알파 붕괴

알파 붕괴(alpha decay)는 원자핵이 알파 입자 (헬륨 원자핵)를 방출하는 방사성 붕괴 현상을 가리킨다.¹⁾ 알파 입자가 방출되면 양성자가 두 개 없어지므로 원자 번호가 2 만큼 감소하고 중성자 두 개도 함께 방출되므로 질량수는 4 만큼 감소한다.

예를 들면, 우라늄의 핵붕괴 과정 중 첫 단계는 알파 붕괴이다.

@@NAMATH_INLINE@@^{238}_{92} U \longrightarrow \,^{234}_{90} Th + \,^{4} _2 He^{2+}@@NAMATH_INLINE@@

목차

1899년 러더포드(E. Rutherford)가 알파선 혹은 알파 입자라고 이름 붙인 자연 방사선은 무거운 원자핵(원자량이 106보다 큰 원소)이 알파 붕괴를 하면서 방출된다. 원자가 알파 붕괴를 하면서 알파 입자를 방출할 때 핵자 4개가 빠져나감에 따라 그 원자의 질량수는 4 만큼 감소한다. 이 원자의 원자번호는 양성자 2개를 방출함에 따라 2 만큼 작아지고 양성자의 수가 변하였으므로 새로운 원소가 된다.

원자핵에서 알파 입자가 나오는 알파 붕괴. 양성자는 붉은 색이고, 중성자는 푸른 색으로 표시하였다. ()

알파 입자는 보통 우라늄(₉₂U), 토륨(₉₀Th), 악티늄(₈₉Ac), 라듐(₈₈Ra) 등 방사성 원자핵으로부터 방출된다. 핵변환 중에 발생하는 예로는 우라늄-238 (@@NAMATH_INLINE@@^{238}_{92} U@@NAMATH_INLINE@@)이 알파 입자를 방출하고 토륨-234 (@@NAMATH_INLINE@@^{234}_{90} Th@@NAMATH_INLINE@@)로, 라듐 (₈₈Ra)이 라돈 (₈₆Rn) 가스로 되는 것 등이 있다.

다른 핵붕괴와는 달리 알파 붕괴의 과정에는 붕괴할 수 있는 최소 크기 원자핵을 반드시 있어야 하는데, 현재까지 발견된 가장 가벼운 원자핵은 텔루르(₅₂Te) 원자핵이다. 알파선을 방출하는 몇몇 과정에서는 감마선을 함께 방출하면서 원자핵을 들뜬 상태로 만드는 경우도 있다.

원자핵의 기본적인 상호작용은 전자기력과 핵력의 균형이며, 양전하들 사이의 전자기적 반발력을 핵력이 억누르고 있다. 고전 물리학적으로 보면 양성자와 중성자는 강한 핵력으로 원자핵 내에 붙잡혀 있다. 알파 입자는 강한 핵력을 작용하는 퍼텐셜 우물(potenial well)로부터 탈출할 충분한 에너지를 가지고 있지 않다.

그러나 양자 역학적으로는 터널현상(tunnelling)으로 핵력을 이길 만큼의 에너지가 없는 알파 입자가 핵 바깥에 존재할 수 있다. 그런 입자는 무거운 핵의 양전하와 상대적으로 가벼운 알파 입자의 전기적 반발력에 의해 광속의 1/10에 가까운 속도로 튀어 나간다.

1. David W. Oxtoby, H. Pat Gillis, and Alan Campion, Principles of Modern Chemistry, 7th Edition, Cengage Learning (2011). Chapter 19. Nuclear Chemistry Oxtoby 지음, 일반화학교재편찬위원회 옮김, 옥스토비의 일반화학, 7판, 사이플러스 (2014). 19장 핵화학.