02 핵의학물리 및 방사선 검출기 - 1. 기초 핵의학물리 2) 방사선 붕괴

02 핵의학물리 및 방사선 검출기

1. 기초 핵의학물리

2) 방사선 붕괴

(1) 방사선(Radiation)

• 한국 원자력법 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

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

 
(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.
• n → p+ + e- + v- + energy
• 원자핵 내에서 일어나는 이러한 반응으로 인하여 원자핵 내의 중성자 수는 하나 줄어들고 양성자 수는 하나 늘어나게 된다. 더불어 생성되는 전자와 반중성미자(v-)는 원자핵 외부로 빠져나간다.
• 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)

• p+ → n + e+ + v + energy
• 이렇게 방출된 양전자는 전자와 모든 성질이 동일하지만 전하만 +1가의 양전하를 띠며 이러한 이유로 전자의 반입자라고 한다.

• 매질 내를 자유롭게 운동하는 양전자는 주변 전자들과 여러 차례에 걸쳐 충돌한 후 대부분의 에너지를 잃고 나면, 주위 전자와 반응하여 사라지게 되는데 이를 쌍소멸(annihilation)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 전지질량 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 감마선이라고 하며 전자의 에너지 준위차에 의해 발생되는 X-선과 물리적 성질은 비슷하나 서로 다른 기원을 가지고 있다.

가. 이성체 전이(isometric transition, IT)

• 준안정상태에서 안정 상태로 전이하는 과정을 이성체 전이라고 하며, 이성체 전이의 결과로서 감마선이 방출된다.
• 준안정상태의 원자들을 표기하기 위해 원자량에 m을 붙여 안정상태의 원자와 구분한다.

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.
• β+ 붕괴 : p+ → n + e+ + v + energy
• 전자포획 : p+ + e- → n + v + energy
• 양전자 방출 붕괴에서는 양성자가 중성자로 천이하는 과정을 보여주지만, 전자 포획은 원자에서 자신이 가지고 있는 최내각(K 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 궤도간 에너지 준위차 만큼의 에너지가 광자 형태로 방출된다. 이는 전자와 에너지 준위차에 의한 것이므로 X-선이 된다. 이때 발생하는 X-선은 특정 에너지 준위차 만큼 발생되는 것으로서 그 에너지 준위차는 일정한 값을 가지고 있으므로 불연속적인 값을 갖게 된다. 이를 특성 X-선이라고 부른다.
• 위 반응에 의해 새로 생성되는 Y라는 원자핵이 여기 상태에 있을 수 있다. 그런 경우 전자포획이 이루어진 직후에 여기상태에서 기저상태로 변이하면서 감마선을 내놓기도 한다. 핵에서 방출되는 이 감마선으로 인해 위에서 설명했던 전환전자가 발생하기도 한다.

 
(9) 알파붕괴와 핵분열