Page 119 - 고경 - 2022년 2월호 Vol. 106
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중성자로 구성돼 있다는 것은 이를 보여주는 가장 간단한 예다. 안정적인
핵을 형성하려면 양성자와 중성자의 비율이 적절해야 한다. 안정적인 원
자인 경우, 가벼운 핵은 거의 같은 수의 양성자와 중성자로 구성되고 핵의
질량이 무거워지면 중성자의 비율이 높아진다.
방사성 붕괴에 따른 원자의 변환 양성자와 중성자의 구성 비율이
적절한 영역을 벗어나면 원자핵은 불안정해진다. 이런 원자는 방사성 붕
괴를 거쳐 다른 원소로 변한다. 양자역학에 의하면 어느 한 원자가 언제 붕
괴하는지를 알 수는 없다. 붕괴할 확률만 알 수 있다. 방사성 원자의 절반
이 붕괴하는 데 걸리는 시간을 반감기라고 하며, 이는 핵의 종류에 따라 아
주 짧기도 하고 지구 나이만큼 길기도 하다.
방사성 원자의 반감기는 연대 측정에 사용된다. 방사성 탄소가 질소로
변하는 붕괴 과정의 반감기는 5,730년이며, 방사성 탄소의 양을 측정하여
선사시대처럼 비교적 짧은 과거의 연대를 측정할 수 있다. 방사성 칼륨이
아르곤으로 변하는 방사성 붕괴의 반감기는 12억5천만 년인데, 방사성 칼
륨의 양을 측정하여 암석의 나이를 계산할 수 있다. 자연 상태의 우라늄은
여러 단계를 거쳐 서서히 납 등으로 붕괴한다. 반감기는 우라늄-235가 7
억4백만 년이고, 우라늄-238은 44억7천만 년이다. 반감기가 길어서 지구
의 나이처럼 오랜 과거의 연대를 측정할 수 있다.
우라늄이나 플루토늄의 핵분열nuclear fission도 방사성 붕괴의 한 예다.
불안정한 핵이 붕괴해 다른 원소로 변하는 과정에서 질량이 줄어든다. 이
질량결손 ∆m 에 c 을 곱한 엄청난 에너지 ∆m c 이 방출된다. 1kg의 우
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라늄-235가 붕괴하면서 나오는 에너지는 이론적으로 1천5백 톤의 석탄에
서 나오는 에너지와 같다고 한다.
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