베타 붕괴
Beta decay |
| 핵물리학 |
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| 핵·핵자(p, n)·핵물질·핵력·핵구조·핵반응 |
핵물리학에서 베타 붕괴(β-decay)는 원자핵에서 베타 입자(빠른 에너지 전자 또는 양전자)가 방출되어 원래 핵종을 해당 핵종의 이소바로 변환하는 방사성 붕괴의 일종이다.예를 들어 중성자의 베타 붕괴는 반중성미자를 동반한 전자의 방출에 의해 양성자로 변환되거나, 반대로 양성자는 소위 양전자 방출에서 중성자와 중성자의 방출에 의해 중성자로 변환된다.베타 입자 및 관련 중성미자는 베타 붕괴 전에 핵 내에 존재하지 않지만 붕괴 과정에서 생성된다.이 과정을 통해 불안정한 원자는 양성자와 중성자의 보다 안정된 비율을 얻는다.베타와 다른 형태의 붕괴로 인한 핵종의 붕괴 확률은 핵 결합 에너지에 의해 결정된다.현존하는 모든 핵종의 결합 에너지는 소위 핵 밴드 또는 [1]안정성의 계곡이라고 불리는 것을 형성합니다.전자 또는 양전자 방출이 에너지적으로 가능하려면 에너지 방출(아래 참조) 또는 Q 값이 양수여야 합니다.
베타 붕괴는 약한 힘의 결과로, 상대적으로 긴 붕괴 시간을 특징으로 합니다.핵자는 업쿼크와 다운쿼크로 [2]구성되며, 약한 힘에 의해 W보손의 방출에 의해 전자/반중성자 또는 양전자/중성자 쌍이 생성됨으로써 쿼크가 그 풍미를 변화시킨다.예를 들어, 두 개의 다운 쿼크와 업 쿼크로 구성된 중성자는 다운 쿼크와 두 개의 업 쿼크로 구성된 양성자로 분해됩니다.
약한 힘에 의해 매개되는 기본적인 핵 과정이 동일하기 때문에 전자 포획은 베타 [3]붕괴의 한 종류로 포함되기도 한다.전자포착에서는 원자핵 내의 양성자에 의해 내부 원자전자가 포획되어 중성자로 변환되어 전자 중성미자가 방출된다.
묘사
베타 붕괴의 두 가지 유형은 베타 마이너스 및 베타 플러스로 알려져 있습니다.베타 마이너스(β−) 붕괴에서는 중성자가 양성자로 변환되어 전자 및 전자 반중성미자가 생성되고, 베타 플러스+(β) 붕괴에서는 양성자가 중성자로 변환되어 양전자 및 전자 중성미자가 생성된다.β+ 붕괴는 양전자 [4]방출이라고도 한다.
베타 붕괴는 렙톤 수, 또는 전자와 관련된 중성미자의 수라고 알려진 양자 수를 보존합니다.이 입자들은 렙톤 번호 +1을 가지고 있는 반면, 그들의 대입자들은 렙톤 번호 -1을 가지고 있다.양성자 또는 중성자는 렙톤 번호 0을 가지므로 β 붕괴(양전자 또는 반전자)는+ 전자 중성미자를 동반해야 하며− β 붕괴(전자)는 전자 반중성미자를 동반해야 한다.
전자 방출(β− 붕괴)의 예로는 탄소-14가 질소-14로 붕괴되어 반감기가 약 5,730년이다.
- 14
6C
→ N
+ e−
+ µ
e
이러한 붕괴 형태에서, 원래의 원소는 핵 변환이라고 알려진 과정에서 새로운 화학 원소가 된다.이 새로운 원소는 변경되지 않은 질량 번호 A를 가지지만 원자 번호 Z는 1만큼 증가합니다.모든 핵붕괴와 마찬가지로 붕괴원소(이 경우
C)는 부모핵종, 결과원소(이 경우
N)는 딸핵종으로 알려져 있다.
또 다른 예로는 수소-3(트리튬)이 헬륨-3으로 붕괴되어 반감기가 약 12.3년이다.
- 3
1H
→ He
+ e−
+ ν
e
양전자 방출(β+ 붕괴)의 예로는 마그네슘-23이 나트륨-23으로 붕괴되어 반감기가 약 11.3초이다.
- 23
12Mg
→ Na
+ e+
+ µ
e
또한+ β 붕괴는 핵변환을 유발하며, 결과 원소는 원자 번호가 1만큼 감소한다.
베타 스펙트럼, 즉 베타 입자에 대한 에너지 값의 분포는 연속적입니다.붕괴 과정의 총 에너지는 전자, 반중성미자, 반동핵종으로 나뉜다.오른쪽 그림에는 Bi의 베타 붕괴로부터 0.40 MeV의 에너지를 가진 전자의 예가 나와 있다.이 예에서, 총 붕괴 에너지는 1.16 MeV이므로, 반뉴트리노는 1.16 MeV - 0.40 MeV = 0.76 MeV의 남은 에너지를 가집니다.곡선의 맨 오른쪽에 있는 전자는 가능한 최대 운동 에너지를 가지며, 중성미자의 에너지는 그것의 작은 휴지 질량에 불과하다.
역사
검출 및 초기 특성 평가
방사능은 1896년 앙리 베크렐에 의해 우라늄에서 발견되었고, 이후 마리 퀴리와 피에르 퀴리에 의해 토륨과 새로운 원소인 폴로늄과 라듐에서 관찰되었다.1899년 어니스트 러더포드는 물체 투과와 이온화를 일으키는 능력에 기초하여 방사성 방출을 알파와 베타(현재의 베타 마이너스)의 두 가지 유형으로 분리했다.알파선은 얇은 종이판이나 알루미늄으로 막을 수 있는 반면 베타선은 수 밀리미터의 알루미늄을 투과할 수 있다.1900년 폴 빌라드는 1903년 루더포드가 근본적으로 새로운 유형으로 식별한 감마선이라는 더 투과적인 방사선을 확인했다.알파, 베타, 감마는 그리스 알파벳의 첫 세 글자입니다.
1900년에 베크렐은 J.J.의 방법으로 베타 입자의 전하 질량비(m/e)를 측정했습니다. 톰슨은 음극선을 연구하여 전자를 확인하곤 했다.그는 베타 입자의 m/e가 톰슨의 전자와 동일하다는 것을 발견했고, 따라서 베타 입자가 사실상 [5]전자임을 시사했다.
1901년, 러더포드와 프레더릭 소디는 알파와 베타 방사능이 원자의 다른 화학 원소의 원자로의 변환과 관련이 있다는 것을 보여주었다.1913년, 더 많은 방사성 붕괴의 산물이 알려진 후, 소디와 카지미에즈 파얀스는 독립적으로 방사성 변위 법칙을 제안했다. 이 법칙은 한 원소의 베타(β−
) 방출이 주기율표의 한 곳에서 다른 원소를 생성하는 반면, 알파 방출은 두 곳에서 왼쪽으로 원소를 생성한다는 것이다.
중성미자
베타 붕괴 연구는 중성미자의 존재에 대한 최초의 물리적 증거를 제공했다.알파와 감마 붕괴에서 알파 또는 감마 입자는 초기 핵 상태와 최종 핵 상태 사이의 차이에서 에너지를 전달하기 때문에 에너지 분포가 좁다.그러나 1911년 Lise Meitner와 Otto Han이 측정한 베타 입자의 운동 에너지 분포 또는 스펙트럼은 확산 배경에서 여러 선을 보였다.이러한 측정은 베타 입자가 연속 [6]스펙트럼을 가지고 있다는 첫 번째 힌트를 제공했다.1914년, 제임스 채드윅은 스펙트럼이 [6][7]연속적이라는 것을 보여주는 보다 정확한 측정을 하기 위해 한스 가이거의 새로운 카운터 중 하나와 함께 자기 분광계를 사용했다.베타 입자 에너지의 분포는 에너지 보존의 법칙과 명백히 모순되었다.베타 붕괴가 당시 가정한 대로 단순히 전자 방출이었다면, 방출된 전자의 에너지는 특정하고 명확하게 정의된 [8]값을 가져야 한다.그러나 베타 붕괴의 경우 관측된 에너지의 광범위한 분포는 베타 붕괴 과정에서 에너지가 손실된다는 것을 시사했다.이 스펙트럼은 여러 해 동안 혼란스러웠다.
두 번째 문제는 각운동량 보존과 관련이 있다.분자 대역 스펙트럼에 따르면 질소-14의 핵 스핀은 1(즉, 감소된 플랑크 상수와 동일)이며, 보다 일반적으로 스핀은 짝수 질량수의 핵에 대해 적분이고 홀수 질량수의 핵에 대해서는 반적분이다.이것은 나중에 [8]핵의 양성자-중성자 모델에 의해 설명되었다.베타 붕괴는 질량수를 변경하지 않고 유지하므로 핵 스핀의 변화는 정수여야 합니다.그러나 전자 스핀은 1/2이므로 베타 붕괴가 단순히 전자 방출이라면 각 운동량은 보존되지 않을 것이다.
1920년부터 1927년까지 Charles Drummond Ellis (Chadwick 및 동료들과 함께)는 베타 붕괴 스펙트럼이 연속적이라는 것을 더욱 밝혀냈다.1933년, 엘리스와 네빌 모트는 베타 스펙트럼이 에너지에서 효과적인 상한을 가지고 있다는 강력한 증거를 얻었다.닐스 보어는 에너지 보존이 통계적 의미에서만 사실이라면 베타 스펙트럼이 설명될 수 있다고 제안했고, 따라서 이 원리는 주어진 [8]: 27 붕괴에서 위반될 수 있다.그러나 엘리스와 모트가 결정한 베타 에너지의 상한은 그러한 개념을 배제했다.이제, 알려진 베타 붕괴 생성물의 에너지 변동성과 그 과정에서 운동량과 각운동량의 보존에 관한 문제가 첨예해졌다.
1930년에 쓴 유명한 편지에서 볼프강 파울리는 전자와 양성자 외에도 원자핵이 중성자라고 부르는 매우 가벼운 중성 입자를 포함하고 있다는 것을 암시함으로써 베타 입자 에너지 난제를 해결하려고 시도했다.그는 이 "중성자"가 베타 붕괴 동안 방출되었다고 제안했지만(따라서 누락된 에너지, 운동량, 각운동량을 설명함) 아직 관측되지 않았다.1931년, 엔리코 페르미는 파울리의 "중성자"를 "중성자"로 개명했다.1933년, 페르미는 양자역학의 원리를 물질 입자에 적용한 베타 붕괴에 대한 그의 획기적인 이론을 발표했는데, 원자 이동의 광양자처럼 물질 입자가 생성되고 소멸될 수 있다고 가정했습니다.따라서 페르미에 따르면 중성미자는 핵에 포함된 것이 아니라 베타 붕괴 과정에서 생성된다; 전자에도 같은 일이 일어난다.물질과의 중성미자 상호작용이 너무 약해서 그것을 검출하는 것은 심각한 실험적인 도전으로 판명되었다.중성미자의 존재에 대한 간접적인 증거는 전자 흡수 후 이러한 입자를 방출하는 핵의 반동을 관찰함으로써 얻어졌다.중성미자는 1956년 클라이드 코완과 프레데릭 라인즈가 코완-라인 중성미자 실험에서 [9]직접 검출했다.중성미자의 특성은 파울리와 페르미가 예측한 바와 같이 (몇 가지 사소한 수정이 있었다.)
β+
붕괴 및 전자 포획
1934년 프레데릭과 이렌 졸리오-퀴리는 핵 반응에
영향을
미치기 위해 알루미늄 입자를 폭격했고, 생성물 동위원소
P가
우주선에서 발견된 것과 동일한 양전자를 방출하는 것을 관찰했다(1932년 칼 데이비드 앤더슨이 발견).이는 β 붕괴(양성자 방출)의+
첫 번째 사례로, 이들은 P가 자연에 존재하지 않는 단수명 핵종이기
때문에 인공 방사능이라고 불렀다.이 발견을 인정받아 1935년 [10]노벨 화학상을 받았다.
전자 포획 이론은 1934년 지안 카를로 윅에 의해 처음 논의되었고, 그 후 유카와 히데키 등에 의해 개발되었다.K-전자 포획은 1937년 루이스 알바레즈가 핵종 [11][12][13]V에서 처음 관찰했다.알바레즈는 Ga와 다른 [11][14][15]핵종에서 전자 포획을 연구했다.
패리티 비보존재
1956년 리숭다오와 양첸닝은 약한 상호작용에서 패리티가 보존된다는 증거가 없다는 것을 알게 되었고, 그래서 그들은 이 대칭이 약한 힘에 의해 보존되지 않을 수도 있다고 가정했다.그들은 [16]실험실에서 동등성 보존을 테스트하기 위한 실험을 위한 설계의 밑그림을 그렸다.그해 말, 우친슝과 동료들은 추운 온도에서 Co의
비대칭 베타 붕괴를 보여주는 우 실험을 수행했는데, 이는 베타 [17][18]붕괴에서 패리티가 보존되지 않는다는 것을 증명했다.이 놀라운 결과는 동등성과 약한 힘에 대한 오랜 가정을 뒤엎었다.이론적인 업적을 인정받아 리와 양은 1957년 노벨 물리학상을 받았다.그러나 여성인 우 씨는 노벨상을 [19]받지 못했다.
β붕괴−
β붕괴에서−
약한 상호작용은 원자핵을 원자번호가 1 증가된 핵으로 변환하는 동시에−
전자(e)와 전자 반중성미자(
θ)를
e 방출한다.β
붕괴는−
일반적으로 중성자가 풍부한 [22]핵에서 발생한다.일반적인 방정식은 다음과 같습니다.
- A
ZX
−
→ X
+ + e + x
e[1]
여기서 A와 Z는 붕괴핵의 질량번호와 원자번호이며, X와 X'는 각각 초기 및 최종 원소이다.
또 다른 예는 자유 중성자(1
0n
)가
β로−
붕괴하여 양성자
(p)가 되는 경우이다.
n
→ p
+ e−
+ ν
e 。
근본적인 수준(로 파인만 도표에서 오른쪽에 묘사되어)에서, 이것이 음극(−.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac .num,.mw의 변환에 의해 발생한다.-parser-output.sfrac .den{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}1/3 e)은 양극을 위해 쿼크는 W− 입자의 방출, W− 쿼크를(+2/3 e).보슨 나중에 전자와 전자 antineutrino에:희석되는 것.
d
→ u
+ e−
+ ν
e 。
β붕괴+
β 붕괴, 즉 양전자 방출에서+
약한 상호작용은 양전자(e+
)와 전자 중성미자(θ)
를
e 방출하면서 원자핵을 원자번호가 1 감소된 핵으로 변환한다.β
붕괴는+
일반적으로 양성자가 풍부한 핵에서 발생한다.일반적인 방정식은 다음과 같습니다.
- A
ZX
+
→ X
+ + e + x
e[1]
이는 핵 내부의 양성자가 중성자로 붕괴하는 것으로 간주할 수 있다.
- p → n + e+
+ ν
e[1]
단+
, 중성자 질량이 양성자 질량보다 크기 때문에 에너지가 필요하기 때문에 고립된 양성자에서는 β 붕괴가 발생할 수 없다.β
붕괴는+
딸 핵이 모핵보다 결합 에너지가 더 클 때(따라서 총 에너지가 더 낮을 때) 핵 내부에서만 발생할 수 있다.이 에너지들 사이의 차이는 양성자를 중성자, 양전자, 중성미자로 변환하는 반응과 이러한 입자들의 운동 에너지로 변환하는 반응에 들어간다.이 과정은 음의 베타 붕괴와 반대되는 것으로 약한 상호작용이 업 쿼크를 다운 쿼크로 변환하여 W의+
방출 또는−
W의 흡수를 초래함으로써 양성자를 중성자로 변환한다.W+
보손이 방출되면 양전자와 전자 중성미자로 붕괴됩니다.
u
→ d
+ e+
+ ν
e 。
전자포착(K포착)
핵의 β 붕괴(양전자 방출)가 에너지적으로 허용되는 모든+
경우에서 전자 포획도 허용된다.이것은 핵이 원자 전자 중 하나를 포착하여 중성미자를 방출하는 과정입니다.
- A
ZX
+ e−
→
X420 + ν
e
전자 포획의 예는 크립톤-81이 브롬-81로 분해되는 모드 중 하나입니다.
- 81
36Kr
+ e−
→ Br
+ ν
e
방출된 중성미자는 모두 같은 에너지이다.초기 상태와 최종 상태 사이의 에너지 차이가 2mce2 미만인 양성자가 풍부한 핵에서는 β 붕괴가 에너지적으로 가능하지 않으며 전자+
포획이 유일한 붕괴 [23]모드이다.
만약 포획된 전자가 원자핵과 상호작용할 확률이 가장 높은 원자의 가장 안쪽 껍질인 K-쉘에서 나온다면, 그 과정은 K-캡처라고 불립니다.[24]L-shell에서 나오는 경우 L-capture 등이라고 합니다.
전자 포획은 β 붕괴를 겪을+ 수 있는 모든 핵에 대한 경쟁적인 (동시) 붕괴 과정이다.그러나 그 반대는 사실이 아니다: 전자 포획은 양전자와 중성미자를 [23]방출하기에 충분한 에너지를 가지고 있지 않은 양성자가 풍부한 핵종에서 허용되는 유일한 붕괴 유형이다.
핵변환
양성자와 중성자가 원자핵의 일부일 경우, 위에서 설명한 붕괴 과정은 한 화학 원소를 다른 화학 원소로 변환합니다.예를 들어 다음과 같습니다.