방사선 붕괴율과 동위원소의 이용

방사성 폐기물의 저장은 매우 중요한 문제입니다.

 

 

방사선 붕괴는 보통 핵자가 붕괴되어 초기 핵자수의 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간인 반감기(half-life)를 이용화여 붕괴율을 측정할 수 있습니다. 방사능은 방사성 붕괴 법칙(law of radioactive decay)을 따르며, 시간에 따라 지수 함수 관계로 감소함을 보입니다. 원자 폭탄에 이용되는 스트론튬-90의 경우 반감기가 28년으로 초기 방사능의 1/1000로 감소하려면 최소 280년이나 걸리고, 원자력 개발로 인해 발생하는 플루토늄 폐기물에 대해서는 오랜 기간의 저장 시설이 필요합니다. 지수 함수 관계로 감소하지만, 인류에 심각한 영향을 초래합니다. 반면 이러한 핵종의 반감기를 이용하면 고고학적 유물의 연대를 측정하는 데 활용하기도 합니다.  

 

방사선 측정 방법

방사선을 측정하는 원리는 원자나 이온으로부터 전자를 방출시키는 핵방사선의 능력을 이용하는 것입니다. 방사성 핵이 붕괴되는 속도를 측정하기 위해서 Geiger 계수기 또는 섬과 계수기를 사용합니다. Geiger 계수기(Geiger counter)는 압력이 낮은 기체의 이온화를 측정하여 방사선을 측정합니다. 실린더 내에 기체 원자를 방사선이 이온화하고, 이것이 전극에 전류의 흐름을 가능하게 하는데, 이 떄 발생한 전류 신호가 오디오로 변환됩니다. 오디오를 통한 측정 소리 횟수에 따라 방사선의 세기를 알 수 있습니다. 섬광 계수기(scintillation counter)는 인광을 방출하는 물질인 아연 황화물과 아이오딘화 소듐 같은 인광물질이 방사선에 노출되면 빛을 발산하는 성질을 이용합니다. 전자 신호의 세기에 따라 빛이 발산되며 섬광 계수기의 불빛 하나하나가 원자핵 붕괴 하나를 나타냅니다. 또한 방사선량계(dosimeter)는 방사선의 노출 누적량을 측정하는 데 사용되며, 방사선 관련 실험실 출입이나 실험할 때 옷에 방사선량계 배지를 옷에 다는 방식입니다. 선량계에는 열 발광 물질(불화 리튬)이 들어 있는데, 발생한 방사선에 따라 들뜬 전자가 축적되어 긴 시간 동안 축적된 양을 측정할 수 있습니다. 이를 통해 하루부터 몇 주까지의 피폭된 방사선량을 알 수 있습니다. 

 

시료의 방사능(activity)은 일정 시간 동안의 원자핵 붕괴 횟수를 시간으로 나눈 것입니다. 초당 1회의 원자핵 붕괴를 국제단위인 SI로는 1베크렐(1 Bq, becquerel)이라고 표기합니다. 함께 사용되는 방사선 단위로는 퀴리(Ci)가 있습니다. 1퀴리는 1 g의 라듐-226 원소가 방출하는 방사능입니다. 1퀴리는 단위가 크기때문에 실제 사용되는 단위는 밀리 퀴리나 마이크로 퀴리 단위로 나타내는 경우가 많습니다.  

 

방사성 붕괴 법칙(law of radioactive decay)

원자핵 붕괴의 식은 단분자 단일 단계 반응에 대한 화학 방정식과 동일한 형태인데, [어미 원자핵 → 딸 원자핵 + 방사선]으로 나타냅니다. 원자핵 붕괴는 외부 요인에 영향을 받지 않으며, 오직 어미 원자핵의 불안정성에만 의존합니다. 붕괴속도는 화학적 형태나 온도와는 무관하고 동위원소의 종류에 의해 결정됩니다. 원자핵 붕괴 반응속도 법칙은 일차입니다. 붕괴 속도와 방사선 원자핵의 수 N 간의 관계는 [방사능=붕괴 속도 = k x N]으로 나타냅니다. 여기서 k는 붕괴 상수(decay constant)입니다. 이 식에서 보면 방사성 시료의 방사능은 원자수에 비례한다는 것을 알 수 있습니다. 1차 화학 반응에서 농도처럼 일정 시간 t 이후에 남아 있는 핵의 수 N은 아래 관계식을 만족시킵니다. 

 

 

반감기

반감기라는 단어는 방사선에 대해 언급할 때 빠지지 않을 정도로 중요한 의미를 갖습니다. 반감기는 원자의 초기 핵자수가 반으로 감소하는 데 걸리는 시간으로, 반감기가 짧은 핵종은 반감기가 긴 핵종보다 불안정하며, 이는 반감기가 짧은 핵종이 상대적으로 붕괴 가능성이 높고 더 강한 방사선을 내는 핵종이라는 것을 의미합니다. 반감기는 핵종에 따라 매우 넓은 시간적 분포를 보여줍니다.  

핵종의 반감기는 일정하다는 것을 응용하여 동위원소 연대측정(isotopic dating)에서는 고대 유물에 함유된 방사성 동위원소의 방사능을 측정할 수 있습니다. 연대측정 목적으로 이용되는 동위원소 중 가장 중요한 것은 탄소-14의 베타 붕괴를 이용하는 방사성 탄소 연대측정(datiocarbon dating)입니다. 대기의 탄소는 탄소-12가 주 동위원소로 탄소-14는 매우 적은 양으로 존재합니다. 대기 중 생성되는 탄소-14의 속도는 거의 일정하므로 탄소-14/탄소-12의 비율은 또한 상당히 긴 시간 동안 일정합니다. 대기 중 탄소는 광합성과 소화 작용에 의해 생체 조직에 흡수되는데, 생명체 내에서도 이 비율이 일정하게 유지됩니다. 만약 유기체가 죽으면 더 이상 주변과 탄소 교환을 하지 않게 되고 흡수된 탄소-14가 지속해서 붕괴하여 탄소-14/탄소-12의 비율 또한 감소하게 됩니다. 이러한 탄소 동위원소의 비로 죽은 이후 경과된 시간을 측정할 수 있습니다.