베타 붕괴

[뽀야]

베타 붕괴(beta decay)는 핵물리학에서 방사성 감소 중 한 가지를 뜻하는 말로, 베타 입자가 (전자 혹은 양전자를 뜻함) 방출되는 방사성 감쇠를 말한다. 전자가 방출될 경우에는 "음의 베타 붕괴"(β-)라 부르며, 양전자가 방출될 경우에는 "양의 베타 붕괴"(β+)라 불린다.

베타 붕괴의 연구는 최초로 중성미자의 존재에 대한 실마리를 제공했다는 역사적 의의가 있다.

1911년에 리제 마이트너와 오토 한은 베타 붕괴에서 발생하는 전자 에너지의 스펙트럼이 선 스펙트럼이 아닌 연속적인 스펙트럼이 됨을 실험으로 보였다.

이는 마치 붕괴 과정에서 에너지가 사라지는 것처럼 보였는데, 만약 그게 사실이라면 에너지 보존 법칙이 깨지는 것이었다. 또다른 문제는 질소-14 (14N) 원자핵의 스핀이 1이라는 것이었는데, 어니스트 러더퍼드가 제안한 원자 모델에 따르면 질소-14 원자핵의 스핀은 1/2이어야 했다. (러더퍼드의 모델에 따르면 질소-14 원자핵은 양성자 14개와 전자 7개로 구성된다. 물론 현재 알려진 바에 따르면 이 원자핵은 양성자와 중성자 각 7개씩으로 구성되어 있다.)

1920년에서 1927년 사이에, 찰스 엘리스(Charles D. Ellis)는 제임스 채드윅 등등과 수행한 공동 연구에서 베타 붕괴의 스펙트럼이 정말로 연속이라는 것을 논쟁의 여지가 없이 보여주었다.

볼프강 파울리는 1930년 쓰여진 유명한 편지에서, 원자핵 속에는 전자와 양성자 말고도 전하를 띠지 않은 지극히 가벼운 입자가 존재할 것이라고 예측하고, 이를 "중성자(neutron)"라고 불렀다.

그는 이 "중성자"가 베타 붕괴에서도 방출되는데 단지 아직 검출되지 않았을 뿐이라고 제안하였다.

1931년 엔리코 페르미는 파울리가 제안한 "중성자"를 "중성미자(neutrino)"로 이름을 바꾸었고, 1934년에 페르미의 상호작용 모델을 고안하여 베타 붕괴를 성공적으로 설명하였다.

(핵을 구성하는 진짜 "중성자"는 1932년 채드윅에 의하여 발견되었다. 파울리의 예상과 달리 중성미자는 원자핵 속에 존재하지는 않는다.)

음의 베타 붕괴 (β-)

양의 베타 붕괴 (β+)

베타 마이너스 붕괴와 다르게, 베타플러스 붕괴는 에너지를 필요로 하므로 (고립된) 양성자에게서 스스로 일어날 수 없다. (중성자의 질량이 양성자보다 크다는 사실을 상기하라.) 따라서 베타플러스 붕괴는 결합 에너지의 절댓값이 부모 원자핵보다 자식 원자핵에서 더 큰 경우에만 핵 내부에서 일어날 수 있다.

이 두 결합 에너지의 차이만큼이 양성자를 중성자, 양전자, 중성미자로 변환하는 데에 쓰이고, 그리고도 남는 에너지는 생성물의 운동 에너지로 전환된다.

전자 포획

핵변환

이중 베타 붕괴

어떤 핵은 이중 베타 붕괴(ββ 붕괴)를 일으키기도 하는데, 이때 핵의 전하는 2 단위만큼 변한다.

대부분 이중 베타 붕괴가 실제로 의미있는 경우는 단일 베타 붕괴가 에너지 측면에서 불가능할 경우이다.

왜냐하면, 만약 단일/이중 베타 붕괴가 모두 가능한 경우엔 대부분 단일 베타 붕괴의 확률이 훨씬 커서, 이중 베타 붕괴를 관측하기가 거의 불가능하기 때문이다.

이런 이유로, 이중 베타 붕괴를 연구할 때에는 보통 (단일) 베타 붕괴에 안정한 핵을 대상으로 하게 된다.

이중 베타 붕괴 역시 단일 베타 붕괴와 마찬가지로 핵자의 개수 A를 바꾸지 않으므로, 주어진 A의 값을 갖는 핵 중 단일/이중 베타 붕괴 모두에 안정적인 핵이 최소한 하나는 존재해야 한다.

베타 붕괴는 양자역학의 섭동 이론으로 해석할 수 있으며, 따라서 붕괴 속도는 페르미 황금률을 따른다.