양전자 방출

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1. 개요
2. 발견
- 2.1. 인공 방사능의 발견
3. 방출 메커니즘
- 3.1. 쿼크 수준에서의 변화
- 3.2. 에너지 보존
4. 양전자 방출 동위원소
5. 응용
- 5.1. 양전자 방출 단층 촬영 (PET)
- 5.2. 동위원소 생산
6. 한국의 현황 및 전망
참조

1. 개요

양전자 방출은 원자핵이 양전자를 방출하는 방사성 붕괴의 한 유형이다. 1934년 프레데리크 졸리오퀴리와 이렌 졸리오퀴리에 의해 인공 방사능의 한 형태로 처음 발견되었으며, 쿼크의 변환과 에너지 보존 원리에 의해 설명된다. 양전자 방출은 탄소-11, 플루오린-18 등 다양한 동위원소에서 나타나며, 특히 의료 영상 기술인 양전자 방출 단층 촬영(PET)에 활용된다. PET은 질병의 진단과 치료 효과 판정에 기여하며, 짧은 반감기의 동위원소를 사용하여 생체 내 생화학적 과정을 영상화한다.

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양전자 방출
지도 정보
기본 정보
핵물리학
유형	방사성 붕괴
관련 입자	양전자
관련 반입자	전자
관련 중성미자	전자 중성미자
관련 반중성미자	전자 반중성미자
관련 힘	약한 상호작용
모핵종	양성자 과잉 핵종
딸핵종	질량수는 그대로 원자번호는 1 감소
과정	불안정한 원자핵의 양성자가 중성자로 변환 양전자와 전자 중성미자 방출
에너지 방출	질량-에너지 등가에 따라 에너지 방출
대표적인 예시	→ + }} + }}
특징
설명	원자핵 내의 양성자가 중성자로 바뀌면서 발생하는 붕괴 양전자와 전자 중성미자가 방출됨
베타 붕괴와의 관계	베타 붕괴의 한 종류 일반적인 베타 붕괴(β−)는 전자를 방출하지만, 양전자 방출(β+)은 양전자를 방출
활용	양전자 방출 단층 촬영 (PET) 등 의료 분야에서 활용
핵 변환	핵 변환을 유도하여 새로운 핵종을 생성 가능 양성자가 중성자로 변환되면서 원자 번호가 감소
주의 사항
방사선 위험	방출되는 양전자는 방사선을 방출 취급시 안전 수칙 준수 필요
반물질 소멸	양전자는 전자와 만나 쌍소멸 현상 발생 이 과정에서 감마선이 방출

2. 발견

1934년, 프레데리크 졸리오퀴리와 이렌 졸리오퀴리는 알파 입자(폴로늄에서 방출됨)를 알루미늄에 충돌시켜 핵반응 ⁴He + ²⁷Al → ³⁰P + ¹n을 일으켰고, 생성된 동위원소 ³⁰P이 1932년 칼 데이비드 앤더슨이 우주선에서 발견한 것과 동일한 양전자를 방출하는 것을 관찰했다.^[2] 이것은 Beta+^영어 붕괴(양전자 방출)의 첫 번째 사례였다. 퀴리 부부는 ³⁰P이 자연계에 존재하지 않는 단수명 핵종이기 때문에 이 현상을 "인공 방사능"이라고 명명했다. 이 인공 방사능의 발견은 부부가 노벨상을 수상하는 데 인용되었다.

2. 1. 인공 방사능의 발견

1934년, 프레데리크 졸리오퀴리와 이렌 졸리오퀴리는 알파 입자(폴로늄에서 방출됨)를 알루미늄에 충돌시켜 핵반응

{}_2^4\textrm{He} + {}_{13}^{27}\textrm{Al} \to {}_{15}^{30}\textrm{P} + {}_0^1\textrm{n}

을 일으켰고, 생성된 동위원소

{}_{15}^{30}\textrm{P}

이 1932년 칼 데이비드 앤더슨이 우주선에서 발견한 것과 동일한 양전자를 방출하는 것을 관찰했다.^[2] 이것은 Beta+^영어 붕괴(양전자 방출)의 첫 번째 사례였다. 퀴리 부부는

{}_{15}^{30}\textrm{P}

이 자연계에 존재하지 않는 단수명 핵종이기 때문에 이 현상을 "인공 방사능"이라고 명명했다. 이 인공 방사능의 발견은 부부가 노벨상을 수상하는 데 인용되었다.

3. 방출 메커니즘

양성자와 중성자 내부에는 기본입자인 쿼크가 있다.^[4] 가장 흔한 두 종류의 쿼크는 +2/3의 전하를 갖는 '업 쿼크'와 -1/3의 전하를 갖는 '다운 쿼크'이다.^[4] 쿼크는 양성자와 중성자를 만들도록 셋씩 배열된다. +1의 전하를 갖는 양성자에는 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크가 있다 (2/3 + 2/3 − 1/3 = 1). 전하가 없는 중성자에는 한 개의 업 쿼크와 두 개의 다운 쿼크가 있다 (2/3 − 1/3 − 1/3 = 0). 약한 상호작용을 통해 쿼크는 다운에서 업으로 플레이버를 바꿀 수 있으며, 이는 전자 방출을 야기한다. 양전자 방출은 업 쿼크가 다운 쿼크로 변환될 때 발생하며, 이는 효과적으로 양성자를 중성자로 변환시킨다.^[4]

양전자 방출에 의해 붕괴되는 원자핵은 전자 포획에 의해서도 붕괴될 수 있다. 저에너지 붕괴의 경우, 최종 상태에서 양전자가 추가되는 대신 전자가 제거되므로 전자 포획이 1.022 MeV만큼 에너지적으로 유리하다. 붕괴 에너지가 증가함에 따라 양전자 방출의 분기 비율도 증가한다. 그러나 에너지 차이가 1.022 MeV보다 작으면 양전자 방출은 발생할 수 없고 전자 포획이 유일한 붕괴 모드가 된다. 어떤 전자 포획 동위원소(예: 베릴륨-7)는 전자가 제거되고 붕괴 에너지가 양전자 방출에 너무 작기 때문에 은하 우주선에서는 안정적이다.

3. 1. 쿼크 수준에서의 변화

양성자와 중성자는 기본입자인 쿼크로 구성되어 있다.^[4] 가장 흔한 두 종류의 쿼크는 +2/3의 전하를 갖는 '업 쿼크'와 -1/3의 전하를 갖는 '다운 쿼크'이다.^[4] +1의 전하를 갖는 양성자는 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크로 구성되며, 전하가 없는 중성자는 한 개의 업 쿼크와 두 개의 다운 쿼크로 구성된다.^[4] 약한 상호작용을 통해 업 쿼크가 다운 쿼크로 플레이버를 바꾸면 양전자가 방출되며, 이는 효과적으로 양성자를 중성자로 변환시킨다.^[4]

3. 2. 에너지 보존

양전자 방출이 일어나기 위해서는 딸핵의 질량-에너지가 모핵보다 적어도 두 개의 전자 질량(2''m''_e c² = 1.022 MeV)만큼 작아야 한다. 질량 변화가 2''m''_e보다 작은 동위원소는 양전자 방출이 불가능하며, 전자 포획을 통해 붕괴한다.

4. 양전자 방출 동위원소

탄소-11, 질소-13, 산소-15, 플루오린-18, 구리-64, 갈륨-68, 브롬-78, 루비듐-82, 이트륨-86, 지르코늄-89,^[3] 나트륨-22, 알루미늄-26, 칼륨-40, 스트론튬-83, 요오드-124 등은 양전자를 방출하는 동위원소이다.^[3] 이들 동위원소는 양전자 방출 단층 촬영(PET)과 같은 의료 영상 기법에 활용된다.

예를 들어, 탄소-11은 양전자와 중성미자를 방출하면서 붕소-11로 붕괴하는 베타 플러스 붕괴를 한다.

5. 응용

이러한 동위원소는 의료 영상 기법인 양전자 방출 단층 촬영에 사용된다.^[6]^[7] 방출되는 에너지는 붕괴되는 동위원소에 따라 다르다. 0.96 MeV의 값은 탄소-11의 붕괴에만 적용된다. PET 스캔은 생체 내에서 일어나는 생화학적, 생리적 과정을 영상화하여 질병을 조기에 진단하고 치료 효과를 판정하는 데 사용된다. 대한민국에서는 PET 기술이 발전함에 따라 암, 심장 질환, 뇌 질환 등 다양한 질병의 진단 및 치료에 활발하게 활용되고 있다.

양전자 방출 단층 촬영에 사용되는 반감기가 짧은 양전자 방출 동위원소 ¹¹C (T_1/2 = 20.4분), ¹³N (T_1/2 = 10분), ¹⁵O (T_1/2 = 2분), ¹⁸F (T_1/2 = 110분)는 일반적으로 천연 또는 농축 표적에 양성자를 조사하여 생산된다.^[6]^[7]

5. 1. 양전자 방출 단층 촬영 (PET)

양전자 방출 동위원소는 의료 영상 기법인 양전자 방출 단층 촬영(PET)에 사용된다.^[6]^[7] 방출되는 에너지는 붕괴되는 동위원소에 따라 다르다. 0.96 MeV의 값은 탄소-11의 붕괴에만 적용된다. PET 스캔은 생체 내에서 일어나는 생화학적, 생리적 과정을 영상화하여 질병을 조기에 진단하고 치료 효과를 판정하는 데 사용된다. 대한민국에서는 PET 기술이 발전함에 따라 암, 심장 질환, 뇌 질환 등 다양한 질병의 진단 및 치료에 활발하게 활용되고 있다.

5. 2. 동위원소 생산

양전자 방출 단층 촬영에 사용되는 반감기가 짧은 양전자 방출 동위원소 (T_1/2 = 20.4분), (T_1/2 = 10분), (T_1/2 = 2분), (T_1/2 = 110분)는 일반적으로 천연 또는 농축 표적에 양성자를 조사하여 생산된다.^[6]^[7]

6. 한국의 현황 및 전망

참조

_[1] 웹사이트 Nuclear Chemistry http://www.shodor.or[...] The University of North Carolina at Chapel Hill 2012-06-14
_[2] 논문 Un nouveau type de radioactivité https://gallica.bnf.[...] 1934
_[3] 논문 Physics of pure and non-pure positron emitters for PET: a review and a discussion 2016-12-00
_[4] 웹사이트 How it works:Positron emission http://courses.washi[...]
_[5] 서적 Radioactivity: Introduction and History, From the Quantum to Quarks Elsevier
_[6] 웹사이트 Positron Emission Tomography Imaging at the University of British Columbia http://www.pet.ubc.c[...] University of British Columbia
_[7] 논문 High power laser production of short-lived isotopes for positron emission tomography

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