베타선
탄소14가 베타붕괴하면서 방출하는 전자의 궤적이 안개상자 속에서 나타나고 있다. 얇은 지렁이 같은 모양이 계속 순식간에 나타났다가 사라지는데, 방출된 전자 입자의 실제 경로가 안개로 보이는 것이다. 무거운 알파선이 직선으로 방출되는 것과 달리 베타선은 이처럼 불규칙한 모양으로 방출된다.
1. 개요
방사선의 일종이며 입자선이다.
엄밀히 말해서 베타선은 β+선과 β-선 2가지로 구분된다. β+선의 본질은 양전자(positron)[1], β-선의 본질은 전자(electron)이며, 둘 다 주로 베타 붕괴를 통하여 만들어진다.
베타 붕괴란 불안정한 모핵종이 베타선을 방출하며 안정되는 것으로. 원자핵에서 중성자가 양성자로 변환하거나, 그 반대로 양성자가 중성자로 변하면서 불안정한 전자/양전자를 고속으로 방출하며 안정되는 것을 말하는데, β-붕괴와 β+붕괴가 있으며, 이 붕괴방법에 따라 베타선 역시 위에 설명된 β+선과 β-선으로 나뉜다.
2. β- 붕괴
β- 붕괴의 경우 원자핵에서 중성자가 양성자로 변환되어 고속 전자와 반물질인 안티뉴트리노(Anti-Neutrino: 반 중성미자)가 방출되는 붕괴형식으로, 중성자가 양성자로 변화하며 안정되기 때문에 전자가 방출되게 되며, β-선이 방출되게 되면 본래의 원자핵보다 양성자가 1개 더 많고 중성자가 1개 적은 원자핵이 남게 되므로 원자질량은 변하지 않는다. 다만 원자번호는 1 증가한다.
예를 들면 인-32(원자번호 15)가 β-붕괴를 일으킬 경우 전자와 반 중성미자를 방출한 후 황-32(원자번호16)으로 변화하게 되는 식이다. 이때 β-입자는 반 중성미자와 에너지를 나누어 가지게 되며, 반 중성미자가 가질수 있는 에너지의 값이 0~방출 시 획득 최대에너지의 범위 내에서 임의의 값을 가질 수 있기 때문에 β-입자 또한 0~최대에너지 사이의 임의의 값을 가지게 된다 [2] 따라서 β-의 경우는 평균 β에너지라는 개념을 사용하는데, 방출되는 β-의 평균 에너지는 최대 에너지의 1/3이다.
3. β+ 붕괴
또한 β+붕괴의 경우엔 원자핵에서 양성자가 양전자를 방출하면서 중성자로 변환되게 되며, β-붕괴와는 반대로 원자번호가 1개 감소하게 된다. 또한 β-붕괴와는 반대로 뉴트리노(Neutrino : 중성미자)를 양전자와 함께 방출한다.[3]
이때 생성된 양전자는 반물질이기 때문에 전자와 결합하여 소멸하게 되며, 이것을 쌍소멸이라 하는데, 쌍소멸이 일어날 경우 양전자와 음전자가 모두 소멸하는 동시에 전자와 양전자의 서로 반대방향(180도 방향)으로 각각 0.511MeV의 에너지를 갖는 2개의 광자가 방출된다.
4. 영향
전자의 질량(=양전자의 질량)은 입자 가운데에서 가벼운 축[4]에 속하기 때문에 관통력은 없는 것은 아니지만 일상적인 나무 판자나 얇은 철판 등도 뚫지 못하는 수준이다. 따라서 베타선 자체는 쉽게 차폐 가능하다.
하지만 이렇게 상대적으로 약해보이는 베타선원도 여러분을 피폭시키기 위해 숨겨놓은 함정을 가지고 있는데, 위에 설명했듯이 β+붕괴의 경우 양전자가 쌍소멸을 일으키며 감마선을 방출할 수 있다! 거기다 베타선의 경우 차폐물에 막혔을 시 전자가 급제동하며 에너지를 잃고, 동시에 제동복사선인 X선이 방출된다. 즉 관통력이 약한 베타선이라도 차폐물에 막힌 후 제동되며 강력한 X선을 내보낼 수 있으며, 특히 β+선의 경우 제동복사 X선과 함께 쌍소멸로 인한 감마선까지 방출될 수 있다! 그러므로 베타선의 차폐에는 플라스틱과 같은 약한 차폐물 뒤에 제동복사 X선, 혹은 감마선을 막을 납 등의 차폐물 역시 배치하도록 되어 있다.
베타선의 발견은 앙리 베크렐이 형광에 대한 실험 중에 우라늄이 감광판을 감광시키는 것을 알게 됨으로부터 시작된다. 검은 종이로 잘 싸 놨던 감광판이라 빛이 들어 간 건 아니므로 뭔가 투과를 하는 광선이 있음을 안 것이고, X선처럼 껐다 켰다 할 수가 없는 특성이 있음도 알게 되었다. 이후 어니스트 러더퍼드가 이러한 실험을 계속해서 알파선과 더불어 이 베타선의 정체를 발표했다.
[1] 전자의 반물질[2] 연속 스펙트럼이다.[3] 예)질소-13(원자번호 7)이 β+붕괴를 일으킬 경우 양전자와 중성미자를 방출한 뒤 탄소-13(원자번호6)으로 변환.[4] 양성자의 1/1840배. 중성자와 양성자의 질량은 거의 같으며(중성자가 아주 약간 더 무겁긴 하다.) 이에 따라 계산하면 알파선의 질량은 베타선의 7360배이다