전자 포획

목차

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@@

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 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 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 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.

전자 포획 후 들뜬 상태의 딸핵종이 바닥 상태로 전이하는 메커니즘: (a) X-선 방출; (b) 오제 전자 방출 (출처:대한화학회)

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