| 1. 방사선 과 방사성동위원소의 기초 지구상의 자연계에는 90 여 종의 원소가 있다. 이 세상에 있는 모든 물질은 한 가지 원소만으로 되어 있거나 또는 여러 원소들이 모인 화합물로 되어 있다. 원소란 원자번호에 따라 분류한 원자의 종류를 말한다. 원자는 원자핵 안에 플러스(+)의 전하를 가진 양성자와 전하를 갖지 않으면서 무게는 양성자와 거의 같은 중성자로 이루어져 있으며 원자핵 주변을 마이너스(-) 전하를 가진 전자가 빠른 속도로 돌고 있는 매우 작은 것이다. 우리들 주변에 있는 산소, 수소, 금, 철, 구리 등 대부분의 원소①는 그 원자핵이 안정하여 쉽게 변화하지 않는다. 그러나 어떤 원자의 불안정한 원자핵은 스스로 다른 원자핵으로 변한다(원자핵변환이라고 한다). 이러한 불안정한 원자핵이 다른 원자핵으로 변환할 때에 방사선을 낸다. 칼륨이나 탄소 등의 원소1)에는 그러한 불안정한 원자2)들이 있으며 불안정한 원자들로 된 원소들을 “방사성 원소”라고 한다. “방사성동위원소(radioisotope, RI)”란 원소의 주기율표에서 같은 자리에 있는 원소로서 방사선을 내는 원소를 말한다. 예컨대 U-233, U-234, U-235, U-236, U-237, U-238은 원자량이 각각 다르나 같은 자리(원자번호는 모두 9②에 있는 우라늄 원소이다. 또한 이러한 원소들이 들어있는 물질을 “방사성 물질”이라고 한다. 1.1. 원자의 구조 모든 물질은 원자들이 모여서 된 것이다. 원자의 복판에는 플러스 전하를 가진 원자핵이 있고 그 둘레를 마이너스 전하를 가진 전자가 원자핵으로부터 일정한 거리를 두고 돌고 있다[전자가 도는 길을 “궤도 (또는 자리길)”라고도 한다]. 이것은 마치 해를 가운데에 두고 그 둘레를 여러 행성들(수성, 금성, 지구 등)이 일정한 궤도를 돌고 있는 태양계와 비슷하다. 원자핵이 가진 플러스 전하와 전자가 가진 마이너스 전하가 같아서 원자는 전기적으로 중성이다. 1) 원소란 원자번호에 따라 분류한 원자의 종류로써 화학적으로 2 종 이상의 물질로 분해할 수 없는 것을 말한다. 천연에 있는 원소의 원자번호 중 최고는 우라늄(양성자 수 92)이다. 2) 원자란 각 원소가 각각의 특성을 잃지 않는 범위 안에서 도달할 수 있는 입자로써 물질의 기본적인 구성요소이다. 한 가지 또는 두 종류 이상의 원자가 결합하여 분자를 이룬다.
궤도전자가 어떤 원인에 의해 원자의 궤도 밖으로 떨어져나가면 플러스 전하를 가진 플러스 이온(또는 양이온)과 원자핵의 속박에서 벗어난 자유로운 전자로 되는데 이렇게 되는 것을 “전리” 또는 “이온화”라고 한다. 원자의 바깥쪽에서 에너지를 받아서 원자핵 가까이에 있는 궤도전자가 원자핵으로부터 먼 궤도로 옮겨가면 안쪽 궤도에는 빈 자리가 생기는데 이 상태를 원자가 “들떴다” 또는 “여기 되었다”고 한다. 원자핵의 지름은 대략 10
방사선에는 알파선, 베타선, 감마선, X선 등 여러 종류가 있는데 이들 방사선이 어떻게 나오게 되었느냐에 따라 자연방사선과 인공방사선으로 나눈다. 즉, 자연계에 있는 방사선 예를 들어 지구에 있는 방사성물질에서 나오는 방사선이나 우주에서 오는 방사선 등을 자연방사선이라고 하고 엑스선방치, 가속기 등에서 나오는 방사선이나 원자로에서 만들어진 방사성동위원소에서 나오는 방사선을 인공방사선이라고 한다. 기본적으로 자연방사선과 인공방사선은 같은 성질을 가졌다. 가. 방사능과 방사선의 차이 방사능과 방사선은 비슷한 말이지만 뜻이 다름으로 혼동하지 말아야 한다. 방사성물질 또는 방사성동위원소를 전등이라 할 경우 방사선은 빛에 해당되고 방사능은 전등의 출력(전력 또는 와트 수)에 해당된다고 할 수 있다. 방사선은 방사성물질이나 방사성동위원소에서도 나오지만 X선 발생장치나 가속기, 핵반응① 등에서도 나온다.
1) 핵반응 ; 방사선(특히, 중성자 등)과 물질을 이루고 있는 원자핵과의 반응을 뜻한다. 나. 방사선의 정의 • 방사선이란 매우 빠른 속도로 날아가는 극히 작은 알갱이(“입자”라고도 함)이거나 또는 빛보다 더 큰 에너지를 가진 파동(“전자파”)이다. 방사선에는 여러 종류가 있으며 중요한 특징의 하나는 물질을 뚫고 지나가는(투과하는) 능력이 있다는 것이다. 대표적인 방사선은 알파선, 베타선, 감마선, 엑스선, 중성자선 등이다. 이들 방사선은 불안정한 원자핵이 다른 원자핵으로 변환할 때에 내놓는 에너지이다. 이렇게 불안정한 원자핵이 방사선을 내고 다른 원자핵이 되는 과정을 변환(또는“붕괴”)이라고 한다. •방사선을 처음 발견한 사람은 독일의 뢴트겐(W.C. Roentgen)이다. 그는 1895년 여러 가지 실험을 하다가 형광물질을 바른 판자(형광판)가 훤하게 빛을 내는 것을 보고 그것이 알 수 없는 빛, 즉 엑스(X)선에 의한 것임을 알게 되면서 이를 발견하였다. 1896년 프랑스 사람 베크렐(H. Becquerel)은 우라늄광석에서도 엑스선과 비슷한 방사선이 나온다는 것을 알고 우라늄이 방사성을 띄고 있음을 발견하였다. 1920년경부터 방사선 측정에 대해서는 영국사람 그레이(L.H. Gray)가, 방사선의 인체에 대한 영향에 관해서는 스웨덴사람 시버트(R.M. Sievert)가 각각 활동하였다. 다. 방사선의 종류 방사선의 종류에는 다음 표에서 보는 것처럼 여러 가지가 있다. 즉 크게 나누어 입자방사선과 전자기파 방사선이 있다. 입자방사선에는 다시 전하를 가진 것(하전입자 방사선)과 갖지 않은 것이 있다. 또 전하를 가진 입자방사선에도 +전하를 가진 것과 -전하를 가진 것이 있다. 중성자선은 입자방사선이며 전하를 갖지 않아 중성이다. 대표적인 하전입자 방사선은 알파선과 베타선이며, 대표적인 전자기파 방사선은 감마선과 엑스선이다. 그리고 감마선과 엑스선 이외의 전자기파(또는 전자파)방사선에 대해서는 보통 “방사선”이라고 부르지 않는다. • 알파(α)선 ;
• 베타(β)선 ;
• 감마(γ)선 ;
• 엑스(X)선 ;
• 중성자(n)선 ;
주 1; 알파선 및 베타선을 각각 알파입자 및 베타입자라고도 부르며 감마선 및 엑스선을 광자라고도 한다. 이처럼 두 가지로 부르는 이유는 이들이 때로는 알갱이 성질을 가지며 때로는 파동의 성질을 갖는 등 이중적특성을 갖기 때문이다.
1.3 방사성동위원소와 방사성 변환 “동위원소”란 원소의 주기율표에서 같은 자리에 있는 원소란 뜻이다. 원소가 같은 자리에 있으려면 같은 원소기호로 표시되고 핵 속에 같은 수의 양성자가 있어야 한다. 즉, 동위원소란 양성자수(=원자번호)는 같으나 원자의 질량수가 다른 원소를 말한다. 동위원소 중에는 압력, 온도, 화학적 처리 등 외부로부터 가해지는 조건에 관계없이 그 원자핵이 스스로 방사선을 내며 다른 종류의 원자핵으로 변환하는 것이 있다. 그런 것을 “방사성동위원소”라고 한다. 방사성동위원소의 원자핵 속에는 양성자의 수가 중성자의 수에 비해 너무 많거나 또는 그 반대여서 그런 원자핵은 안정하지 못하여 방사선(에너지의 일종)을 내며 안정한 원자핵이 되려한다. 원자핵이 방사선을 내며 다른 종류의 원자핵으로 변환하는 성질을 “방사성”이라고 하며 이러한 변화를 “방사성 변환(또는 방사성 붕괴)”이라고 한다. 이 교재에서는 주로 “방사성 변환”이라는 용어를 사용할 것이다. 원자핵이 방사성 변환할 때에는 알파입자, 베타입자, 감마선 등 방사선을 낸다. 주 1; 알파선과 베타선을 각각 “알파입자”,“베타입자”라고도 부르며 감마선 및 엑스선을 “광자‘라고도 한다. 이처럼 두 가지로 부르는 이유는 이들이 때로는 알갱이성질을 가지며 때로는 파동의 성질을 갖는 등 이중적 특성을 갖기 때문이다. 감마선은 핵변환이 일어나지 않으면서 에너지 균형을 유지하려고 나오는 경우도 있다. 변환되기 전의 핵종을 “어미핵종”, 변환되고 난 후의 핵종을 “딸 핵종”이라고 한다. 자연계에 저절로 있는 방사성동위원소는 우라늄-238, 토륨-232, 라듐-226, 라돈-222, 칼륨-40 등 대략 70 종이다. 그리고 원자로나 입자가속기를 이용하여 만드는 방사성동위원소는 200 종 이상이다. 방사성동위원소를 일정한 농도 이상으로 포함하고 있는 물질을 “방사성물질”이라고 한다. 방사성물질이나 방사성동위원소의 양을 방사능으로 나타낸다. 방사능의 단위는 베크렐(becquerel, Bq)이다. 1 Bq은 1초에 1 개의 방사성 핵이 변환(1 tps)① 또는 붕괴(1 dps)되는 양이다. 즉, 1 Bq = 1 tps (또는 1 dps)이다. 과거에는 방사능의 단위로 큐리(curie, Ci)가 사용되었는데 (아직도 일부 사용) 1 Ci는 370억 tps 또는 370억 Bq에 해당한다
그런데 1 베크렐(Bq)은 매우 작은 값이기 때문에 종종 킬로베크렐[kBq, (10  Bq)], 메가베크렐[MBq,(10  Bq)] 기가베크렐[GBq,(10  Bq)] 테라베크렐[TBq, (10  Bq)] 등 접두어를 붙여 사용한다.방사성물질의 방사능은 그 물질에 들어있는 방사성원자의 수와 그 원자의 변환확률②의 곱으로 나타낸다. 예를 들어 H-3(보통 H로도 나타낸다)의 단위시간 당 변환확률(방사성 붕괴상수)이 매초 당 1.78×10  인데 만약 어떤 시료 속에 H원자가 1조 개(10 개) 들어있다면 그 방사능은 1.78×10 /s×10 = 1.78×10 /s = 1,780 tps = 1,780 Bq = 1.78 kBq이 된다.1) tps(transformation per second); 초당 방사성원자의 변환 수 dps(disintegration per second); 초당 방사성원자의 붕괴 수 2) 변환확률을 방사성 붕괴상수라 하며 s  의 차원을 갖는다. 가. 방사성동위원소의 방사성 변환 반감기 방사성동위원소의 원자집단에서 방사성 원자들이 변환하여 안정한 원자로 됨으로 방사성원자수는 시간이 지남에 따라 줄어들게 된다. 방사능은 방사성원자수에 비례함으로 시간이 지나면 방사능도 줄게 된다. 방사능이 처음의 절반이 되는 데에 걸리는 시간을 “반감기”라고 한다. 반감기는 방사성동위원소마다 다르며 온도나 압력 등 외부조건 변화에 영향 받지 않고 일정하다. 반감기는 수십억 년 이상인 것부터 수 백만분의 1초 이하의 짧은 것까지 있다. 예를 들어 100 Bq의 방사성동위원소는 1 반감기 후에는 50 Bq로, 2 반감기 후에는 25 Bq로, 3 반감기 후에는 12.5 Bq로 각각 그 방사능이 줄어든다.
알파 변환 우라늄이나 토륨처럼 많은 수의 양성자와 중성자로 이루어져 있는 무거운 원소는 그 원자핵이 불안정하여 양성자 2 개와 중성자 2 개로 된 무거운 알갱이(입자), 즉 헬륨의 원자핵을 내놓으면서 더 가벼운 원소로 변환한다. 이렇게 내놓는 알갱이가 알파입자이다. 그 알파입자의 흐름을 “알파선”이라고 한다. 알파입자 또는 알파선을 낸 원자는 그것을 내기 전 원자보다도 양성자와 중성자가 각각 2 개씩 줄어든다. 이러한 변환을 “알파 변환(또는 알파 붕괴)”이라고 한다.
베타 변환 원자핵 안에 중성자가 너무 많은 핵은 불안정하여 1 개의 중성자가 1 개의 전자를 내보내고 자신은 1 개의 양성자로 된다. 이 전자를 베타(β-)입자(베타선)라고 한다. β-선을 내보낸 원자핵은 본래의 원자핵보다 양성자가 1 개 많아지고 중성자는 1 개 줄어든다. 이러한 변환방식을 β- 변환이라고 한다. '*자료실* > 일반·기타' 카테고리의 다른 글
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쿨롱)라고 하면 헬륨의 원자핵은 2e의 플러스 전하량을 갖고 있으며 그 원자핵 주위에 2 개의 궤도전자(-2e)가 돌고 있다.
~10 
m이고 궤도전자가 돌고 있는 원자의 지름은 10 
m 정도이다. 원자핵을 테니스공의 크기로 본다면 궤도전자는 그 테니스공을 가운데 두고 약 5 km밖의 궤도를 따라 돌고 있는 모기 정도로 볼 수 있다. 모기는 테니스공에 비하면 무게가 거의 없다고 할 수 있다.
Ci
tps = 3.7×10 
