 심각한 건강 문제로 이어질 수 있다.

한편, 베타 입자의 이러한 세포 파괴 능력을 이용하여 방사선 치료 분야에서는 암세포를 죽이는 데 활용하기도 한다.

참조

[1] 웹사이트 Radiation Basics https://www.nrc.gov/[...] United States Nuclear Regulatory Com 2017-10-02
[2] 웹사이트 Beta Decay http://www.lbl.gov/a[...] United States Department of Energy 2000-08-09
[3] 웹사이트 Phosphorus-32 http://www.nucleide.[...] Laboratoire Nationale Henri Bequerel
[4] 문서 null
[5] 웹사이트 4. Beta Spectroscopy — Modern Lab Experiments documentation https://wanda.fiu.ed[...]
[6] 논문 Uranium radiation and the electrical conduction produced by it https://books.google[...] 2009-05-08
[7] 웹사이트 CODATA Value: electron mass https://physics.nist[...] NIST 2019-05-20
[8] 웹사이트 CODATA Value: electron mass energy equivalent in MeV https://physics.nist[...] NIST 2019-05-20
[9] 웹사이트 CODATA Value: electron mass in u https://physics.nist[...] NIST 2019-05-20
[10] 웹사이트 CODATA Value: elementary charge https://physics.nist[...] NIST 2019-05-20


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