알파 붕괴

3. 메커니즘

핵력은 원자핵을 묶어두는 매우 강한 힘으로, 양성자들 사이의 반발적인 전자기력보다 훨씬 강하다. 그러나 핵력은 단거리력이어서 약 3펨토미터를 넘어서면 급격히 약해지는 반면, 전자기력은 무한한 범위를 갖는다.^[3] 따라서 핵을 묶어두는 인력인 핵력의 세기는 핵자 수에 비례하지만, 핵을 분열시키려는 양성자-양성자 반발력의 총 전자기력은 원자 번호의 제곱에 거의 비례한다. 핵자 210개 이상을 가진 핵은 너무 커서 핵을 묶어두는 강한 핵력이 핵 안에 있는 양성자들 사이의 전자기적 반발력을 간신히 상쇄할 수 있다. 알파 붕괴는 크기를 줄여 안정성을 높이는 수단으로 이러한 핵에서 발생한다.^[3]

알파 입자(헬륨 핵)가 양성자, 중성자, 다른 원자핵과 같은 다른 입자가 아닌 우선적으로 방출되는 이유는 알파 입자의 높은 결합 에너지 때문이다. 이는 알파 입자의 질량이 두 개의 자유 양성자와 두 개의 자유 중성자 질량의 합보다 작다는 것을 의미하며, 붕괴 에너지를 증가시킨다. 방정식에 의해 주어지는 총 붕괴 에너지를 계산하면 특정 경우에 이 값이 양수이므로 알파 입자 방출이 가능하지만, 다른 붕괴 모드는 에너지를 추가해야 한다. 예를 들어, 우라늄-232에 대한 계산을 수행하면 알파 입자 방출은 5.4 MeV의 에너지를 방출하지만, 단일 양성자 방출에는 6.1 MeV의 에너지가 ''필요하다''.^[3] 붕괴 에너지의 대부분은 알파 입자의 운동 에너지가 되지만, 운동량 보존을 충족시키기 위해 일부 에너지는 핵 자체의 반동에 사용된다(원자 반동). 그러나 알파 방출 방사성 동위원소의 대부분의 질량수는 알파 입자(4)의 질량수보다 훨씬 큰 210을 초과하므로, 핵의 반동에 사용되는 에너지의 비율은 일반적으로 매우 작아 2% 미만이다.^[3]

하지만 이러한 붕괴 에너지는 강한 핵력과 전자기력의 상호 작용으로 생성된 반발적인 퍼텐셜 장벽보다 훨씬 작으며, 이는 알파 입자가 탈출하는 것을 방지한다. 알파 입자를 무한대에서 핵력의 영향 범위 바로 바깥쪽의 핵 근처의 한 점으로 가져오는 데 필요한 에너지는 일반적으로 약 25 MeV 범위이다. 그러나 붕괴 알파 입자는 약 4~9 MeV의 에너지만 가지고 있으며, 장벽을 극복하고 탈출하는 데 필요한 에너지보다 훨씬 적다.

3. 1. 양자 터널링

4. 알파 붕괴의 이용

아메리슘-241은 알파 붕괴를 하는 방사성 동위 원소로, 연기 감지기에 사용된다. 알파 입자가 개방된 이온화 상자 내의 공기를 이온화시키면 이온화된 공기를 통해 작은 전류가 흐른다. 불에서 발생하는 연기 입자가 상자에 들어가면 전류가 감소하여 연기 감지기의 경보가 울린다.

라듐-223 또한 알파 붕괴를 하는 방사성 동위 원소로, 뼈 전이 암 치료에 사용된다.

알파 붕괴는 방사성 동위원소 열전 발전기에 안전한 전원을 제공할 수 있으며, 우주 탐사선에 사용되고 인공 심장 박동 조율기에도 사용되었다.^[8][9] 알파 붕괴는 다른 형태의 방사성 붕괴보다 차폐가 훨씬 더 쉽다.

정전기 제거기는 일반적으로 알파 붕괴를 하는 폴로늄-210을 사용하여 공기를 이온화하여 "정전기 달라붙음"이 더 빨리 소멸되도록 한다.

5. 독성

알파 입자는 높은 에너지와 질량을 가지고 있어, 체내에 유입될 경우 DNA의 이중 가닥 절단을 일으켜 암이나 세포 사멸 등 심각한 생물학적 손상을 유발할 가능성이 높다.^[10] 그러나 알파 입자는 투과력이 낮아 몇 센티미터의 공기나 종이 한 장, 피부의 표피층으로도 충분히 차폐가 가능하므로 외부 피폭의 위험은 적다.

상대 생물학적 효과(RBE)는 알파 방사선이 다른 방사선에 비해 생물학적 효과를 유발하는 능력이 얼마나 큰지를 나타내는 값으로, 알파 방사선의 RBE는 20으로 설정되어 있다. 이는 중성자 (RBE=10)나 베타 방사선 및 이온화 광자 (RBE=1)에 비해 매우 높은 수치이다. 다만, 알파 붕괴 시 발생하는 반동에 의한 이온화 손상까지 고려하면 RBE가 1,000에 가까워질 수 있다는 연구 결과도 있다.^[10]

자연 방사성 물질인 라돈은 폐암의 주요 원인 중 하나로 알려져 있다.^[11] 라돈 기체를 흡입하면 폐 조직에 부착된 라돈 입자가 붕괴하면서 알파 입자를 방출하여 폐 세포를 손상시킨다.^[12] 마리 퀴리의 사인으로 알려진 재생불량성 빈혈 또한 고농도 이온화 방사선 노출에 의한 것으로 추정되지만, 이것이 알파 방사선 때문인지 X선 때문인지는 불분명하다. 퀴리는 라돈으로 붕괴되는 라듐^[13]과 베타 및 감마선을 방출하는 다른 방사성 물질을 주로 다뤘다.

2006년에는 러시아 망명자 알렉산더 리트비넨코가 알파 방출체인 폴로늄-210에 의한 방사능 중독으로 암살당했다.

6. 붕괴 계열

6. 1. 우라늄 계열

7. 한국의 관점

참조

_[1] 논문 Chinese Phys. C 45 030001
_[2] 웹사이트 Gamow theory of alpha decay http://www.phy.uct.a[...] 1996-11-06
_[3] 서적 Concepts of Modern Physics https://web.archive.[...] McGraw-Hill 2016-07-03
_[4] 일반
_[5] 논문 Zur Quantentheorie des Atomkernes (On the quantum theory of the atomic nucleus)
_[6] 논문 Wave Mechanics and Radioactive Disintegration
_[7] 논문 Experimental searches for rare alpha and beta decays 2019
_[8] 웹사이트 Radioisotope Thermoelectric Generator https://web.archive.[...] NASA 2013-03-25
_[9] 웹사이트 Nuclear-Powered Cardiac Pacemakers http://osrp.lanl.gov[...] LANL 2013-03-25
_[10] 논문 Radioactivity in Cigarette Smoke
_[11] 웹사이트 ANS: Public Information: Resources: Radiation Dose Chart https://web.archive.[...] 2007-10-31
_[12] 웹사이트 EPA Radiation Information: Radon http://www.epa.gov/r[...] 2006-10-06
_[13] 웹사이트 Did Marie Curie die of a radiation overexposure? http://www.hps.org/p[...] Health Physics Society
_[14] 논문 Quantum Mechanics and Radioactive Disintegration
_[15] 서적 (추가 정보 필요)
_[16] 서적 Conceptual Chemistry
_[17] 서적 (추가 정보 필요)
_[18] 서적 (추가 정보 필요)
_[19] 서적 (추가 정보 필요)