| 방사선의 종류 | |||||
| 전리 방사선 | 전자기파 | ||||
| 직접 전리 방사선 | 간접 전리 방사선 | ||||
| 알파선 | 베타선 | 중성자선 | 감마선 | X선 | 전자기파 |
| 우라늄 원석이 알파붕괴하면서 방출하는 안개상자 속 알파선 입자의 궤적.[1] |
1. 개요
| 방사선 유형 | 알파 입자 | 방사선 가중치 | 20 |
| 전리 형태 | 직접 전리 | 입자 분류 | 중 하전 입자 |
중성자(n) 2개와 양성자(p) 2개로 구성되어 있으며, 이를 α입자라 하므로 α선이다. 이 조성은 헬륨의 원자핵과 같다. 즉 헬륨의 원자핵이 고속으로 튀어나오는 것을 알파선이라고 한다. 알파 입자는 양의 전하를 가지며, 전하량은 +2e이다.[2]
비교적 무거운 중성자와 양성자로 구성되어있기 때문에 중 하전 입자(Heavy charged particle)로 분류되고 일반적으로 라듐이나 우라늄과 같이 무거운 원자핵(Heavy Nuclides)에서 주로 알파 붕괴를 일으켜 발생된다. 단, 베릴륨-8은 가벼운 원자핵임에도 불구하고 예외적으로 알파 붕괴를 하여 알파선을 발생시킨다. 양성자 4개와 중성자 4개로 구성되어 있기 때문에 안정적인 알파 입자 2개로 분열하는 것이다.
알파선을 발생시키는 알파붕괴의 경우 모핵종에서 헬륨 원자핵이 방출되는 과정이기 때문에 알파붕괴 후 모핵종에서 질량수는 4, 원자번호는 2가 감소하게 된다. 예로는 우라늄-235(원자번호92)가 알파붕괴를 일으키면 질량수는 4 감소하여 231이 되고, 원자번호는 2가 감소하여 토륨이 되기 때문에 최종적으로 토륨-231(원자번호 90) + 알파선(헬륨)이 되는 것이다.[3] 베타붕괴로는 원자핵의 질량수가 감소하지 않으며 양성자나 중성자는 원자핵에서 단독으로 방출되는 대신 거의 모두 알파 입자로만 방출되기 때문에 방사성 붕괴에서 질량수는 4 단위로만 감소한다. 이 때문에 무거운 원자핵의 방사성 붕괴 계열은 질량수 4n(토륨 계열), 4n+1(넵투늄 계열), 4n+2(우라늄 계열), 4n+3(악티늄 계열)의 4개가 존재하게 된다.
이러한 알파붕괴를 거친 알파입자는 특정한 값의 에너지를 가지게 되며[4] 알파선의 에너지가 클수록 핵력에 의한 퍼텐셜 장벽을 탈출하기 쉬워져[5] 반감기가 감소하기 때문에 방출하는 핵종의 반감기가 길면 방출되는 알파선의 에너지가 작다는 특징이 있다(이를 Geiger-Nuttall 법칙이라고 한다.). 또한 알파붕괴에서 방출되는 알파선의 에너지는 핵력에 의한 퍼텐셜 장벽을 탈출하는 데 필요한 에너지보다 더 작다는 특징이 있다. 그럼에도 알파붕괴가 가능한 것은 알파선의 에너지가 퍼텐셜 장벽을 탈출하는 데 필요한 에너지보다 작더라도 양자역학적 터널링 효과에 의해 낮은 확률로 퍼텐셜 장벽을 탈출할 가능성이 있기 때문으로, 항성 핵융합 반응[6]과 더불어 터널링 효과를 통해 설명할 수 있는 물리현상의 주요 예시이다.
실험실에서는 Van de Graaff[7] 정전 발전기를 통해 만들 수 있다. Van de Graaff 정전발전기는 물리학과라면 반드시 보게 될 실험 장비. 혹은 과학관에서 정전기를 발생시키는 터라 과학관에서도 볼수 있다.
하전 입자는 속도가 느릴수록, 그리고 전하량이 클수록 주변 물질과 더 많이 반응한다. 알파선의 경우 방사선 중에서 상당히 무겁기 때문에 속도가 느리다. 또한 전하량이 전자의 2배이다. 따라서 알파선은 다른 방사선에 비해 주변 물질과 강하게 반응하며 때문에 매우 짧은 거리에서 에너지를 모두 잃는다. 따라서 알파선은 물질을 관통하는 능력이 매우 작다.[8] 때문에 알파입자는 종이 한 장 뚫지 못하며, 공기 중에서도 몇 cm 가지 못한다. 그렇기 때문에 피부로 보호되는 인체나 자연계에 미치는 영향은 상당히 미미한 수준. 알파붕괴를 일으키는 물질 주변을 향 등의 연기로 감싸면 알파선이 튀는 게 눈에 보인다.[9] 다만 알파선원 자체는 조심해야 하는데, 알파선원의 경우 내부전환을 통해 X선을 방출할 수 있기 때문이다.[10]
그런데 알파선을 방출하는 방사능 물질이 체내에 들어간다면 이야기가 달라진다. 위의 방사선 가중치가 20[11]인 것을 보면 알 수 있듯이, 종이 한 장보다도 가까운 거리에 인간의 세포가 위치하게 되면 무거운 알파선을 직격으로 맞게 되고, 이러면 세포가 박살나게 된다.[12] 신체 외부는 사세포로 이루어진 표피와 같은 피부가 막아주지만 신체 내 장기는 영양분이나 기체를 흡수하기 위해 얇기 때문이다. 그렇게 잘 박살내는게 담배. 다른 식물들처럼 담배는 인산염을 필요로 하는데, 여기에서 담배는 폴로늄[13]을 농축시킨다. 그리고 그걸 피우게 되면 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
2. 그 외
초기 DRAM의 버그를 알파선이 만들었으며 현재도 유효하다.[14] 따라서 알파선 방호를 하지 않은 반도체는 극한 환경에서는 몽땅 사용불능이 된다. 이러한 환경에서 사용하기 위한 대표적인 반도체가 바로 군사 & 우주용 CPU.알파선을 방출하는 방사성물질은 원자력 전지의 연료로도 사용된다. 알파선 자체가 에너지를 많이 가지고 있으면서 차폐도 쉽기 때문이다. 주로 쓰이는 건 플루토늄의 동위원소인 플루토늄-238인데 삼중수소 다음으로 지구상에서 생산비가 많이 드는 원소라서 한 때 생산을 중지했다가 복구했다. 또한 화재 경보기에 사용되는 아메리슘도 알파선을 방출하여 공기를 이온화 시킨다.
[1] 보통 알파선은 이처럼 공기 중에서 수cm만 이동한다.[2] 전기장을 걸면 음극으로 휜다.[3] 폴로늄-210(원자번호84)의 경우 알파선을 방출한 뒤 납-206(원자번호82), 우라늄-234(원자번호92)의 경우 알파선 방출 후 토륨-230(원자번호90).[4] 선 스펙트럼, 모핵종과 딸핵종의 핵 결합에너지 차에 해당하는 에너지를 가진다. 그러나 실제 붕괴에서는 몇 가지 다른 상태의 들뜬 핵으로 붕괴하기 때문에, 한 종류의 붕괴에서 나오는 알파선의 에너지는 몇 가지 불연속적인 값을 가진다.[5] 알파 붕괴는 알파 입자가 핵력 퍼텐셜 안을 돌아다니다가, 터널링 효과에 의해 퍼텐셜 장벽을 뚫고 탈출하는 모형으로 개략적인 설명이 가능하다.[6] 두 핵의 운동에너지가 전자기적 반발력을 넘어설 만큼 충분히 크지 않아도 터널링 효과에 의해 전자기력에 의한 퍼텐셜 장벽을 뚫고 핵융합을 일으킬 가능성이 있기 때문에, 고전역학으로 예측한 것보다 낮은 온도와 압력 조건에서 핵융합이 가능해진다.[7] 철자를 볼 때 네덜란드어임이 명백하지만 어째서인지 그냥 영어식으로 밴더그래프라고 읽어버린다. 왜냐하면 이것을 만든 로버트 J. 밴더그래프(Robert J. Van de Graaff)가 네덜란드인이 아니라 네덜란드계 미국인이기 때문이다. 그러니까 당연히 영어식을 써야지.[8] 다만 관통력이 떨어진다는 게 물질을 통과하면서 흡수된다는 뜻인지라 일단 맞으면 좁은 영역에서 에너지를 집중적으로 전달하므로 피해가 큰 편.[9] 이를 이용한 장치가 다름 아닌 안개상자다.[10] 사실 방사선원이란 놈들이 다 이런 식이다. 알파선원이 붕괴해서 베타선원이 되었다가, 이 베타선원이 차폐물에 맞고 X선을 방출하고, 양전자를 뱉어내서 쌍소멸로 감마선을 쏴대고. 거기다 알파선원이라고 다른 선을 내지 않는다는 이야기도 아니다. 알파선 몇 퍼센트 베타선 몇 퍼센트 하는 식으로 쏴내기도 한다.[11] 즉 피폭되었을 경우 피폭수치(시버트) 계산시 흡수한 알파선 그레이에 20을 곱한다![12] 알파 입자에 의한 염색체의 피해량은 동일한 양의 다른 종류의 방사선에 의한 피해의 100배가 넘는다![13] 잘 알겠지만 그 유명한 방사능 홍차의 유효성분이 이 폴로늄의 동위원소인 폴로늄-210이다.[14] 알파선이 DRAM에 부딪치면서 마구 오류를 만들었다.