핵 방사선의 작동 원리

사람들이 소설과 실생활에서 방사선에 대해 이야기하는 것을 들었을 것입니다. 예를 들어 엔터프라이즈가 " 스타 트렉 "에서 별에 접근 하면 승무원이 방사능 수치 증가에 대해 경고할 수 있습니다. 톰 클랜시의 책 "붉은 10월 사냥"에서 러시아 잠수함 은 방사능 누출로 인해 승무원이 배를 버려야 하는 원자로 사고를 당했습니다. Three Mile Island와 Chernobyl 에서 원자력 발전소 는 원자력 사고 중에 대기 중으로 방사성 물질을 방출했습니다. 그리고 2011년 3월 일본을 강타한 지진 과 쓰나미 의 여파로 원자력 위기는 방사능에 대한 두려움과 방사능에 대한 의문을 불러일으켰습니다.원자력의 안전 .

핵 방사선은 극도로 유익할 수도 있고 극도로 위험할 수도 있습니다. 그것은 당신이 그것을 사용하는 방법에 달려 있습니다. X선 기계, 일부 유형의 살균 장비 및 원자력 발전소는 모두 핵 방사선을 사용하지만 핵무기도 마찬가지 입니다. 핵 물질(즉, 핵 방사선을 방출하는 물질)은 상당히 일반적이며 다양한 방식으로 우리의 일상적인 어휘에 들어왔습니다. 다음 용어를 많이 들어보셨을 것입니다.

이 모든 용어는 모두 자연적이든 인공적이든 핵 요소와 관련이 있다는 사실과 관련이 있습니다. 그러나 방사선이란 정확히 무엇입니까? 왜 그렇게 위험합니까? 이 기사에서는 원자력 방사선이 무엇이며 일상 생활에 어떤 영향을 미치는지 정확히 이해할 수 있도록 핵 방사선에 대해 살펴보겠습니다.

내용물

1. "핵 방사선"의 "핵"
2. 방사성 붕괴
3. "자연적인" 위험

처음부터 시작해서 "nuclear radiation"의 "nuclear"라는 단어가 어디에서 왔는지 이해합시다. 여기 당신이 이미 편안하게 느낄 수 있는 것이 있습니다. 모든 것은 원자로 이루어져 있습니다. 원자 는 함께 분자 로 결합 합니다. 따라서 물 분자는 2개의 수소 원자와 1개의 산소 원자가 함께 결합되어 단일 단위로 만들어집니다. 우리는 초등학교에서 원자와 분자에 대해 배우기 때문에 그것들을 이해하고 편안하게 느낍니다. 자연에서 발견하는 모든 원자는 92가지 유형의 원자 중 하나이며 요소 라고도 합니다 . 따라서 지구상의 모든 물질(금속, 플라스틱, 머리카락, 의복, 나뭇잎, 유리)은 자연에서 발견되는 92개 원자의 조합으로 구성됩니다. 요소 주기율표화학 수업에서 볼 수 있는 것은 자연에서 발견되는 원소와 많은 인공 원소의 목록입니다.

모든 원자 내부에는 양성자, 중성자 및 전자의 세 가지 아원자 입자가 있습니다. 양성자와 중성자는 함께 결합 하여 원자 의 핵 을 형성 하고 전자는 핵을 둘러싸고 궤도를 돌고 있습니다. 양성자와 전자는 반대 전하를 가지므로 서로를 끌어당깁니다(전자는 음수, 양성자는 양수, 반대 전하가 끌어당김). 대부분의 경우 전자와 양성자의 수는 원자에 대해 동일합니다(원자를 전하가 중성으로 만듭니다) . 중성자는 중성입니다. 핵에서 그들의 목적은 양성자를 함께 묶는 것입니다. 양성자는 모두 같은 전하를 가지고 있고 자연적으로 서로 밀어내기 때문에 중성자는 양성자를 핵에 단단히 고정시키는 "접착제" 역할을 합니다.

핵에 있는 양성자의 수는 원자의 거동을 결정합니다. 예를 들어, 13개의 양성자와 14개의 중성자를 결합하여 핵을 만든 다음 그 핵 주위에서 13개의 전자를 회전시키면 알루미늄 원자가 됩니다. 수백만 개의 알루미늄 원자를 그룹화하면 알루미늄이라는 물질을 얻을 수 있습니다. 알루미늄 캔, 알루미늄 호일 및 알루미늄 판을 만들 수 있습니다. 자연에서 발견되는 모든 알루미늄을 알루미늄-27이라고 합니다. "27"은 원자 질량 번호 로, 핵에 있는 중성자와 양성자의 수를 합한 것입니다. 알루미늄 원자를 취하여 병에 넣고 수백만 년 후에 다시 돌아온다면 여전히 알루미늄 원자일 것입니다. 따라서 알루미늄-27은 안정 이라고 불립니다.원자. 약 100년 전까지만 해도 모든 원자는 이렇게 안정적이라고 생각했습니다.

많은 원자는 다양한 형태로 존재합니다. 예를 들어, 구리는 구리-63(모든 천연 구리의 약 70%를 구성)과 구리-65(약 30%를 구성)의 두 가지 안정적인 형태를 가지고 있습니다. 두 가지 형태를 동위원소 라고 합니다. 구리의 두 동위 원소의 원자에는 29 개의 양성자가 있지만 구리 63 원자에는 34 개의 중성자가 있고 구리 65 원자에는 36 개의 중성자가 있습니다. 두 동위원소는 작용하고 모양이 동일하며 둘 다 안정적입니다.

약 100년 전까지만 해도 이해되지 않은 부분은 특정 원소에 방사성 동위원소가 있다는 것입니다.. 일부 원소에서는 모든 동위 원소가 방사성입니다. 수소는 여러 동위 원소를 가진 원소의 좋은 예이며 그 중 하나는 방사성입니다. 일반 수소 또는 수소-1은 양성자가 하나이고 중성자가 없습니다(핵에 양성자가 하나만 있기 때문에 중성자의 결합 효과가 필요하지 않습니다). 또 다른 동위원소인 수소-2(중수소라고도 함)가 있는데, 이 동위원소에는 양성자 1개와 중성자 1개가 있습니다. 중수소는 자연에서 매우 드물며(모든 수소의 약 0.015%를 차지함), 수소-1처럼 작용하지만(예를 들어, 물로 만들 수 있음) 수소-1과 충분히 다르다는 것이 밝혀졌습니다. 고농도에서는 유독합니다. 수소의 중수소 동위원소는 안정하다. 세 번째 동위 원소인 수소-3(삼중수소라고도 함)에는 양성자 1개와 중성자 2개가 있습니다. 이 동위원소는불안정한 . 즉, 당신이 삼중수소로 가득 찬 용기를 가지고 백만년 후에 돌아온다면, 당신은 그것이 모두 안정적인 헬륨-3(양성자 2개, 중성자 1개)으로 변했다는 것을 알게 될 것입니다. 헬륨으로 변하는 과정을 방사성 붕괴 라고 합니다.

특정 원소는 모든 동위 원소에서 자연적으로 방사성입니다. 우라늄은 그러한 원소의 가장 좋은 예이며 자연적으로 발생하는 가장 무거운 방사성 원소입니다. 폴로늄, 아스타틴, 라돈, 프랑슘, 라듐, 악티늄, 토륨, 프로탁티늄 등 8개의 다른 자연 방사성 원소가 있습니다. 우라늄보다 무거운 다른 모든 인공 원소도 방사성입니다.

방사성 붕괴는 자연스러운 과정입니다. 방사성 동위 원소의 원자는 세 가지 일반적인 과정 중 하나를 통해 자발적으로 다른 원소로 붕괴됩니다.

이 과정에서 4가지 다른 종류의 방사선이 생성됩니다.

연기 감지기에 사용되는 것으로 가장 잘 알려진 방사성 원소인 아메리슘-241 은 알파 붕괴 를 겪는 원소의 좋은 예입니다 . americium-241 원자는 자연적으로 알파 입자를 던집니다 . 알파 입자는 2개의 양성자와 2개의 중성자가 결합되어 구성되며, 이는 헬륨-4 핵과 같습니다. 알파 입자를 방출하는 과정에서 아메리슘-241 원자는 넵투늄-237 원자가 됩니다. 알파 입자는 초당 10,000마일(16,000km/초)의 빠른 속도로 장면을 떠납니다.

개별 americium-241 원자를 보고 있다면 언제 알파 입자를 방출할지 예측할 수 없습니다. 그러나 아메리슘 원자가 많이 수집되어 있으면 붕괴 속도를 상당히 예측할 수 있습니다. 아메리슘-241의 경우 458년 안에 원자의 절반이 붕괴하는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 458년은 아메리슘-241 의 반감기 입니다. 모든 방사성 원소는 특정 동위 원소에 따라 몇 분의 1초에서 수백만 년에 이르는 다양한 반감기를 가지고 있습니다. 예를 들어, americium-243의 반감기는 7,370년입니다.

삼중수소(수소-3)는 베타 붕괴 를 겪는 원소의 좋은 예입니다 . 베타 붕괴에서 핵의 중성자는 자발적으로 양성자, 전자 및 반중성미자(antineutrino)라고 불리는 세 번째 입자로 변합니다. 핵은 전자와 반중성미자를 방출하고 양성자는 핵에 남아 있습니다. 방출된 전자를 베타 입자 라고 합니다 . 원자핵은 중성자 1개를 잃고 양성자 1개를 얻는다. 따라서 베타 붕괴를 겪고 있는 수소-3 원자는 헬륨-3 원자가 됩니다. 아래 그림에서 "Go" 버튼을 클릭하면 중성자 변화를 확인할 수 있습니다.

에서는 자발 핵분열 , 원자 실제로 대신 알파 또는 베타 입자 오프 던지는 나눈다. "분열"이라는 단어는 "분할"을 의미합니다. 페르뮴-256과 같은 무거운 원자는 붕괴될 때 약 97%의 시간 동안 자연분열을 일으키며 그 과정에서 두 개의 원자가 된다. 예를 들어, 하나의 페르뮴-256 원자는 크세논-140 및 팔라듐-112 원자가 될 수 있으며 그 과정에서 4개의 중성자를 방출합니다(핵분열 순간에 방출되기 때문에 "즉시 중성자"라고 함). 이 중성자는 다른 원자에 흡수되어 붕괴나 분열과 같은 핵반응을 일으키거나 당구공과 같은 다른 원자와 충돌하여 감마선을 방출할 수 있습니다.

중성자 방사선을 사용하여 비방사성 원자를 방사성으로 만들 수 있습니다. 이것 은 핵 의학 에 실용적인 응용 프로그램 을 가지고 있습니다 . 중성자 방사선은 발전소와 원자력 선박의 원자로 와 아원자 물리학을 연구하는 데 사용되는 입자 가속기 에서도 만들어집니다 .

많은 경우에 알파 붕괴, 베타 붕괴 또는 자연 핵분열을 겪은 핵은 에너지가 매우 높아 불안정합니다. 그것은 감마선으로 알려진 전자기 펄스로 여분의 에너지를 제거합니다 . 감마선은 물질을 투과한다는 점에서 X 선과 비슷 하지만 X선보다 에너지가 더 많습니다. 감마선은 알파 및 베타 입자와 같은 움직이는 입자가 아니라 에너지로 만들어집니다.

다양한 광선을 주제로 하는 동안 우주 광선 도 항상 지구를 공격하고 있습니다. 우주선 은 태양 과 폭발하는 별 에서 비롯됩니다 . 우주선의 대부분(아마도 85%)은 광속 근처로 이동하는 양성자 입니다., 12%는 매우 빠르게 이동하는 알파 입자입니다. 그런데 입자가 물질을 투과할 수 있는 능력을 주는 것은 입자의 속도입니다. 대기에 부딪히면 다양한 방식으로 대기 중 원자와 충돌해 에너지가 적은 2차 우주선을 형성한다. 이 2차 우주선은 인간을 포함한 지구상의 다른 것들과 충돌합니다. 우리는 항상 2차 우주선에 부딪히지만 1차 우주선보다 에너지가 낮기 때문에 다치지 않습니다. 1차 우주선은 우주 공간에서 우주 비행사 에게 위험 합니다.

방사성 원자는 자연적으로 붕괴하고 방사성 원소는 자연의 일부라는 의미에서 "자연적"이지만 모든 방사성 방출은 생물에 위험합니다. 알파 입자, 베타 입자, 중성자, 감마선 및 우주선은 모두 이온화 방사선으로 알려져 있으며 , 이는 이러한 광선이 원자와 상호 작용할 때 궤도 전자를 떨어뜨릴 수 있음을 의미합니다. 전자의 손실은 모든 생물 에서 세포 사멸에서 유전적 돌연변이 ( 암으로 이어지는)에 이르기까지 모든 것을 포함하여 문제를 일으킬 수 있습니다 .

알파 입자는 크기 때문에 물질 깊숙이 침투할 수 없습니다. 예를 들어, 그들은 종이 한 장을 관통할 수 없으므로 신체 밖에 있을 때 사람에게 영향을 미치지 않습니다. 그러나 알파 입자를 방출하는 원자를 먹거나 흡입하면 알파 입자가 체내에 상당한 손상을 줄 수 있습니다.

베타 입자는 조금 더 깊이 침투하지만 먹거나 흡입하는 경우에만 위험합니다. 베타 입자는 알루미늄 호일이나 플렉시글라스로 막을 수 있습니다. X선과 같은 감마선은 납에 의해 차단됩니다.

중성자는 전하가 부족하기 때문에 매우 깊숙이 침투하며 극도로 두꺼운 콘크리트 층이나 물이나 연료유와 같은 액체에 의해 가장 잘 차단됩니다. 감마선과 중성자는 투과성이 높기 때문에 인간과 다른 동물의 세포에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 중성자 폭탄 이라는 핵 장치에 대해 들어본 적이 있을 것 입니다. 이 폭탄의 전체 아이디어는 중성자와 감마선 생성을 최적화하여 폭탄이 생물에 최대의 영향을 미치도록 하는 것입니다.

우리가 보았듯이 방사능은 "자연적"이며 우리 모두는 방사성 탄소-14 와 같은 것을 포함합니다 . 또한 환경에는 유해한 많은 인공 핵 요소가 있습니다. 핵 방사선은 전기 를 생산 하는 원자력과 질병을 감지하고 치료하는 핵의학과 같은 강력한 이점 과 심각한 위험을 가지고 있습니다.

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