전자 포획
[ electron capture ]
목차
개요
전기적으로 중성이고 양성자가 많은 원자의 핵이 K 또는 L 전자껍질의 전자를 흡수하는 현상이 전자 포획(electron capture)이다. 이 과정에서 양성자(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ p }@@NAMATH_INLINE@@) 하나와 전자(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ e^- }@@NAMATH_INLINE@@) 하나가 없어지면서 중성자(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ n }@@NAMATH_INLINE@@) 하나와 전자 중성미자(electron neutrino; @@NAMATH_INLINE@@\ce{ v_{e} }@@NAMATH_INLINE@@) 하나가 생겨난다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\mathrm{p + e^- \rightarrow n + v_e} @@NAMATH_DISPLAY@@
![](https://img-api.cboard.net/img_n.php?image_url=https://dbscthumb-phinf.pstatic.net/5506_000_1/20190107114646529_80YWPPAEF.png/electron_capture.png?type=w540_fst_n)
탄소-11이 붕소-11로 변하는 핵 붕괴 과정에서 일어나는 전자 포획의 개념도 (출처:대한화학회)
따라서, 양성자 수에 해당하는 원자 번호는 1만큼 감소하고, 중성자 수는 1만큼 증가하며, 질량수에는 변화가 없다. 전자 포획으로 붕괴하는 방사성 동위 윈소의 예를 몇 개 더 들어 보면 다음과 같다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\mathrm{^{26}_{13}Al + e^- \rightarrow\,\,^{26}_{12}Mg + v_e} @@NAMATH_DISPLAY@@
@@NAMATH_DISPLAY@@\mathrm{^{59}_{28}Ni + e^- \rightarrow\,\,^{59}_{27}Co + v_e} @@NAMATH_DISPLAY@@
@@NAMATH_DISPLAY@@\mathrm{^{40}_{19}K + e^- \rightarrow\,\,^{40}_{18}Ar + v_e} @@NAMATH_DISPLAY@@
넓은 의미에서 베타 붕괴(@@NAMATH_INLINE@@ \beta @@NAMATH_INLINE@@-decay)의 일종으로 간주하고, 역 베타 붕괴(inverse @@NAMATH_INLINE@@ \beta @@NAMATH_INLINE@@-decay)라고 부르기도 한다.
전자 포획의 발견
전자 포획에 대한 이론은 1934년 지안-카를로 위크(Gian-Carlo Wick)가 처음 제안했으며, 나중에 유카와 히데키(Hideki Yukawa)를 비롯한 여러 물리학자가 발전시켰다. 실험적으로는 루이스 앨버레즈(Luis Alvarez)가 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{48}V }@@NAMATH_INLINE@@의 방사능 붕괴에서 처음 관찰해서 1937년에 발표했다. 그 후로도 앨버레즈는 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{67}Ga }@@NAMATH_INLINE@@를 비롯한 여러 가지 핵종(nuclide; nucleide)1)에서 전자 포획을 연구했고, 그 공로를 인정받아 1968년에 노벨 물리학상을 받았다.2)
전자 포획의 조건
전자 포획은 양성자가 많은 동위원소가 양성자의 수를 줄이면서 보다 안정한 핵종으로 붕괴하는 현상이다.3) 양전자 방출(positron emission)을 통해서도 양성자의 개수를 줄일 수 있지만, 양성자 수가 감소하기 위해서는 부모 핵종(parent nuclide; 붕괴 반응물에 해당하는 핵종)과 딸핵종(daughter nuclide; 붕괴 생성물에 해당하는 핵종)의 에너지 차이가 1.022 MeV보다 커야 한다. 이보다 에너지 차이가 작을 때는 전자 포획을 통해 양성자의 개수를 줄이는 동위원소 붕괴가 일어난다. 예를 들어, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{83}Rb }@@NAMATH_INLINE@@과 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{83}Kr }@@NAMATH_INLINE@@ 의 에너지 차이는 약 0.9 MeV이기 때문에, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{83}Rb }@@NAMATH_INLINE@@은 전자 포획의 경로를 통해서만으로 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{83}Kr }@@NAMATH_INLINE@@으로 붕괴한다. 양전자 방출에 필요한 에너지 차이가 충족되는 조건에서도 전자 포획이 대신 일어나기도 한다.
전자 포획 후 일어나는 현상
전자 포획으로 만들어진 딸핵종이 들뜬 상태에 있으면, 바닥 상태로 전이하면서 에너지 차이만큼의 감마선이 방출된다. 때에 따라서는 전자로 에너지가 전달되는 내부 전환(internal conversion)이 일어나서 X-선이나 오제 전자(Auger electron)가 방출되기도 한다. 아래 그림에 보인 것처럼, 전자 포획으로 생긴 내부 전자껍질의 빈자리를 외부 전자껍질의 전자가 내려와서 채우면, 이 두 전자껍질의 에너지 차이에 해당하는 X-선이 나온다. 이 경우, 핵종의 전체 전하는 변하지 않는다. 반면에, 여분의 에너지가 광자로 나오는 대신, 더 바깥쪽 전자껍질로 전달되어 또 다른 전자가 방출되는 오제 효과(Auger effect)가 일어나면 양이온이 만들어진다.
![](https://img-api.cboard.net/img_n.php?image_url=https://dbscthumb-phinf.pstatic.net/5506_000_1/20190107114652654_6IHXSFFWN.png/xray_auger_1.png?type=w540_fst_n)
전자 포획 후 들뜬 상태의 딸핵종이 바닥 상태로 전이하는 메커니즘: (a) X-선 방출; (b) 오제 전자 방출 (출처:대한화학회)
동위원소 | 반감기 |
---|---|
7Be | 53.28 일 |
37Ar | 35.0 일 |
41Ca | 1.03 x 105 년 |
44Ti | 60 년 |
49V | 337 일 |
51Cr | 27.7 일 |
53Mn | 3.7 x 106 년 |
55Fe | 2.6 년 |
57Co | 271.8 일 |
59Ni | 7.5 x 104 년 |
67Ga | 3.260 일 |
68Ge | 270.8 일 |
참고 자료
1.
2.
3.
동의어
전자 포획