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방사능
방사능(放射能, Radioactivity)은 불안정한 원소의 원자핵이 스스로 붕괴하면서 내부로부터 방사선을 방출하는데, 이 방사선의 세기를 방사능이라고 한다.
개요
방사능은 전자기파나 입자의 형태로 에너지를 방출하는 물질의 성질을 말한다. 이것은 물질 안에서 불안정한 핵(nucleus)이 붕괴하기 때문이다. 방사능을 가지는 물질을 방사성물질(radioactive substance)라고 하며 방출되는 입자나 전자기파를 방사선(radioactive ray)라고 한다.
핵이 다른 핵종으로 변환되는 경우 입자를 방출하는데, 헬륨원자핵을 방출하는 알파붕괴(alpha decay)와 전자를 내 놓거나 흡수하는 베타붕괴(beta decay)가 대표적인 예이다. 전자기파를 내놓는 경우는 핵종은 변하지 않고 들뜬상태에서 보다 안정한 상태로 전이한다. 이것을 감마붕괴(gamma decay)라고 하며 원자에서 빛이 방출되는 원리와 같다. 이러한 모든 과정을 통틀어 방사성붕괴(radioactive decay)라고 한다.
물질의 방사능에 대한 에스아이(SI) 단위는 Bq(베크렐)인데 그 안에서 1 초에 한 개의 붕괴가 일어나는 것을 뜻한다.
방사능 현상에서 어떤 핵이 붕괴할지 아닐지는 확률적으로 결정이 된다. 따라서 물질 안에서 어떤 시간 동안 붕괴하는 핵의 수는 현재 남아 있는 핵의 수에 확률에 해당하는 방사능 붕괴상수(radioactive decay constant)를 곱한 값이 되며 그 결과 붕괴하지 않고 남아 있는 핵의 수는 지수적으로 감소한다. 이렇게 되면 어떤 물질 속에 붕괴하지 않고 남아 있는 핵의 수가 반이 되는 데 걸리는 시간은 항상 같으며 이것을 반감기(half-life)라고 한다. 방사능 붕괴상수와 반감기는 핵종에 따라 다르다. 반감기를 이용하여 남아있는 어떤 특정한 핵종의 비율로부터 돌이나 고고학적 유물의 생성 연대를 추정할 수 있다.
방사성 붕괴에 수반되는 에너지는 대부분 매우 높아 방사능에 직접 노출이 되면 생명체의 세포나 물질의 구조가 파괴될 위험이 있다. 초창기에는 그 위험성을 감지하지 못하여 방사능을 연구하던 과학자들과 방사성물질을 다루던 기술자들이 많은 피해를 입었다. 또한 원자폭탄(atomic bomb)과 원자력발전소(nuclear power plant) 사고는 방사능에 노출된 생명체들 모두 후속세대에까지 심각하게 나쁜 영향을 끼쳤다. 원자로 등에서 사용하는 기기들은 일반기기와는 달리 방사능에 의한 기능의 변화가 최소화되도록 설계되어야 한다. 제어할 수 있는 방사능은 음식물을 상하지 않게 하면서 세균을 죽인다거나 암의 진단 및 치료 등 많은 곳에서 유용하게 활용된다.
지구 내부에는 방사성물질(radioactive substance)이 있어서 이들이 붕괴하면서 나오는 열로 현재 지구의 평균 온도가 태양에너지만을 받았을 때보다 약간 높아 생명현상을 유지하는 데 큰 도움이 된다. 지열의 약 80%는 방사성물질이 내는 것이며 이 에너지에 의해 맨틀의 유동성이 생겨 지각이 그 위에서 움직일 수 있다.
지구 상의 물질에서 나오는 방사선뿐 아니라 지구 밖에서도 계속 매우 높은 에너지를 가지는 입자나 전자기파가 지구로 들어오고 있다. 특히 태양에서 플레어 현상이 일어날 때에는 지구에 상당한 양의 입자가 도달할 수 있다. 하지만 이들 입자는 대부분 지구 자기장에 잡히거나 대기에 있는 분자들과 충돌하여 지표면까지 도달하지 못하기 때문에 지구에서 생명현상이 가능하다. 달에는 이러한 보호막이 없으며 우주 비행을 하는 우주선도 방사능에 그대로 노출된다.
방사능 단위
방사능은 단위시간 당 붕괴 수로 나타내며, 식은 다음과 같다.
R = -dN/dt
여기서 R은 방사능, N은 핵의 수를 나타낸다. dN/dt가 음수값을 갖기 때문에 R의 값을 양수로 만들기 위해 (-)를 붙인다.
방사능의 SI 단위는 발견자 앙리 베크렐(Becquerel)의 이름을 따서 다음과 같이 쓴다.
1 becquerel = 1 Bq = 1 붕괴/s
실제로 나타나는 방사능은 매우 높기 때문에 megabecquerel(1MBq = 1,000,000Bq)이나 gigabecquerel(1GBq = 1,000,000,000Bq)이 실제 단위로 더 적당하다.
방사능의 역사
방사능은 지구에 내내 있었지만 최초로 발견한 사람은 베크렐(H. Becquerel, 1852-1908)이다. 그는 우라늄염의 형광에 대해 연구하다가 햇빛에 노출되지 않은 우라늄염이 사진 건판을 감광시키는 것을 보고 우연히 방사능을 발견하였다. 베크렐의 제자인 마리 퀴리(M. Curie, 1867-1934)와 그녀의 남편 피에르 퀴리(P. Curie, 1869-1909)는 우라늄 광석에서 강력한 방사능을 가진 두 방사성동위원소 라듐과 폴로늄을 추출하였다. 베크렐과 퀴리 부부는 1903년 노벨물리학상을 수상하였다.
러더퍼드(E. Rutherford, 1871-1931)는 베크렐이 발견한 방사능에 대해 연구하던 중 두 종류의 방사선은 엑스선과 침투효과가 다른 것을 발견하여 이들을 알파선과 베타선으로 명명하였다. 또한 물질의 방사능 현상에 반감기가 있다는 것도 최초로 발견하였다. 방사능에 대한 이러한 공로로 그는 1908년에 노벨화학상을 수상하였다. 그 후에도 알파선이 전자를 잃은 헬륨원자라는 것도 밝혔고 그의 제자 소디(F. Soddy, 1877-1956)와 함께 방사능을 가지는 물질에서는 원소의 변환이 일어난다는 것을 발견하였다. 소디는 원소들이 붕괴할 때 나오는 동위원소들에 대해 많은 연구업적을 남겼고 1921년 노벨화학상을 수상하였다.
방사능의 종류
핵에서 에너지를 가지고 나오는 방사선의 종류나 핵이 붕괴하는 방식은 다양하다. 방사능 역사의 시작때부터 잘 알려진 것은 알파붕괴, 베타붕괴, 감마붕괴를 통해 나오는 알파선, 베타선, 감마선이다. 알파선은 핵으로부터 헬륨원자의 핵이 방출되는 것으로 그 결과 원래의 핵은 질량수가 4, 원자번호가 2 감소한 핵으로 변환된다. 핵의 베타붕괴에서는 핵 안에 들어 있던 중성자가 양성자로 변환되며 이 때 나오는 전자가 베타선이다. 중성미자(neutrino)의 반입자인 반중성미자(antineutrino)도 함께 나오지만 거의 감지되지 않는다. 베타붕괴의 결과 핵은 질량수는 변하지 않고 원자번호가 하나 증가한다. 양성자 수가 넘친 핵의 경우 양성자가 중성자로 바뀌며 양전자(positron)와 중성미자를 방출하는 베타붕괴도 일어난다. 하지만 이때 양전자는 방사선이 되지 못하고 방출되자마자 주변의 물질에 들어 있던 전자와 함께 소멸되어 두 개의 광자를 내 놓는다. 임의의 방향으로 방출되기는 하지만 두 광자는 항상 반대방향으로 움직인다. 원자의 낮은 에너지준위에 있던 전자를 포획하며 일어나는 베타붕괴도 있지만 이 경우에도 에너지는 중성미자가 가지고 나가기 때문에 위험한 방사선을 내지는 않는다. 이 두 경우 모두 핵은 원자번호가 하나 감소하고 질량수는 그대로인 다른 핵종으로 변환된다.
감마붕괴는 알파붕괴나 베타붕괴, 핵분열이나 핵융합 또는 다른 핵반응의 결과 새로 만들어진 핵들이 들뜬상태가 되므로 이것이 보다 안정된 상태로 되면서 전자기파를 방출하는 것이다. 이때 핵은 변환되지 않는다. 핵이 변환되지 않으면서도 전자가 방출되는 경우도 있는 데 이것은 핵에서 방출한 감마선이 원자의 낮은 에너지준위에 있던 전자에게 전달되어 전자를 튕겨내는 내부전환(internal conversion)이다. 튕겨나간 전자의 에너지준위는 보다 높은 에너지준위에 있던 전자가 전이하여 채우게 되는데 이때 엑스선(X ray)이 방출된다.
핵에서 양성자나 중성자 또는 매우 가벼운 핵이 방출되는 경우도 있는 데 이에 따라 원자번호나 질량수가 변한다.
== 핵의 붕괴와 반감기 방사성붕괴 현상에서 어떤 핵이 붕괴할지 아닐지는 확률적으로 결정이 된다. 어떤 순간 t에 물질에 들어 있는 어떤 핵의 수를 N(t)라 하자. 충분히 짧은 시간 ∆t후 핵의 수가 N(t+∆t)로 줄어들었다고 하면 N(t)-N(t+∆t) = -∆N만큼 붕괴한 것이고 이 양은 N(t)와 ∆t에 비례한다. 즉,
∆N ∝ N(t)∆t,
이다. 비례상수 λ를 도입하여 식을 등식으로 바꾸고 ∆t→ 0의 극한을 취하면
dN/dt = λN
과 같은 에 N(t)대한 방정식을 얻는다. 이 때 비례상수 λ를 해당 핵의 방사능 붕괴상수라고 한다. 이 방정식의 해는
N(t) = N₀e⁻λt 이며 남아있는 핵의 수가 지수함수적으로 감소하는 것을 보여준다. 이 식은 다시
N(t) = N₀2⁻λt/In(2)
와 같이 쓸 수 있으므로 시간이 In(2)/λ만큼 지날 때마다 남아있는 수가 반으로 줄어든다. 이 시간 간격을 반감기(half-life)라고 한다. '반으로 줄어드는(감) 기간'이라는 뜻이다.
방사능 붕괴상수와 반감기는 핵종에 따라 다르고, 남아있는 어떤 특정한 핵종의 비율로부터 돌이나 고고학적 유물의 생성 연대를 추정할 수 있다.
위험성
방사선은 물질을 이온화시켜 강제로 화학 반응을 일으킨다. 그건 우리 몸 속의 세포나 DNA를 구성하는 원자들도 예외는 아니다. 이온화를 통해 화학반응을 일으키는 것은 산(Acid)의 반응 메커니즘과 같다. 즉 이를 이해하기 쉽게 설명하자면, 생물의 몸을 방사선이라는 나노 염산이 구석구석 화학적으로 볶아버리는 것이다. 물론 인간을 비롯한 여러 동식물 또한 언제나 자연방사능에 피폭 당하고 있고, DNA도 변형이 이루어지는 경우 자가수복기능을 통해 어느 정도까지의 데미지는 무시할 수 있다. 그러나 이 수복능력을 넘어서는 급진적, 장기적 화학적 변화가 일어나면 우리가 알고 있는 방사선 피폭의 증상이 발생하는 것이다. 잘 알려진 피폭 증세 중 하나는 입에서 납, 철등을 입에 머금은 것 같은금속맛이 느껴진다는 것인데, 히로시마, 나가사키 원자폭탄 투하 건부터, 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고 등 여러 방사선 사고에 의한 피폭자들이 하나같이 공통적으로 증언한 것이다. 이는 방사선이 미뢰의 신경을 교란하기 때문인 것으로 밝혀졌다.
우리는 항상 자연스럽게 방사성 물질을 섭취하고 있다. 바나나, 자연재해, TV 같은 일상적인 요소에도 미량의 방사성 물질이 있기는 하지만, 매우 적은 양이기 때문에 인체에 해는 없다. 오히려 미량의 방사선은 몸에 좋다는 이론도 있으나, 실은 극미량이라도 선형적으로 위험이 증가한다는 이론이 주류다.
방사성 물질이나 방사선을 사용하는 곳에서는 방사성 폐기물이 나오게 되는데, 이것을 처리하기가 쉽지 않다. 병원에서 사용하는 의료기기 같은 경우는 사용 중 지속적으로 방사능 물질을 생산해내진 않지만, 사용이 끝난 의료기기를 제대로 처리하지 않으면 이런 병크를 터트리는 수가 있다.
방사선과 방사능의 차이
흔히들 방사선과 방사능을 혼돈하여 생각하기 쉽다. 방사선은 방사성물질이 내는 에너지 흐름이었다면, 방사능은 말 그대로 방사성물질의 능력, 즉, 방사성 물질이 방사선을 내는 강도를 뜻한다. 방사선은 에너지의 흐름이기 때문에 눈에 보이지도 않으며, 냄새나 맛도 없다. 방사선은 알파, 베타, 중성자, 엑스, 감마선으로 나뉘는데, 각 종류 별로 형태나 힘의 차이가 다르다.
- 알파선 : 알파선은 얇은 종이 또는 인체의 피부조직으로도 충분히 차폐가 가능하기 때문에 외부피폭은 문제가 되지 않는다. 하지만 알파선을 방출하는 방사선원을 호흡, 섭취, 또는 피부를 통해 체내로 섭취하게 되면 인체는 손상을 받을 수 있다. 생활환경(주택, 사무실) 중에 존재하는 라돈가스(Rn-222)는 알파선을 방출하는 방사성핵종이다.
- 베타선 : 베타선은 종이로는 차폐할 수 없고 에너지가 클 경우 피부조직에 손상을 줄 수 있다. 차폐재로는 베타선의 에너지에 따라 적당한 두께의 플라스틱을 사용한다. 체내로 섭취되면 인체에 영향을 줄 수 있다.
- 감마선 : 감마선은 세 종류의 방사선 중에서도 가장 투과력이 강하다. 외부 피폭의 경우 인체 내부의 장기에 손상을 줄 수 있어 벽두께 정도의 콘크리트 또는 차폐효과가 우수한 납을 차폐체로 사용한다.
현황
방사능을 지닌 물질은 원자력발전소, 원자폭탄 폭발, 실험용 원자로에서 주로 생성된다. 원자력발전소에서는 우라늄의 핵분열이 일어날 때 다량의 방사성 원소가 생기고, 원자폭탄이 폭발할 때 우라늄이나 플루토늄의 분열로 많은 양의 방사성 원소가 만들어진다. 방사성 원소는 의학적인 진단이나 과학 연구에서도 사용되는데, 이들 원소는 주로 연구용 원자로에서 일어나는 중성자 흡수를 이용해서 만든다. 연구용 원자로에서 일어난 핵분열을 통해서 생성되는 방사성 원소도 의학이나 과학 연구에 사용될 수 있다.
참고자료
- 〈방사능〉, 《물리학백과》
- 〈방사능〉, 《두산백과》
- 〈방사능〉, 《나무위키》
- 〈Q02 방사선과 방사능의 차이는?〉, Atomic Wiki
같이 보기
