핵의학물리 2) 방사성 붕괴

2) 방사성 붕괴

(1) 방사선(Radiation)

한국 원자력안전법 시행령 제6조(방사선)에 의하면 방사선이란 

1. 알파선, 중양자선, 양자선, 베타선 및 그 밖의 중하전입자선
2. 중성자선
3. 감마선 및 엑스선
4. 5만 전자볼트 이상의 에너지를 가진 전자선

을 의미한다.

 

일반적으로 방사선이라고 하는 것은 이온화를 일으킬 수 있는 전리방사선만을 통칭한다.

 

(3) 불안정 동위원소

원자가 불안정한 상태에 있다고 한다면 두 가지 경우가 있는데, 하나는 원자 내의 전자들이 여기 상태(excited state)에 있는 경우를 말하고 다른 하나는 원자핵이 여기 상태에 있는 경우를 말한다.

 

전자의 에너지 준위가 높아지면 원자가 여기 상태로 되었다고 하고 전자가 원자를 빠져 나가는 경우 이온화(ionization)가 되었다고 한다. 일반적으로 불안정한 상태라고 함은 전자가 에너지를 얻고 높은 에너지 준위를 갖는 바깥 궤도로 이동했을 때를 말한다. 이 상태에서 어느 정도의 시간이 지나면 높은 에너지 준위에 있던 전자가 그 비워진 전자의 자리를 채우게 된다. 이때 그 에너지 차이만큼 에너지를 방출하며, 이 에너지는 광자의 형태로 방출되는 불연속적인 분포를 갖는다.

 

보통 위와 같은 전자의 에너지 준위 차에 의해 X-선을 방출하는 변이를 방사성 붕괴라고 하지는 않는다. 방사성 붕괴란 원자핵의 속성이 바뀌면서 입자나 광자가 방출되는 경우를 말한다.

 

(4) 불안정한 원자핵

원자핵이 불안정한 상태에 있다고 일컫는 것에는 다음과 같은 세 가지 경우가 있다.

1. 양성자, 중성자 수의 불균형
2. 과도한 중성자 및 양성자
3. 기타 불안정 상태

가. 양성자, 중성자 수의 불균형

먼저 원자핵 내에 중성자나 양성자 수가 균형을 이루지 못하고 있을 때 원자핵이 불안정해질 수 있다. 11C과 같이 에너지 혹은 입자를 방출하면서 다른 원소로 변하는 원소들은 불안정한 동위원소라고 하고 11N이나 12C는 안정된 상태의 동위원소라고 한다.

 

나. 과도한 중성자 및 양성자

두 번째로 너무 많은 수의 중성자와 양성자가 모여있을 때 원자핵이 불안정해진다. 이때 나오는 양성자 두 개와 중성자 두 개로 이루어진 입자는 알파입자, 즉 헬륨 원자핵이다.

 

다. 기타 불안정 상태

마지막으로 양성자와 중성자가 너무 많지도 않은 상태에서 적절한 비율을 유지하고 있어도 불안정한 경우가 있다. 99mTc가 적절한 예인데 이 원자핵은 99Mo가 베타입자를 방출하면서 생성된다. 99mTc은 베타나 알파입자가 아닌 감마선을 방출하면서 안정된 원소인 99Tc으로 변하게 된다. 특이한 점은 99mTc가 99Tc로 변할 때 양성자나 중성자 수에는 변화가 없다는 점이다.

 

라. 안정상태

원자핵이 안정된 상태에 있다고 하는 것은 원자핵이 아무리 긴 시간이 지나도 다른 원자핵으로 천이하지 않고 어떠한 방사선도 내놓지 않는 경우를 말한다. 원자번호가 낮은 영역에서는 양성자와 중성자의 비가 1:1이 될 때 원자가 안정적이라고 할 수 있지만, 원자번호가 높아질수록 양성자의 수보다 중성자의 수가 더 많아야 안정적인 원소가 된다.

 

(5) 전자 방출 붕괴(β- emission)

전자 방출 붕괴는 안정된 동위원소보다 중성자를 많이 가지거나 양성자를 덜 가지고 있을 때 발생한다. 이때 원자핵 내에 과도하게 가지고 있는 중성자 중 하나가 양성자로 변화하면서 전자(베타입자)를 방출하게 된다. 이 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

n → p+ + e- + ν- + energy

이러한 전자 방출 붕괴과정에서는 에너지가 발생되는데, 이 에너지는 각 입자들의 운동에너지의 형태로 방출된다. 하나의 붕괴 과정에 대한 총 방출 에너지는 일정하지만 입자들이 에너지를 불규칙적으로 나누어 가지므로 각 입자가 가질 수 있는 에너지는 연속적인 분포로 나타난다.

 

(6) 양전자 방출 붕괴(β+ emission)

양전자 방출 붕괴는 전자 방출 붕괴와 반대의 조건에서 일어난다. 이 반응은 안정된 원자핵보다 상대적으로 양성자를 많이 가지고 있는 경우, 또는 중성자를 적게 가지고 있는 경우 일어날 수 있는 반응이다. 이 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

p+ → n + e+ + ν + energy

역시 전자 방출 붕괴과정에서와 마찬가지로 방출되는 에너지는 전부 각 입자들의 운동에너지의 형태를 가지며 방출되는 양전자의 에너지도 연속적인 분포를 가지게 된다.

 

이렇게 방출된 양전자는 전자와 모든 성질이 동일하지만 전하만 +1가의 양전하를 띠며 이러한 이유로 전자의 반입자(antiparticle)라고 하낟. 매질 내를 자유롭게 운동하는 양전자는 주변 전자들과 여러 차례에 걸쳐 충돌한 후 대부분의 에너지를 잃고 나면 주위의 전자와 반응하여 사라지게 되는데 이를 쌍소멸(annnihilation)이라고 부른다. 질량을 가지는 두 입자가 만나서 사라지면 그 위치에서 이 물질들의 질량 만큼에 해당하는 에너지를 가지는 광자들이 180도 방향으로 방출되는데, 이 광자의 에너지는 각각 511 keV로서 전자의 정지질량 에너지와 동일하다.

 

(7) 이성체 전이와 내부 전환

원자핵을 이루는 중성자와 양성자의 수가 적정한 비율을 이루고 있어도 원자핵이 불안정한 경우가 있다. 이 경우 원자핵은 안정된 상태로 천이하기 위해 광자 형태의 에너지를 내놓는 경우가 있다. 이렇게 원자핵 내부에서의 천이에 의해 발생되는 광자를 감마선(gamma ray)이라고 하며 전자의 에너지 준위차에 의해 발생되는 X-선과 물리적 성질은 비슷하나 서로 다른 기원을 가지고 있다.

 

가. 이성체 전이(isomeric transition, IT)

원자핵이 이렇게 불안정한 경우 이상태에서 오래 머물지 못하고 바로 안정된 상태로 천이하는 경우가 있는 반면 비교적 오랫동안 불안정한 상태에 머문 후 안정된 상태로 천이하는 경우도 있다. 이렇게 나눌 때 기준이 되는 시간은 10^-12초이며 이보다 오랫동안 불안정한 상태에 있는 원자핵들은 준안정상태(metastable or isomeric state)에 있다고 말한다. 또한 이러한 준안정상태에서 안정 상태로 전이하는 과정을 이성체 전이라고 하며, 이성체 전이의 결과로서 감마선이 방출된다.

 

나. 내부전환(internal conversion, IC)

원자핵이 이성체 전이를 하면서 감마선을 방출하면 이 감마선이 그대로 원자 밖으로 빠져나가는 경우가 있는 반면 드물게는 감마선이 이 원자의 궤도전자와 부딪혀 궤도전자를 원자 밖으로 내보내는 경우가 있다. 이렇게 감마선 대신 궤도전자가 빠져나가는 현상을 내부전환이라고 하며 빠져나가는 전자를 전환전자(conversion electron)라고 한다.

 

(8) 전자포획(electron capture, EC)

전자포획 현상은 양전자 방출 붕괴와 같은 조건에서 일어나는 현상으로 양전자 방출 붕괴와 경쟁적으로 일어난다. 역시 안정된 원자핵보다 상대적으로 양성자를 많이 가진 경우 일어나게 되는 현상이다. 이 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

p+ + e- → n + v + energy

양전자 방출 붕괴에서는 양성자가 양전자와 중성자로 천이하는 과정을 보여주지만, 전자 포획은 원자에서 자신이 가지고 있는 최내각(K 껍질 또는 L 껍질) 전자를 원자핵으로 끌어당겨 양성자와 결합해 중성자를 만들어내는 반응이다. 

 

원자 입장에서 보면 최내각에 위치해 있던 전자가 원자핵으로 끌어당겨졌으므로 원래 그 전자가 있던 위치는 빈 공간이 된다. 이때 이보다 높은 에너지 준위에 있던 전자들이 내부의 빈 공간을 채워주기 위해 내려오게 되는데, 이때 전자 궤도가 에너지 준위차 만큼의 에너지가 광자형태로 방출된다. 이는 전자의 에너지 준위차에 의한 것이므로 X-선이 된다.

 

이때 발생하는 X-선은 특정 에너지 준위차 만큼이 발생되는 것으로서 그 에너지 준위차는 일정한 값을 가지고 있으므로 분연속적인 값을 가지게 된다. 이를 특성 X-선(characteristic X-ray)이라고 부른다.

 

(9) 알파붕괴와 핵분열 

가. 알파붕괴

원자핵 내에 양성자와 중성자의 수가 너무 많으면 전자나 양전자를 방출해서 안정된 상태로 천이하기보다 다른 방법으로 더 쉽게 안정된 상태로 천이한다. 이때는 알파입자라는 질량수 4의 입자를 내놓으면서 좀 더 안정된 핵으로 천이하게 되는데 이를 알파붕괴라고 한다. 이 알파입자는 양성자 두 개와 중성자 두 개를 가진 입자로 총 4의 원자량을 가지는 물질이다.

 

나. 핵분열

핵분열은 자연적으로 쉽게 일어날 수 있는 현상은 아니나 인위적으로 매우 무거운 원소에 열중성자를 반응시키는 방법으로 일어나게 할 수 있다.