19.1: 방사능 및 핵 방정식

핵화학은 핵 구조의 변화와 관련된 반응을 연구하는 학문입니다. 원자의 핵은 양성자와 수소를 제외한 중성자로 구성됩니다. 핵 속에 있는 양성자의 수를 원소의 원자번호(Z)라고 하며, 양성자 수와 중성자 수의 합을 질량수(A)라고 합니다. 원자번호는 같지만 질량수가 다른 원자는 같은 원소의 동위원소입니다.

원소의 핵종은 특정 수의 양성자와 중성자를 가지며 특정 핵 에너지 상태에 있습니다. 핵종에 대한 표기법은 입니다. 여기서 X는 원소 기호, A는 질량수, Z는 원자 번호입니다. 핵종에 대한 몇 가지 약칭 표기법도 있는데, 그 중 다수는 원자 번호를 생략합니다. 예를 들어, 는 탄소-14, C-14 또는 ^14C로 쓸 수 있습니다.

핵종이 일시적인 여기 상태에 있는 경우 일반적으로 별표로 표시됩니다. 준안정 상태라고 불리는 더 오래 지속되는 여기 상태에 있는 경우 질량수에 'm'을 추가하여 표시합니다. 예를 들어 동위원소 테크네튬-99는 바닥 상태 과 준안정 로 존재합니다. 주어진 동위원소에 대해 하나 이상의 준안정 상태가 있는 경우 에너지 순서대로 번호가 매겨집니다. 예를 들어, 탄탈륨-180 동위원소에는 바닥 상태 와 준안정 상태 , , 및 등 5개의 핵종이 있습니다.

핵반응은 하나 이상의 핵종이 다른 핵종으로 변형되는 것으로, 핵의 원자 번호, 질량 수 또는 핵 에너지 상태의 변화를 통해 발생합니다. 핵반응을 설명하기 위해 우리는 반응에 관련된 핵종과 입자를 식별하는 방정식을 사용합니다. 화학 반응과 마찬가지로 핵반응도 질량 보존을 따릅니다. 즉, 반응물의 질량수의 합은 생성물의 질량수의 합과 같습니다.

핵반응에는 다양한 입자나 광자가 포함될 수 있습니다. 가장 일반적인 것에는 고에너지 헬륨-4 핵인 알파 입자(α 또는  )가 포함됩니다. 전자(e- 또는 β-)와 양전자(e^+ 또는 β^+)를 포함하는 베타 입자(β); 감마선(γ); 중성자( ); 및 양성자(p^+ 또는  ).

일부 핵종은 무기한 온전한 상태로 유지되거나 안정한 반면, 다른 핵종은 자발적으로 다른 핵종으로 변형되거나 불안정합니다. 불안정한 핵종이 다른 핵종으로 자발적으로 변화하는 것은 방사성 붕괴입니다. 불안정한 핵종을 모핵종이라 하고, 붕괴로 인해 생긴 핵종을 딸핵종이라고 합니다. 딸핵종은 안정적일 수도 있고, 스스로 붕괴할 수도 있습니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다  Openstax, Chemistry 2e, Section 21.1: Nuclear Structure and Stability and Openstax, Chemistry 2e, Section 21.2: Nuclear Equations.

Additional Sources

IUPAC. Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook. Accessed 2021-01-10

International Atomic Energy Agency, Nuclear Data Section. Live Chart of Nuclides. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html. Accessed 2021-01-10

원자의 밀도가 가장 높은 지역은 원자핵으로, 양자와 중성자를 포함하고 있으며, 집합적으로 핵이라고 불립니다. 특정 수의 양성자와 중성자에 의해 정의된 원자의 유형을 핵종이라고 합니다. 핵종에 대한 표기법은 원소 기호, 원자 번호 및 질량 번호로 구성됩니다.

핵종에 대한 여러 단축 표기법 중 하나는 원소 이름, 하이픈 및 질량 번호를 사용하는 것입니다. 원자 번호는 같지만 질량 수는 다른 핵종을 서로의 동위원소라고 합니다. 따라서 탄소는 여기에서 3개의 동위원소를 가지고 있습니다.

핵종들은 또한 그것들의 에너지 상태에 의해 특징짓습니다. 예를 들어 단일 동위원소 테크네튬-99는 두 가지 다른 상태 즉, 낮은 에너지 접지 상태와 전이 가능 상태라고 하는 장기 여기 상태로 존재합니다. 이 두 종은 비록 같은 수의 양성자와 중성자를 가지고 있지만 서로 다른 핵종입니다.

흥미롭게도, 주기율표의 몇몇 원소들은 무한정 온전하게 유지되는 안정한 핵종을 가지고 있습니다. 반대로 일부 원소는 방사성 핵종이라고 불리는 불안정한 핵종만을 가지고 있습니다. 예를 들어 우라늄-238은 자발적으로 핵분열을 하여 토륨-234를 생성합니다.

이 과정을 방사성 붕괴라고 합니다. 붕괴 중에 생성된 딸핵종은 안정적일 수도 있고 방사성일 수도 있습니다. 이 과정에 작은 조각이 생기거나 전자기 방사선이 방출됩니다.

알파 입자는 헬륨 핵과 동등합니다. 방출에 의해 원자 번호를 2만큼, 질량 번호를 4만큼 감소시킵니다. 베타 입자는 전자와 동등합니다.

방출될 때 딸핵종의 원자 번호는 1만큼 증가합니다. 이런 입자는 음전하를 띠기 때문에 베타-방사선이라고 불립니다. 전자와 질량은 같지만 전하가 반대인 양전자가 방출하면 원자 번호가 1만큼 감소됩니다.

종종 베타 배출이라고 합니다. 감마선은 원자나 질량수를 변화시키지 않는 고에너지 전자기 복사입니다. 양성자 방출은 질량 수와 원자 수를 각각 1씩 감소시키는 반면, 중성자 방출은 질량 수를 1씩 감소시킵니다.

핵 방정식은 부모 핵종과 딸 핵종의 차이를 보여주며 붕괴의 성격을 나타냅니다. 우라늄-238에서 토륨-234로의 방사성 붕괴는 알파 입자의 방출을 동반합니다. 핵 방정식은 화학 방정식과 마찬가지로 균형을 이루고 있습니다.

질량수의 합은 방정식의 각 측면에서 동일합니다. 이것은 알파 붕괴이기 때문에 원자 번호의 합도 마찬가지입니다.

• Nuclear Chemistry - Study of reactions involving changes in nuclear structure.
• Protons - Stable subatomic particles with a positive electric charge
• Atomic Number (Z) - Number of protons in the nucleus of an atom
• Mass Number (A) - Sum of the number of protons and neutrons in an atom
• Nuclide - A specific type of atom characterized by its proton count, neutron count, and nuclear energy state

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