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베타선
베타선(Beta ray, β-ray, β선) 혹은 베타 입자(Beta particle)는 방사선(radioactive ray)의 하나로 핵(nucleus)이 베타붕괴할 때 방출되는 에너지가 높은 전자의 흐름이다. β선의 최대 에너지는 약 0.2MeV 정도이며 투과력 및 이온화작용은 알파선과 감마선의 중간 정도이다. 베타선은 β+선과 β-선 2가지로 구분되며 β+선의 본질은 양전자(positron), β-선의 본질은 전자(electron)이다.[1][2][3][4]
개요[편집]
베타선은 칼륨-40과 같은 몇몇 방사능 핵종에서 방출되는 고에너지, 고속의 전자나 양전자 입자를 말한다. 전리 방사선의 형태로 방출되는 베타 입자를 베타 광선이라 하며 베타 입자의 방출 과정은 베타 붕괴라 부른다. 베타는 그리스 문자 베타(β)에서 따온 것이다. 칼륨과 같은 방사성 원자핵에서 방출되는 높은 에너지와 높은 속도를 가진 전자 또는 양전자를 베타입자라고 한다. 베타입자들은 베타선이라는 전리방사선의 형태로 방출된다. 베타 붕괴는 불안정한 모핵종이 베타선을 방출하며 안정되는 것으로 원자핵에서 중성자가 양성자로 변환하거나 그 반대로 양성자가 중성자로 변하면서 불안정한 전자/양전자를 고속으로 방출하며 안정되는 것을 말한다. 감마선(γ선)의 내부전환 또는 광전효과에 의한 2차전자선, 인공적으로 만들어진 고에너지전자선 등도 β선이라고 부른다. β선의 투과력은 약하며 통상의 에너지의 것은 1cm 정도의 플라스틱판으로 충분히 차폐된다.
베타선은 불안정한 핵이 베타붕괴를 통해 안정 상태로 천이할 때 방출되고 파장이 짧고 에너지가 높아서 물질에 대한 투과력이 높다. 베타선이 전기장과 자기장을 통과할 때 크게 휘는 것으로 보아 베타입자가 음전기를 띠고 있음을 알 수 있다. 베타선은 고속의 전자 흐름으로 음극선과 기본적인 성질은 같다. 베타입자는 방사성 원소의 원자핵에서 방출된 전자이고, -e의 음전하를 가지며 질량은 매우 작으나 비전하는 크다. 방사성 원소의 원자핵에서 방출된 직후의 속력은 광속의 약 98%에 가깝다. 베타선을 이루는 베타입자는 매우 빠른 속력을 가졌지만 정지질량이 매우 작기 때문에 운동에너지는 0.2Mev 정도의 작은 값을 갖는다. 따라서 전지, 사진, 형광 작용은 보통 정도이고 투과력은 알파선과 감마선의 중간이다. 베타선 역시 어느 정도 물질에 침투할 수 있고 이 과정에서 분자의 구조를 바꾸어 DNA에 영향을 미칠 수 있다. 이것은 돌연변이를 일으켜 정상세포를 암세포로 바꾸게 하거나 정상세포를 죽게 할 위험이 있다. 반대로 베타선을 적절히 조절하고 통제하여 암세포를 파괴하는 방사선 치료법에서도 사용할 수 있다.
β- 붕괴 (전자 방출)[편집]
과잉된 중성자를 가진 불안정한 원자핵은 β− 붕괴를 할 수 있다. β−붕괴는 중성자가 양성자, 전자, 전자형태의 반중성미자(중성미자의 반입자)로 변환된다.
n → p + e- + νe
이 과정은 약한 상호작용으로 인해 일어난다. 중성자가 가상의 W보손 방출에 의해 양성자로 변한다. 쿼크수준에서, W-방출은 아래쿼크를 위쿼크로 바꿔서 중성자(1개의 위쿼크와 2개의 아래쿼크)를 양성자(2개의 위쿼크와 1개의 아래쿼크)로 바꾼다. 그런 후, W보손은 전자나 반중성미자로 붕괴한다.
β−붕괴는 보통 원자로에서 생산된 과중성자 핵분열의 부산물에서 발생한다. 자유 중성자들도 이 과정을 통해 붕괴한다. 두 과정 모두 핵분열 반응기 연료봉에서 베타선과 전자 반중성미자들을 생산한다.
β- 붕괴의 경우 원자핵에서 중성자가 양성자로 변환되어 고속 전자와 반물질인 안티뉴트리노(Anti-Neutrino: 반 중성미자)가 방출되는 붕괴형식으로 중성자가 양성자로 변화하며 안정되기 때문에 전자가 방출되게 되며 β-선이 방출되게 되면 본래의 원자핵보다 양성자가 1개 더 많고 중성자가 1개 적은 원자핵이 남게 되므로 원자질량은 변하지 않지만 원자번호는 1 증가한다.
β+ 붕괴 (양전자 방출)[편집]
과잉된 양성자를 가진 불안정한 원자핵은 양전자 붕괴라고도 불리는 β+ 붕괴를 할 수 있다. β+붕괴는 양성자가 중성자, 양전자, 전자형태의 중성미자로 변환된다.
p → n + e+ + νe
β+붕괴는 오직 핵분열 결과 생긴 딸핵의 에너지가 모핵의 에너지보다 높은 결합에너지를 가질 때 원자핵 내부에서만 일어날 수 있다.
β+붕괴의 경우엔 원자핵에서 양성자가 양전자를 방출하면서 중성자로 변환되게 되며, β-붕괴와는 반대로 원자번호가 1개 감소하게 된다. 또한 β-붕괴와는 반대로 뉴트리노(Neutrino : 중성미자)를 양전자와 함께 방출한다. 이때 생성된 양전자는 반물질이기 때문에 전자와 결합하여 소멸하게 되며, 이것을 쌍소멸이라 하는데, 쌍소멸이 일어날 경우 양전자와 음전자가 모두 소멸하는 동시에 전자와 양전자의 서로 반대방향(180도 방향)으로 각각 0.511MeV의 에너지를 갖는 2개의 광자가 방출된다.
베타선 에너지[편집]
베타선의 에너지는 0에서부터 최대 에너지까지 넓은 범위에 걸쳐 분포하며 그 에너지는 베타선을 방출하는 물질인 핵종에 따라 다른 값을 가진다.
여러 가지 핵종의 베타선 에너지
[5]핵종 최대에너지(100만eV) 평균에너지(100만eV) 3중수소 0.0186 0.0057 탄소 14 0.156 0.047 인 32 1.71 0.68 칼슘 45 0.257 0.075 코발트 60 0.318 0.107 금 198 0.961 0.39 스트론튬 90 0.546 0.198
다른 물질과의 상호작용[편집]
알파, 베타, 감마 세 종류의 방사성 물질에서의 붕괴 중 베타붕괴는 중간 정도의 투과력과 중간 정도의 이온화능을 가진다. 베타 입자는 붕괴하는 방사성 물질에 따라 그 에너지가 다르지만 대부분의 베타입자들은 수mm의 알루미늄으로 차단시킬 수 있다. 베타선은 감마선보다 이온화능이 강하다. 물체를 통과할 때 베타입자는 속도가 느려지면서 전자기적 상호작용으로 제동복사 X선을 낸다.
물에서 일어나는 핵분열에 의해 생산된 베타선들은 일반적으로 물속에서의 광속을 넘어선다. 물속에서의 광속은 진공 속 빛의 속도의 75% 정도이다. 그리고 물속을 통과하면서 푸른색 체렌코프 방출을 한다. 풀형 원자로의 연료봉에서 방출된 강력한 베타 방출은 반응기를 보호하면서 덮고 있는 투명한 물을 통해서 볼 수 있다.
이용[편집]
베타 입자들은 눈이나 뼈의 암 등 건강을 다루는데 쓰이고 인체 내부 관찰을 위해 사용되기도 한다. 스트론튬은 베타입자를 생산하는 가장 일반적인 물질이다.
베타입자들은 종이 등의 물질의 두께를 알아볼 때 쓰이기도 한다. 몇몇 베타입자들은 물체를 통과하는 도중에 흡수되기도 한다. 만약 물체가 너무 두껍거나 너무 얇으면 그에 해당하는 양만큼 흡수될 것이다.
"베타 전구"라고 불리는 조명장치는 삼중수소와 인광체를 포함하고 있다. 삼중수소가 붕괴하면서 베타 입자들을 방출하는데 이것들이 인광체를 치면서 광자를 발산하게 한다. 이 조명장치는 외부의 전력이 필요하지 않고 삼중수소가 존재하는 한 지속된다. 조명장치의 빛의 세기는 삼중수소의 반감기인 약 12년 후에 절반으로 감소할 것이다.
방사성 추적자 동위원소의 β+붕괴는 양전자 방출 단층촬영(PET scan)에 사용되는 양전자의 원료가 된다.
건강[편집]
베타 입자들은 물질들을 관통하여 분자구조를 변형시키기도 한다. 이러한 변화는 암이나 죽음과 같은 심각한 결과를 초래할 수 있다. 만약 DNA의 분자구조가 변형된다면 돌연변이를 만들어낼 것이다. 또한, 베타입자들은 암세포를 죽이는데 사용되기도 한다.
각주[편집]
참고자료[편집]
- 〈베타 입자〉, 《위키백과》
- 〈베타선〉, 《나무위키》
- 〈베타선〉, 《네이버 지식백과》
- "Beta particle", Wikipedia
같이 보기[편집]
