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알파 입자

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목차

1. 개요

알파 입자는 +2의 전하를 띠는 헬륨-4 원자핵으로, 방사성 붕괴의 한 유형인 알파 붕괴를 통해 방출된다. 1896년 앙리 베크렐에 의해 처음 발견되었으며, 러더퍼드와 퀴리의 연구를 통해 그 성질이 밝혀졌다. 알파 입자는 전기장 및 자기장에서 굴절되며, 강한 전리 작용으로 인해 종이나 얇은 공기층으로 막을 수 있다. 알파 붕괴는 무거운 원자핵이 안정화되기 위해 알파 입자를 방출하는 현상으로, 우라늄, 토륨 등에서 발생하며, 3체 핵분열에서도 고에너지 알파 입자가 생성된다. 알파 입자는 연기 감지기, 방사성 동위원소 열전 발전기, 정전기 제거 장치 등에 사용되며, 암 치료 분야에서도 연구되고 있다.

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알파 입자
기본 정보
알파 붕괴
알파 붕괴
구성양성자 2개, 중성자 2개
통계보손
기호α, α2+, He2+
질량

}}
전기 전하+2 e
스핀0 ħ
특징
상호작용약한 상호작용
강한 상호작용
전자기 상호작용
중력 상호작용
반입자반헬륨 원자핵
발견 및 이론
발견어니스트 러더퍼드 (1899년)
물리적 특성
질량6.6446573357(20)×10−27 kg
4.001506179127(63) Da
3.7273794066(11) GeV/c2
양자수
대칭성

2. 역사

1896년, 앙리 베크렐은 우라늄에서 사진 건판에 자국을 남기는 보이지 않는 방사선을 발견했다.[6] 이후 마리 퀴리는 이 현상이 우라늄뿐만 아니라 다른 원자에서도 나타나며, 이를 "방사능"이라고 명명했다.[6] 어니스트 러더퍼드는 우라늄 방사선을 연구하여 기체 입자를 이온화하는 능력이 있음을 발견했다.[16]

1899년, 러더퍼드는 우라늄 방사선이 두 가지 종류의 방사선, 즉 "알파선"과 "베타선"으로 구성되어 있음을 발견했다.[6][17] 그는 알루미늄 박막을 이용한 실험을 통해 알파선은 쉽게 흡수되지만, 베타선은 더 잘 투과하는 성질을 가지고 있음을 확인했다.

1900년, 마리 퀴리는 알파선의 흡수 계수가 증가하는 현상을 통해 알파선이 입자의 흐름임을 추론했다. 1902년, 러더퍼드는 자기장과 전기장을 이용하여 알파선을 편향시켜 알파선이 양전하를 띤 입자임을 증명했다.[18][19]

1906년, 러더퍼드는 알파 입자의 전하-질량 비를 측정하여 수소 이온의 절반임을 확인하고, 알파 입자가 헬륨 원자핵(He2+)일 가능성이 높다고 제안했다.[20] 1909년, 러더퍼드와 토마스 로이드는 라듐에서 방출되는 기체를 분석하여 알파 입자가 실제로 헬륨 이온임을 최종적으로 증명했다.[21][6]

1911년, 러더퍼드는 알파 입자 산란 실험 결과를 바탕으로 원자의 양전하가 작은 핵에 집중되어 있다는 원자핵의 존재를 주장했다. 1913년, 안토니우스 판 덴 브로크는 원자핵의 전하량이 원자 번호와 같다는 가설을 제시했다.[6][22][23] 1920년, 러더퍼드는 양성자의 존재를, 1932년, 제임스 채드윅은 중성자를 발견했다. 이를 통해 알파 입자는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성된 헬륨 원자핵임이 밝혀졌다.

3. 성질

알파 입자는 +2의 전하를 띠고 있어 전자기장의 영향을 받으며, 헬륨-4 원자핵과 동일한 구성이다. 알파 붕괴를 통해 방출되며, 핵종에 따라 다르지만 대략 광속의 5% 정도의 속도를 가진다. 전리 작용이 강하여 투과력은 약하며, 종이나 피부 바깥층에 의해 쉽게 차단된다.

앞에서 뒤로 향하는 자기장에서는, 양전하를 띤 알파 입자는 그림과 같이 회전 운동한다


베타선의 실체인 전자나 감마선과 달리, 헬륨-4의 원자핵인 알파 입자는 종이 한 장조차 통과할 수 없다.


일반적으로 피부를 약 40 마이크로미터(몇 개의 세포 깊이에 해당) 정도 투과한다. 하지만, 그 전리 작용의 강도 때문에, 알파선을 방출하는 물질을 체내에 흡입했을 경우 내부 피폭에 충분히 주의해야 한다.[38]

3. 1. 알파 붕괴

무거운 원자핵(주로 원자번호 83 이상)이 안정화를 위해 알파 입자를 방출하는 현상을 알파 붕괴라고 한다. 알파 붕괴가 일어나면 원자핵은 질량수가 4 감소하고, 원자번호가 2 감소하여 새로운 원소로 변환된다.[1] 예를 들어, 우라늄은 알파 붕괴를 통해 토륨으로, 라듐은 라돈으로 변환된다.

알파 붕괴는 전자기력과 핵력 사이의 균형에 의해 일어난다. 알파 입자와 나머지 원자핵은 모두 양전하를 띠고 있어 서로 밀어내는 쿨롱 반발력이 작용하지만, 핵력이 이를 억누르고 있다. 고전 물리학에서는 알파 입자가 핵력에 의한 퍼텐셜 우물을 탈출할 만큼 충분한 에너지를 가지고 있지 않지만, 양자 터널링 효과 덕분에 탈출할 수 있다.

알파 붕괴를 할 수 있는 최소 크기의 원자핵이 필요한데, 현재까지 발견된 가장 작은 원자핵은 베릴륨-8과 텔루르-104이다. 알파 붕괴는 때때로 모핵을 들뜬 상태로 남겨두기도 하며, 이때 감마선 방출을 통해 과잉 에너지를 제거한다.

알파 입자는 +2의 전하를 띠고 있어 로렌츠 힘에 의해 전기장이나 자기장에서 휘어진다. 알파선의 속도는 핵종에 따라 다르지만, 대략 (초속 1만 5천 킬로미터에서 2만 킬로미터) 정도이다.[38] 전리 작용이 강해 투과력은 약하지만, 체내 흡입 시 내부 피폭에 주의해야 한다.

3. 2. 3체 핵분열

핵 과정에서 생성되는 에너지가 높은 알파 입자는 비교적 드물게 (수백 번에 한 번꼴) 발생하는 삼중 핵분열 과정에서 생성된다. 이 과정에서는 일반적인 두 개의 하전 입자 대신 세 개의 하전 입자가 생성되며, 가장 작은 하전 입자는 아마도 (90% 확률) 알파 입자일 것이다. 이러한 알파 입자는 "장거리 알파 입자"라고 불리는데, 이는 16MeV의 일반적인 에너지에서 알파 붕괴에 의해 생성되는 에너지보다 훨씬 높기 때문이다. 삼중 핵분열은 중성자 유도 핵분열 (원자로에서 일어나는 핵반응)과 핵분열성 및 핵분열 가능한 악티늄족 핵종 (즉, 핵분열이 가능한 무거운 원자)이 방사성 붕괴의 한 형태인 자발 핵분열을 겪을 때 모두 발생한다. 유도 핵분열과 자발 핵분열 모두에서 무거운 원자핵에서 이용 가능한 더 높은 에너지는 알파 붕괴보다 더 높은 에너지를 가진 장거리 알파 입자를 생성한다.[1]

3. 3. 검출

알파 입자는 전리 작용이 강해 이를 이용하여 검출한다. 고전적으로는 대전된 금박 검전기나 가이거 계수기, 안개상자 등을 이용했지만, 최근에는 섬광 검출기 등을 많이 이용한다. 가이거-뮬러 계수관의 경우 운모(마이카) 창 형태의 것이 사용되고, 섬광 검출기의 경우 측정 부위에 황화아연이 자주 사용된다.[39]

4. 에너지 및 흡수

알파 입자는 전하와 질량이 크기 때문에 물질에 쉽게 흡수되며, 공기 중에서는 수 cm만 이동할 수 있다. 얇은 종이나 인체 피부의 바깥층(약 40 마이크로미터, 몇 개의 세포 깊이)에도 흡수된다.[9]

방출되는 알파 입자의 에너지는 다양하며, 더 큰 핵에서 더 높은 에너지의 알파 입자가 방출되지만, 대부분의 알파 입자는 3~7 MeV의 에너지를 가진다. 이는 각각 매우 긴 반감기와 매우 짧은 반감기를 가진 알파 방출 핵종에 해당한다. 에너지와 비율은 종종 고유하며, 알파 분광법에서 특정 핵종을 식별하는 데 사용될 수 있다.[8]

전형적인 운동 에너지가 5 MeV인 경우, 방출된 알파 입자의 속도는 15,000 km/s이며, 이는 빛의 속도의 5%에 해당한다. 이 에너지는 단일 입자에 상당한 양이지만, 질량이 크기 때문에 알파 입자는 다른 일반적인 방사선 유형(예: β 입자, 중성자)보다 속도가 느리다.[9]

5. 생물학적 영향

알파 입자는 투과력이 낮아 피부를 뚫지 못하므로 외부 피폭은 상대적으로 덜 위험하다.[10] 그러나 알파 방출 핵종이 체내에 흡입, 섭취 또는 주사될 경우, 알파 방사선은 매우 파괴적인 전리 방사선이 된다. 알파 방사선은 강한 전리 작용을 일으켜, 높은 선량에 노출될 경우 방사선 질환을 유발할 수 있다. 특히, 알파 입자에 의한 염색체 손상은 감마선이나 베타선에 의한 손상보다 10배에서 1000배[11], 평균적으로 20배 더 큰 것으로 알려져 있다. 유럽의 원자력 노동자들을 대상으로 한 연구에서도 알파 방사선의 발암(폐암) 가능성이 감마 방사선과 유사한 수준으로 나타났다.[12]

폴로늄-210과 같은 강력한 알파 방출체는 담배 흡연으로 인한 폐암 및 방광암의 원인 중 하나로 추정된다.[13] 실제로 2006년 러시아 전직 요원 알렉산더 리트비넨코 암살에 폴로늄-210이 사용되기도 했다.[14]

6. 이용

알파 입자는 여러 분야에서 그 특성을 활용하고 있다.


  • 장치:
  • 대부분의 연기 감지기는 아메리슘-241을 소량 포함하고 있는데, 이는 알파 입자 방출 물질이다. 아메리슘-241은 섭취하면 매우 위험하지만, 밀봉된 상태에서는 안전하다. 많은 지역에서는 오래된 연기 감지기를 일반 폐기 대신 수거하고 있다.[26]
  • 방사성 동위원소 열전 발전기는 알파 붕괴를 통해 안전한 전원을 공급받을 수 있다. 이 발전기는 우주 탐사선이나 인공 심장 박동기 등에 사용되는데, 알파 붕괴는 다른 방사성 붕괴보다 차단하기 쉽기 때문이다.
  • 정전기 제거 장치는 폴로늄-210을 사용하여 공기를 이온화시켜 알파 입자를 방출한다. 이를 통해 정전기 부착 현상을 빠르게 제거할 수 있다.[28][29]
  • 암 치료: 연구자들은 알파 입자를 방출하는 방사성 핵종을 종양 주위에 소량 주입하여 암을 치료하는 방법을 연구하고 있다. 알파 입자는 종양에 손상을 입히면서도, 낮은 투과율 덕분에 건강한 조직에는 피해를 덜 주면서 종양 성장을 억제할 수 있다.
  • 기타:
  • 알파 입자는 형광 물질을 들뜨게 하는 성질이 있어, 소량의 알파 선원을 첨가한 형광 물질은 야광 도료로 사용되기도 한다. 20세기 초에는 야광 시계에 라듐 226이 사용되었지만, 1960년대부터는 더 안전한 베타 입자 방출 핵종으로 대체되었다.[40]
  • 알파 입자의 이온화 작용은 분석화학 기기의 검출기나 캠핑용 랜턴 (미량의 토륨 함유) 등에 활용된다.
  • 2006년, 영국에 망명했던 전 러시아 연방 보안청(FSB) 직원 리트비넨코가 폴로늄 210을 복용하여 방사선 장애로 사망하는 사건이 발생했다.

6. 1. 장치

대부분의 연기 감지기는 알파 입자 방출 물질인 아메리슘-241을 소량 포함하고 있다.[26] 알파 입자들은 작은 틈으로 공기를 이온화시키고, 소량의 전류가 그 이온화된 공기를 통과한다. 화재가 일어나 연기 입자가 그 공기를 지나가면 전류의 흐름을 감소시켜 경보를 울리게 된다. 이 동위원소는 섭취하면 매우 위험하지만, 밀봉되어 보관된다면 위험하지 않다.[26]

정전기 제거기는 보통 공기를 이온화하기 위하여 알파 입자를 방출하는 폴로늄-210을 사용한다.[28][29] 이를 통해 정전기 부착을 더 빠르게 제거할 수 있다.

알파 붕괴는 방사성 동위원소 열전 발전기에 안전한 전원을 공급해 줄 수 있다.[27] 이 발전기는 우주 탐사선과 인공 심장 박동기 등에 사용된다. 알파 붕괴는 다른 종류의 방사성 붕괴보다 쉽게 차단할 수 있다.

6. 2. 암 치료

알파 입자는 선형 에너지 전달(LET)이 높고 비정(물질 내에서 이동하는 거리)이 짧아, 이 성질을 이용하여 암세포를 국소적으로 파괴하는 치료법이 연구되고 있다.

라듐-223은 칼슘과 유사한 성질을 가져 뼈에 잘 흡수되는 알파선 방출체이다. 염화라듐-223 형태로 암 환자의 정맥에 주입하면, 전이성 종양이 있는 뼈 부위로 이동하여 100 마이크로미터 이내의 종양 세포를 파괴하는 알파선을 방출한다. 이 방법은 2013년부터 뼈로 전이된 전립선암 치료에 사용되고 있다.[30]

라듐-224는 DaRT(확산 알파 방출기 방사선 치료)라는 암 치료 장치에서 알파 방사선원으로 사용된다. 라듐-224의 붕괴 과정에서 생성되는 딸 원자는 조직 내에서 최대 2~3mm까지 확산되어 종양 전체를 파괴할 수 있는 방사선을 방출한다.[31] 라듐-224는 반감기가 3.6일로 짧아 빠른 치료 효과를 내면서도 과다 노출 위험을 줄일 수 있다.
표적 알파 치료(Targeted Alpha Therapy, TAT)는 암세포에 특이적으로 결합하는 항체 등의 물질에 알파 입자 방출 방사성 핵종을 부착하여 암세포만 선택적으로 파괴하는 방법이다.[32] 이러한 방식은 정맥 주사로 전달될 수 있다.

1990년대 이후 방사선 치료 분야에서 알파선 이용이 연구되고 있다. 기존에는 베타선 방출 핵종을 이용한 치료가 많았지만, 베타선은 비정이 수 밀리미터에서 수 센티미터로 정상 조직에도 영향을 줄 수 있다. 반면 알파선은 비정이 매우 짧고 선에너지부여(LET)가 커서 더욱 국소적인 치료가 가능하다.

2018년 3월 현재 일본에서 허가받은 알파선 방출 핵종 표지 약제는 223Ra-Xofigo(조피고) 뿐이다. 149Tb, 213Bi, 211At, 225Ac 등을 사용한 약제도 연구 개발 중이며, 일부는 임상시험 단계에 있다.

붕소중성자포획치료(BNCT)는 10B 원자핵에 중성자를 조사하여 알파선과 7Li 원자핵이 방출되는 것을 이용하는 치료법이다.

6. 3. 기타

알파 입자는 형광 물질을 들뜨게 하므로, 아주 적은 양의 알파 선원을 첨가한 형광 물질은 야광 도료로 이용되기도 한다. 20세기 초부터 야광 시계에 알파 입자를 방출하는 라듐 226이 사용되었지만, 1960년대부터 더 안전한 베타 입자 방출 핵종으로 대체되고 있다.[40]

또한, 알파 입자의 이온화 작용을 이용하기 위해, 분석화학 기기의 검출기에 알파 선원을 이용하는 경우가 많다. 캠핑용 랜턴에 미량의 토륨을 함유시켜 이온화에 의해 불꽃을 안정화시키는 방법도 있다. 주택용 화재 경보기나 자동 화재탐지 설비의 이온화식 연기 감지기에는 아메리슘 241이 방출하는 알파 입자가 이용된다.

2006년, 영국에 망명해 있던 전 러시아 연방 보안청(FSB) 직원이 알파 선원인 폴로늄 210을 복용하여 방사선 장애로 살해당하는 사건이 발생했다(리트비넨코 사건).

7. 반알파 입자

2010년, 브룩헤이븐 국립연구소의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 STAR 협력단 연구원들이 금 이온 충돌 실험을 통해 반알파 입자(헬륨-4 반원자핵)를 검출했다.[24][25]

참조

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[2] 서적 Big History https://www.worldcat[...] DK 2016-02-01
[3] 논문 Uranium radiation and the electrical conduction produced by it https://books.google[...]
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[5] 학술지 The Charge and Nature of the α-Particle https://www.jstor.or[...] 1908-01-01
[6] 서적 Inward bound: of matter and forces in the physical world Clarendon Press 2002-01-01
[7] 학술지 Radiogenic Origin of the Helium Isotopes in Rock https://nyaspubs.onl[...] 1955-01-01
[8] 서적 Table of isotopes https://www.worldcat[...] Wiley 1999-01-01
[9] 문서 N.B. Since gamma rays are electromagnetic (light) they move at the speed of light (c). Beta particles often move at a large fraction of c, and exceed 60% c whenever their energy is > 64 keV, which it commonly is. Neutron velocity from nuclear reactions ranges from about 6% c for fission to as much as 17% c for fusion.
[10] 학술지 Ionizing radiation injuries and illnesses
[11] 학술지 Effect of Dose Rate on the Induction of Experimental Lung Cancer in Hamsters by α Radiation
[12] 학술지 Risk of lung cancer mortality in nuclear workers from internal exposure to alpha particle-emitting radionuclides 2017-01-01
[13] 학술지 Polonium-210: A Volatile Radioelement in Cigarettes
[14] 뉴스 Radiation Poisoning Killed Ex-Russian Spy https://www.nytimes.[...] 2011-09-15
[15] 학술지 Uranium Radiation and the Electrical conduction Produced by it https://archive.org/[...]
[16] 서적 A history of the theories of aether & electricity. II: The modern theories Dover Publ 1989-01-01
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[19] 서적
[20] 학술지 The Mass and Velocity of the α particles expelled from Radium and Actinium https://zenodo.org/r[...]
[21] 학술지 XXI. The nature of the α particle from radioactive substances https://archive.org/[...] 1909-01-01
[22] 학술지 The Structure of the Atom https://www.chemteam[...] 1914-03-01
[23] 학술지 The Structure of the Atom 1913-12-11
[24] 학술지 Erratum
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[31] 학술지 Treatment of solid tumors by interstitial release of recoiling short-lived alpha emitters https://pubmed.ncbi.[...] 2007-08-21
[32] 학술지 Development of Targeted Alpha Particle Therapy for Solid Tumors 2019-11-26
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[35] 웹사이트 CODATA Value: alpha particle mass energy equivalent in MeV https://physics.nist[...] NIST 2022-11-19
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