지금까지 전자들의 안정성과
안정적인 껍질에서 전자의 배치에 대해 살펴봤습니다
삶의 모든 것이 그렇듯이
원자에 대해 좀 더 알아본다면
원자 안에 전자만 있는 게 아니란 것을 알게 될 겁니다
핵 자체도 나름의 상호작용과 불안정성을 갖고 있고
어떤 식으로든 안정화되어야 합니다
이것이 이 영상의 주제입니다
사실 자세한 내용은 1학년 화학의 범위 밖입니다
하지만 이런 게 있다는 정도만 알아도 도움이 됩니다
나중에 강한 상호작용, 양자역학 등을 배우게 되면
양성자와 중성자, 이를 구성하는 쿼크들이
어떻게 상호작용하는지 논의할 수 있을 겁니다
일단 핵 붕괴의 종류를 알아봅시다
양성자 여러 개가 있다고 합시다
중성자들도 있습니다
양성자는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8개
중성자는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9개입니다
이게 원자핵이라고 합시다
사실, 원자에 대한 첫 영상에서 언급했듯이
실제 원자를 그리기는 매우 어렵습니다
명확한 경계가 없기 때문이죠
임의의 순간에 전자는 어디에나 있을 수 있습니다
그러나 전자가 90% 확률로 존재하는 범위를
원자의 반경 또는
지름으로 정합니다
첫 영상에서 나왔듯이
핵의 부피는 매우 작은 비율이고
전자가 90%를 차지합니다
따라서 우리가 살면서 보는 것들은
그냥 빈 공간입니다
그러나 그 매우 작은 부분이
원자 부피의 매우 작은 비율임에도 불구하고
질량의 대부분을 차지합니다
이를 확대해 놓은 것이 이 그림입니다
이것들은 원자나 전자가 아닙니다
핵이죠
가끔 핵이 불안정한 경우
안정한 배치로 가려고 합니다
불안정한 핵의 조건에 대해서는
깊이 들어가지 않을 겁니다
더 안정한 핵이 되기 위해서,
α입자를 방출하는 경우가 있습니다
이를 α붕괴라 합니다
원자핵은 α입자를 방출하죠
멋진 이름입니다
하지만 중성자와 양성자의 모음일 뿐입니다
α입자는 중성자 2개와 양성자 2개로 이루어져 있습니다
예를 들어 여기 있는 모음이
방출된다고 해봅시다
핵을 떠나는 겁니다
이제 원자에 어떤 일이 생길지 생각해봅시다
E라는 원소를 가정해봅시다
양성자 p개를 갖고 있다고 해보죠
질량수는 양성자 수＋중성자 수입니다
α붕괴를 거치면 어떻게 될까요?
양성자 수는 2개 감소합니다
양성자 수는 p－2가 되죠
중성자도 2개 감소합니다
따라서 질량수는 4 감소합니다
즉 p－2＋n－2＝p＋n－4입니다
질량수가 4 감소하고
새로운 원소로 바뀝니다
원소의 종류는 양성자 수로 결정되기 때문이죠
따라서 α붕괴에서는 양성자와 중성자가 2개씩 감소하고
특히 양성자 수가 감소하므로
원소가 바뀝니다
처음 원소를 E₁,
나중 원소를 E₂라 합시다
그리고 양성자 2개, 중성자 2개를 가진 입자를 방출합니다
입자의 질량은 양성자 2개와
중성자 2개의 질량일 겁니다
즉 질량수 4인 입자를 방출하는 겁니다
이 입자는 무엇일까요?
주기율표를 찾아보면
양성자 2개인 원소는 헬륨입니다
질량수는 4죠
α붕괴에서 방출되는 입자는 He 핵입니다
α입자가 곧 He 핵인 것이죠
또한 두 양성자를 상쇄시킬 전자가 없기 때문에
He 이온입니다
전자가 없고 양성자 2개를 가지므로
전하량이 ＋2입니다
정리하면 α입자는 He의 2가 양이온이고
안정한 상태가 되기 위해 핵에서 자발적으로 방출됩니다
다른 종류의 붕괴에 대해서도 알아봅시다
새로운 핵을 그려 보죠
중성자들과
양성자들이 있습니다
가끔 중성자들은 자기 자신에 대해 불만족스러워합니다
양성자들의 하루 일과를 보면서 이렇게 말하죠
"나는 정말로 양성자가 되어야 할 것 같아"
"만약 내가 양성자라면 핵이 더 안정해질 거야"
중성자들은 전기적으로 중성이므로
양성자가 되기 위해
전자를 방출합니다
아마 여러분들은
중성자 안에 전자가 있는지 헷갈릴 겁니다
충분히 이해합니다
받아들이기 어렵죠
나중에 핵 안에 무엇이 있는지
공부하게 될 겁니다
일단은 전자를 방출할 수 있다고 생각합시다
중성자가 전자를 방출합니다
전자의 질량은 0이라 합시다
실제로 0은 아니지만
원자질량단위로 봤을 때
양성자가 1이면 전자는 1/1,836입니다
따라서 대략 0이라 해도 무방합니다
정확히 0은 아니지만요
전하는 －1입니다
만약 전자가 원자라면
원자번호 －1이 될 겁니다
어쨌든 전자를 방출함으로써
중성이었던 중성자가
양성자로 바뀝니다
이를 β붕괴라 합니다
β입자는 방출한 전자입니다
핵 반응식을 써 봅시다
원소 E에는 양성자 p개와
중성자 N개가 있습니다
둘을 더하면 질량수가 됩니다
β붕괴를 거치면 어떤 일이 일어날까요?
양성자 수는 바뀌었나요?
1개가 더 늘어났습니다
중성자 하나가 양성자로 바뀌었으니까요
따라서 양성자 수는 p＋1입니다
질량수는 바뀌었나요?
중성자는 1개 감소하고
양성자는 1개 증가합니다
따라서 질량수는 그대로입니다
p＋N이죠
α붕괴와 다르게 질량은 그대로이지만
원소가 바뀝니다
양성자 수가 바뀌니까요
따라서 β붕괴에서도
새로운 원소가 나옵니다
이제 다른 상황을 생각해 봅시다
양성자 하나가 중성자를 보고 이렇게 말합니다
"중성자의 삶은
매력적인 것 같아"
"나는 중성자 역할이 더 맞을 것 같고
내가 중성자라면
핵이 더 안정해질 거야"
따라서 양성자는 어떤 확률로
양전자를 방출합니다
양전자가 무엇일까요?
양전자는 전자와 정확히 같은
질량을 갖습니다
양성자의 1/1836이죠
원자질량단위로 거의 0이므로
질량수 0으로 취급합니다
그러나 전하량은 ＋1입니다
여전히 e로 표기하므로
헷갈릴 수 있습니다
전자도 e로 표기하니까요
그러나 e로 표기하는 것은 전자와 완전히 같은 입자이기 때문입니다
음전하 대신 양전하를 가질 뿐이죠
그래서 양전자입니다
지금 나오는 입자나 현상들이
낯설게 느껴질 겁니다
하지만 실제 일어나는 현상입니다
양성자가 양전자를 방출하면
양전하도 같이 나가므로
중성자가 됩니다
이를 양전자 방출이라 합니다
"양전자 방출"이란 이름 속에
내용이 다 들어가 있죠
그럼 양성자 p개, 중성자 N개인 원소 E가
양전자 방출을 거치면
어떤 원소가 될까요?
양성자가 하나 감소하므로 양성자 수는 p－1입니다
그 양성자는 중성자가 되므로
p는 1 감소하고
N은 1 증가합니다
따라서 질량수는 그대로입니다
p＋N이죠
하지만 원소는 바뀝니다
β붕괴에서는 양성자 수가 증가해서
주기율표의 오른쪽으로,
즉 원자번호가 증가했지만
양전자 방출에서는
양성자 수가 감소합니다
그리고 양전자 하나가 나오죠
β붕괴에서는 전자 하나가 남습니다
두 과정은 완전히 같지만
β붕괴에서는 전하량 －1의 전자가 나오고
양전자 방출에서는 전하량 ＋1의 양전자가 나옵니다
이제 마지막 하나 남았습니다
핵 속의 양성자나 중성자 수를 바꾸진 않지만
엄청난 양의 에너지를 방출합니다
즉 고에너지 광자죠
이를 γ붕괴라 합니다
γ붕괴에서 핵자들은 재배치됩니다
그 과정에서, 진동수가 굉장히 큰 전자기파 형태로
에너지를 방출합니다
이 전자기파를 γ입자 또는 γ선이라고 합니다
에너지가 매우 높죠
여러분이 γ선에 노출되면
죽을 수도 있습니다
지금까지 이론적인 얘기만 했는데
실제 문제를 다뤄보면서
더 알아보도록 합시다
여기 질량수가 7인 Be-7이 있습니다
이것이 Li-7으로 바뀝니다
무슨 일이 일어난 걸까요?
핵의 질량은 그대로이지만
양성자가 4개에서 3개가 됐습니다
양성자 수가 감소했지만
전체 질량은 그대로입니다
따라서 α붕괴는 아닙니다
α붕괴는 핵에서 헬륨 하나가 빠져나가니까요
여기선 무엇이 방출되나요?
양전하 하나가 방출되므로
양전자를 방출한 겁니다
여기 써 있죠
양전자가 방출되었습니다
따라서 Be-7이 Li-7로 변하는 이 붕괴는
양전자 방출입니다
다음 예제를 봅시다
U-238이 Th-234로 붕괴합니다
원자량이 4 감소하고
원자번호, 즉 양성자 수는 2 감소합니다
따라서 여기서는 원자량 4이고
원자번호 2인 입자,
즉 He이 방출됩니다
따라서 이는 α붕괴입니다
여기 있는 게 α입자고
이것이 α붕괴의 예시입니다
여기서 여러분은 한가지 의문이 들 겁니다
양성자가 92개에서 90개로 줄어도
전자는 여전히 92개입니다
따라서 원자는 －2의 전하를 띠어야 합니다
또한 방출된 헬륨은
전자가 하나도 없는
헬륨 핵입니다
＋2의 전하를 띠어야 하죠
이런 의문이 들었다면, 아주 정확합니다
그러나 실제로는 붕괴가 일어날 때
토륨이 두 전자를 방출합니다
그리고 토륨은 중성이 됩니다
헬륨도 마찬가지입니다
전자 두 개를 얻어 안정해지려는 성질이 강해서
어딘가에 충돌하자마자 전자 두 개를 뺏어 옵니다
그렇게 안정한 상태가 되죠
다른 예제를 봅시다
아이오딘이 있습니다
어떤 일이 일어나는지 봅시다
질량수는 변하지 않습니다
따라서 양성자가 중성자로 변하거나
중성자가 양성자로 변한 겁니다
그런데 붕괴 전에는 양성자 53개이고
붕괴 후에는 54개입니다
따라서 중성자가 양성자로 변한 겁니다
그리고 중성자가 양성자로 변할 때
전자를 방출합니다
이 반응식은 그 과정을 나타내고 있습니다
전자가 방출되었으므로
β붕괴입니다
이것은 β입자입니다
여기서도 비슷한 의문이 생깁니다
양성자가 53개에서 54개로 증가했는데
양전하를 띠어야 하는 것 아닌가요?
아마 그럴 겁니다
그러나 즉시 전자를 얻습니다
반드시 방출했던 전자일 필요는 없지만
어디선가 전자를 취하고
다시 안정해집니다
그 사이의 짧은 시간 동안은 이온으로 존재합니다
예제를 하나 더 봅시다
원자번호 86인 Rn-222가
원자번호 84인 Po-218로 붕괴하는 과정입니다
잠깐 재미있는 이야기를 해보죠
폴로늄은 폴란드의 이름에서 유래했는데
퀴리 부인이 살던 당시 즉 1800년대 말에는
폴란드는 독립 국가가 아니었습니다
프러시아, 러시아, 오스트리아에 의해 분할 점령되어 있었죠
폴란드 사람들은 자신들이 한 민족임을
세계에 알리고 싶었습니다
따라서 퀴리 부인이 Po을 발견했을 때
조국 폴란드의 이름을 따 폴로늄이라 명명했습니다
새 원소를 발견하면 명명할 권리가 주어집니다
원래 문제로 돌아가서
어떤 일이 일어났나요?
질량수는 4 감소했고
원자번호는 2 감소했습니다
따라서 He 입자가 방출되었어야 합니다
질량수 4, 원자번호 2인 He 핵이 방출됩니다
따라서 이는 α붕괴입니다
He 핵은 전자가 없고
Po 원자는 전자가 많은데
각각 전자를 얻거나 방출해서
안정한 상태가 됩니다