원자력이론

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1. 기본물리량

1) 자주 사용되는 단위

·1 eV (electron volt : 에너지의 단위)

전자가 전위 1V인 곳에 있을 때의 위치에너지, 또는 전자가 1V인 전위차를

이동하였을 때 얻은 운동에너지

1MeV = [eqn: rm 10^6] eV,          1eV = 1.602 x[eqn: rm 10^-19][eqn: rm J]

= 1.602 x[eqn: rm 10^-12]erg

·1 U (atomic mass unit : 질량의 단위) : [eqn: rm ^12 C] 중성원자의 정확한 1/12

1 U = 1.66 x[eqn: rm 10^-27] kg  =  931.5 MeV

·1 Ci (Curie : 방사능의 단위 ) :  3.7 x[eqn: rm 10^10] dps ,    dps = Bq

·1 R (Roentgen : 방사선선량 단위) : 1R = 2.58 x[eqn: rm 10^-4]C/kg-air

≒ [eqn: rm 1esu over {0.0012939g-air}]

·1 b (barn : 핵반응 단면적의 단위) : 1b =[eqn: rm 10^-24 cm^2]

2) 기본식

아래의 식은 물리의 기본식임으로 기억해 두어야 한다.

E = [eqn: rm mc^2]

E =  h□ = [eqn: rm h c over □]     h : 6.626 x[eqn: rm 10^-34][eqn: rm J·s](플랑크 상수)

□ : 진동수

□ : 파장

E = [eqn: rm mc^2]는 질량과 에너지의 환산(원자핵의 질량결손, 붕괴의 Q치, 원자핵반응의 Q치,                전자나 양자의 정지질량 에너지 …… )의 계산과 사용된다.

E =  h□ = [eqn: rm h c over □]는 주로□선이나 X선의 파장, 진동수 및 에너지 관계를

구하는 식이다.

2. 원자와 원자핵

1) 크기

· 원자의 크기 = [eqn: rm 10^-8]cm = [eqn: rm 10^-10]m

· 원자핵의 크기 = [eqn: rm 10^-12 ∼ 10^-13]cm = [eqn: rm 10 ^-15]m

2) 질량

· 양자의 질량 : 1.007276 U = 1.6725 x[eqn: rm 10^-27]kg = 938.3 MeV

· 중성자의 질량 : 1.008665 U = 1.67848 x[eqn: rm 10^-27]kg = 939.6 MeV

· 전자의 질량 : 0.0005489 U = 9.10956 x[eqn: rm 10^-31]kg = 511 KeV

· 전자의 전기량(e) : 1.602 x [eqn: rm 10^-19] C = 4.802 x[eqn: rm 10^-10] esu

3) 핵종의 질량은 그것을 구성하고 있는 양자, 중성자 및 전자질량의 합 보다

작다.  이 차를 질량결손(mass defect)라 한다.

[eqn: rm Delta M](질량결손) = Z[eqn: rm M_p] + (A-Z)[eqn: rm M_n] + Z[eqn: rm M_e] - M

= Z[eqn: rm M_H]+ N[eqn: rm M_n]- M

4) 핵력

· 핵자들을 단단하게 서로 결합시키는 힘 : 핵력 > 쿨롬력, 만유인력

· 단거리 도달력 : [eqn: rm 10^-13] cm

· 하전독립성 : p-n, n-n, p-p간의 핵력은 같다.

· 포화성을 가진다 : 결합에너지

· 교환력을 가진다 : □중간자를 매개

3. 방사성 붕괴

1) 붕괴의 종류

a) □붕괴

원자핵의 □선을 방출하여 Z-2, A-4 만큼 적은 다른 원자핵으로

변하는 현상,  즉 □선의 본질은 He 원자핵이다.

b) □붕괴

· 음전자붕괴 : 원자핵 속의 n가 p로 변하여 음전자를 방출하고

다른핵종으로 변한다. ( n □□□□ p + [eqn: rm e^-] + □)

· 양전자붕괴 : 원자핵 속의 p가 n로 변하여 양전자를 방출하고

다른핵종으로 변한다. ( p □□□□ n + [eqn: rm e^+] + □)

· 전자포획(electron capture : EC) : 원자핵 속의 p가 궤도전자를

포획하여 n로 변하고 X선을 방출한다.( p + [eqn: rm e^-]□□□□ n +□)

c) □선 방출

□붕괴 또는 □붕괴한 후, 원자핵이 여기상태이면 □선이 방출되어

기저상태가 된다.   □선은 파장이 매우 짧은 전자파이다.

d) 내부전환전자 방출

여기상태에 있는 원자핵이 □선을 방출하는 대신 그 에너지는

궤도전자에 주어 궤도전자가 튀어나오는 것

※ 오제효과

들뜸상태에 있는 원자는 불안정하여 특성X선을 방출해서 안정하게

된다고 했으나, 때로는 X선을 방출하지 않고 그의 에너지가 궤도전자에

주어져서 궤도전자를 원자로부터 추출하는 데 드는 일과 그의 운동에너지               에 소비되는 경우가 있다. 이러한 현상을 오제(Auger)효과라 부르고,

추출된 전자를 오제전자(Auger electron)라 한다.

4. 방사선과 물질과의 상호작용

1) 하전입자와 물질과의 상호작용

① 원자핵과의 탄성충돌

② 원자핵과의 비탄성충돌

③ 궤도전자와의 탄성충돌

④ 궤도전자와의 비탄성충돌

⑤ 내각전자의 전리

♠ 주로 ④의 궤도전자와의 비탄성충돌로서 에너지를 잃는다.

작용하는 힘은 쿨롱력이다.

궤도전자와의 비탄성충돌 : 원자의 여기, 전리

ⓐ 물질의 저지능(Stopping Power)

하전입자나 물질속을 통과할 때 단위길이당 잃은 평균에너지

Stopping Power  = [eqn: rm - dE over dx]

ⓑ 비정 (range) : 하전입자가 물질속을 그 진행방향으로 움직인 거리

ⓒ W치 : 방사선이 기체를 전리할 때 1 ion쌍을 생기게 하는데 필요한

평균에너지.   공기에서는 34eV이다.

W치는 기체의 종류에 따라 결정되는 양이다.

ⓓ 비전리 (Speckfic ionization) : 중하전입자가 기체속을 단위길이당(1cm)

진행할 때 생긴 ion 쌍의 수

ⓔ Bragg 곡선 : 하전입자가 기체속을 움직인 거리를 횡축에, 비전리를

종축에 취한 곡선.

에너지를 잃는 장소 앞(수백 keV)에서 비전리가 최대가 된다.

ⓕ □선의 후방산란 : □선이 물질속에서 산란되어 입사방향으로 다시 나가는 것.

□선의 에너지는 기하학적 조건 등이 관련되지만[eqn: rm ^32 P]의

□선(1.7MeV)에서 Al는 30%에 미치는 경우가 있다.

물질의 두께가 충분하면 Z가 클수록  B·C률은 커진다.

ⓖ 제동복사 (Bremstrahlung radiation) : 원자핵의 근방을 하전입자가 통과할 때

원자핵의 전장에 의하여 감속되어 그 에너지의 일부를 X선으로

방출하는 것.

ⓗ 양전자소멸 : [eqn: rm e^+]가 물질 속의 [eqn: rm e^-]와 결합하여 소멸되고 전체로서[eqn: rm 2m_e c^2]의

에너지에 해당하는 511keV의 □선을 2개 방출하는 현상.

[eqn: rm e^+]가 정지하였을 때 방출확률이 가장 크다,

서로 [eqn: 180^0]의 반대방향

□ 선에너지 전달(LET) : 매질 내 하전입자의 선에너지 전달(linear energy transfer

: LET) [eqn: rm L_Delta]은 매질 속에서 거리 dx를 통과하는

하전입자에 의하여 매질에 주어지는 에너지가 특정한 값[eqn: rm Delta] 보다

작은 충돌에 기초한 에너지손실-dE를 dx로 나눈 몫이다.

[eqn: rm L_Delta =~ (- {dE} over {dx})_Delta]

※ LET가 큰 방사선은 비적의 주위에 생기는 이온 밀도가 크다.

□입자라든가 양자는 전자선이나 X선, □선과 비하여 LET가 크다.

2) □선과 물질과의 상호작용

상호작용 :  광전효과, 컴프톤 산란, 전자쌍 생성

① 광전효과

□선이 원자에 충돌하여 그 외각전자에 전 에너지를 주어 전자가

운동에너지를 얻어서 튀어나오는 현상

[eqn: rm E_ph = E_□ - I_BE]

광전효과에서 튀어나오는 외각전자는 원자핵에 가까울수록

그 확률은 높다. 광전효과가 일어나는 확률은 Z가 클수록,

또는 저 에너지의 선일수록 크다.

[eqn: rm P_ph ~PROPTO ~Z^5 {(E_□ )}^-3.5]

② Compton 산란

□선이 물질 속의 전자와 충돌하여 산란되는 현상

Compton 산란은 탄성산란이며 에너지 및 운동량의 보존법칙이

성립한다.

[eqn: rm acute E_□ = {E_□} over { 1 + {E_□} over {m_0 c^2} (1-cos□)}]

Compton 산란이 일어날 확률은 [eqn: rm E_□]가 클수록 작고, Z가 클수록 크다.

[eqn: rm P_c ~PROPTO ~Z {(E_□ )} ^ -1]

③ 전자쌍생성 ( Pair Production )

□선이 에너지가 1.02 MeV 이상일 때 ([eqn: rm mc^2] = 0.51 MeV) 일어난다.

□선이 원자핵에 접근하여 [eqn: rm e^-]와 [eqn: rm e^+]의 발생하여 자신은 소멸한다.

[eqn: rm E_{e^+~ e^-}] = [eqn: rm E_□] - [eqn: rm 2m_0 c^2]

이 때의 에너지는 연속스펙트럼이고 전자쌍생성은[eqn: rm E_□]가 높을수록

일어나는 확률이 높다.

3) 조사선량

조사선량(exposure) X는 광자에 의해 질량 dm인 공기의 체적요소 내에서,

자유로운 모든 전자와 양이온이 완전히 공기중에서 저지되었을 때 생기는

한쪽 부호 전하의 합 dQ를 dm 으로 나눈 몫이다.

[eqn: rm X = dQ over dm]    〔 C/kg 〕

1 R = 2.58 x[eqn: rm 10^-4] C/kg

< 표준상태에서 >

1 R =[eqn: rm 1~esu over 1~cm^3]

=[eqn: rm 1~esu over 1~cm^3] x[eqn: rm {1~ ion~ pair} over {4.8~ x ~10^-10 esu}]x[eqn: rm {1.6~ x ~10^19 C} over { 1~ ion~ pair}]x[eqn: rm {1~cm^3} over {1.293~x~10^-3 g}]x[eqn: rm 1000~g over {1~kg}]

= 2.58 x[eqn: rm 10^-4] C/kg-air

< 1R의 조사로 공기 1g이 얻는 에너지 >

1 R =[eqn: rm {1~esu} over {1.293~x~10^-3 g}]

=[eqn: rm {1~esu} over {1.293~x~10^-3 g}]x[eqn: rm {1~ion~pair} over {4.8~x~10^-10 esu}]x[eqn: rm {34~eV} over {1~ion~pair}]x[eqn: rm {1.6~x~10^-12 erg} over {1~eV}]

= 86.7 erg/g-air

※ 상호작용 결과 생기는 현상

폐닝효과(Penning Effect)

이온화에너지가 주성분 기체의 여기에너지보다 낮은 기체를 첨가제로 사용하게

되면 여기된 주성분 기체가 중성의 첨가 원자와 충돌하여 첨가 원자를 이온화시

키는데 이는 이온쌍의 한 개를 형성시키는데 소모되는 에너지가 낮아지는 효과

“방사선발생장치”

하전입자를 가속시켜 방사선을 발생시키는 장치로서 대통령령이 정하는 것

① 엑스선발생장치

② 사이크로트론

③ 신크로트론

④ 신크로사이크로트론

⑤ 선형가속장치

⑥ 베타트론

⑦ 반·데 그라프형 가속장치

⑧ 콕크로프트·왈톤형 가속장치

⑨ 변압기형가속장치

⑩ 마이크로트론

⑪ 방사광가속기

<가속장치의 원리>

가속장치의 원리

이온원(ion source)에서 하전입자를 만들어 고진공속에서 전장을 이용하여 하전입자를 가속시킨다.

또한 자장을 이용하여 입자를 자장속에서 원형의 주기운동을 일으키게 하여 고에너지입자선을 만든다.

- 전장만을 이용한 가속장치 :

콕크로프트왈톤형 가속장치, 반데그라프형 가속장치, 신크로트론,

신크로사이크로트론,

- 전자유도에 의한 원형가속장치 : 베타트론

- 변압기형 가속장치

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1. 고전압을 만들고 거기에 의해 하전입자를 가속하는 방식의 것

2. X선발생장치에 사용하도록 변압기에 의해 승압된 고전압의 교류를

정류하는 변압기형

3. 정류회로의 중앙에 다단의 배전압회로을 넣고 콕크로프트왈톤형

4. 전하를 회전하는 절연벨트에 콘베아식에 옮겨넣어 절연전극을 모아서

고전압을 얻는 방식의 정전압 가속기인 반데그라프형

<가속장치의 종류>

1. 선형가속장치(라이낙)

가속방식 : 정상파형, 진행파형

① 공동공진기를 나열한 가속관의 중심에서 고주파 전계에 의해

하전입자를 가속시키는 장치

② 도파관의 기능을 가진 가속관에 그것에 적합한 대출력의 고주파를

보내어 거기에 의해 생긴 전계로 입자를 가속하는 장치

2. 콕크로프트형 가속장치

배전압회로에 의해 고전압을 만드는 전자 또는 중하전입자를 가속하는

장치로서 배전압정류회로를 중복시켜 약 3MeV까지의 고전압을 얻는 것

으로 정류회로 전체가 가속관과 함께 고기압 탱크내에 수납되어 있음

3. 반데그라프형 가속장치

접지측과 전극과의 절연벨트를 두어서 접지측에 부착된 전하를 전극에

모아서 얻게 되는 고전압에 의해 전자 또는 중하전입자를 가속하는 장치

4. 사이크로트론

① 자극간에 Dee(디)라고 불리우는 반원형의 공간 전극을 두고 여기에

고주파를 더해 중하전입자를 가속하는 장치

② 자극의 사이에 진공을 설치하여 Dee라고 불리우는 가속전극을 두고

여기에 교류전계을 더해 입자를 나선형으로 가속하는 장치

③ 사이크로트론에 의한 RI생산은 높은 비방사능 RI를 얻을 수 있다

※ 신크로사이크로트론

고주파전압의 주파수를 동조(同調)시켜 입자를 가속시키는

사이크로트론을 신크로사이크로트론 이라함

5. 베타트론

① 원궤도내의 자속을 변화시켜 교류자장에 의한 전자유도에 의해

생기는 원궤도에 따른 기전력으로 전자를 가속하는 장치

② 도나츠형의 진공중에 시간적 변화를 하는 전자계에 의해 전자를

가속하는 장치

< 가속방식 >

1. 정전가속방식

높은 전압을 만들어 하전입자를 그 전압으로 단숨에 최종에너지까지

가속시키는 방식

(예) 공진변압기, 콕크로프트왈톤형가속기, 반데그라프형가속기

- 공진변압기 : 대전류를 얻을 수 있기 때문에 공업규모의

방사선가공에 이용

- 반데그라프형가속기 : 전압의 안정성이 좋아서 연구용 적합

2. 고주파가속방식

저고주파의 전압으로 입자를 반복적으로 가속시켜 차츰 그 에너지를

올려 최종에너지까지 가속시키는 방식

(예) 선형가속기, 사이크로트론

- 사이크로트론 : 가속전극은 한 쌍으로 되어 있고 입자를 자장속에서

소용돌이 모양의 궤도를 그리면서  그 전극사이를

몇 번씩이나 지나게 한다.

사이크로트론은 오로지 이온(양자, 중양자,□입자등)의

가속에 사용하며,    사이크로트론으로 만드는 RI는

[eqn: RM ^11 C], [eqn: rm ^13 N], [eqn: rm ^15 O], [eqn: rm ^18 F], [eqn: rm ^43 K], [eqn: rm ^52 Fe], [eqn: rm ^67 Ga],  In-111, [eqn: rm ^123 I],                       [eqn: rm ^201 Tl] 등이 있다.

3. 유도가속방식

교류자장에 의한 전자유도를 이용하는 방식

(예) 베타트론

■ 방사화학적 분리법

1. 방사화학적 기술

1) 트레이서(Tracer) 양

보통 분석화학에서 취급하는 양보다 휠씬 적은 양을 다루며,

[eqn: rm 10^-10]mol 이하의 양을 트레이서(tracer) 양 또는 트레이서 농도 라고 함

트레이서 양은 종래의 화학적 지식으로는 이해하기 힘든 화학행동의

이상현상을 나타내는 경우가 많으며, 특히 공침, 흡착, 라디오코로이드

생성 현상이 일어난다.

♠ RI 트레이서의 기본요건

① 동위원소 교환이 없을 것

② 표지위치를 알 수 있는 것일 것

③ 동위원소 효과가 없을 것

④ 방사선 효과가 없을 것

♠ 트레이서의 요건

① 반감기, 방출방사선의 종류와 에너지

② 방사화학적순도 및 비방사능

③ 구득의 난이도

④ 사용시설 및 기기류

2) 담체 ( Carrier )

▣ 트레이서 양의 RI와 같은 이상현상을 없애기 위해서나 측정시료로 하기 위해서          혹은 분리할 때 눈에 보이는 화학상태로 하기 위해서는 비방사성의 동위체를          가하거나(동위체 carrier) 혹은 어떤 화학반응에서 비슷한 화학거동을 하는 비방          사성의 비동위체를 가한다(비동위체 carrier). 후자는 상이한 원소 등으로 다른          화학반응을 쓰면 후에 RI를 무담체로 할 수 있는 것이 장점이다.

▣ 비방사성물질을 적당량 가하면 RI는 그것과 같은 행동을 하게 되어 분리조작이

용이해진다. 이 때에 가하는 비방사성 물질을 목적 RI를 맡아 운반하는 역할을

하는 운반체 또는 담체라고 한다.

♠무담체 RI

모든 원자가 같은 한가지의 방사성원자인 경우, 즉 비방사능이 최대인 상태

무담체 RI 1□Ci 의 무게(g)

W = 8.854 x[eqn: rm 10^-20] T·M (g)

♠담 체 (캐리어)

무담체 RI가 극미량이어서 취급이 어려움으로 취급하기 쉽게하기 위해

가하는 RI와 비슷하거나(비동위원소 담체) 또는 완전히 같은(동위원소 담체)

안정동위원소 또는 유사화합물

3) 스케벤저 ( Scavenger )

▣ 어떤 반응에서 대상으로 하는 RI에 항상 따라니면서 공존할 가능성이 있는

핵종을 미리 제거하고, 대상으로 하는 RI는 용액중에 남기는 것을

scavenger라 한다.

▣ 목적 RI를 용액중에 남기고 목적하지 않는 RI를 침전시켜 제거할 목적으로

가하는 담체는 청소역할을 한다하여 스캐벤저라고 한다.

▣ 목적하는 방사성원소를 모액중에 남기고 다른 방해원소들을 공침·흡착등

으로 제거할 목적으로 가하는 담체

4) 홀드백 캐리어 ( Holdback carrier,  보지(保持)담체 = 유지담체 )

▣ scavenger 하는 경우나 기타 분리할 때 carrier - free 인 RI는 수반하기 쉬운

경향이 있다. 이때 그것의 carrier를 사전에 가하면 이 경향을 크게 억제할 수가

있으므로, 이 작용 때문에 Holdback carrier라고 불린다.

▣ 어떤 목적하지 않는 방사성원소가 목적방사성원소와 공침되거나 수반되는 것을

막고 모액중에 그대로 남아있도록 하기 위해 가하는 담체

▣ 어떤 방사성원소가 다른 원소와 함께 공침되거나 다른 원소에 수반되어가는 것

을 피하기 위해 그 방사성원소의 비방사성동위원소를 담체로 가해서 그 방사성

원소를 모액중에 남기도록 한다.

이때 가한 비방사성동위원소담체를 유지담체라고한다.

5)  포집제 ( collector )

▣ 지극히 많은 양의 물질 또는 염분량이 많은 용액중에 어떤 대상으로 하는 RI를

농축분리할 필요가 생긴다. 이와 같은 경우에 carrier의 역할을 하는 것을 포집

제라고 부르는 경우가 있다.

▣ 목적원소만을 직접 포집 또는 농축할 목적으로 가는 담체

▣ 여러 가지 방사성원소가 혼합된 용액이거나 희박한 한가지 방사성원소 용액

에서 목적원소만을 직접적으로 포집하거나 농축할 목적으로 가하는 담체

6) 밀킹 ( milking )

어미핵종과 방사평형에 있는 단수명의 딸핵종을 어미핵종으로부터 분리해서

쓰는 조작을 말한다. 어미핵종의 반감기가 길 때 일정시간 방치하면,

또 다시 평형량의 딸핵종이 성장한다.

**** 대표적인 카우 시스템 ****

[eqn: rm ^90 Sr] □□□□□□□□□ [eqn: rm ^90 Y]

[eqn: rm ^99 Mo] □□□□□□□□□[eqn: rm ^99m Tc]

[eqn: rm ^113 Sn] □□□□□□□□□ In-113m

[eqn: rm ^137 Cs] □□□□□□□□□[eqn: rm ^137m Ba]

[eqn: rm ^140 Ba] □□□□□□□□□ [eqn: rm ^140 La]

[eqn: rm ^226 Ra] □□□□□□□□□ [eqn: rm ^222 Rn]

[eqn: rm ^132 Te] □□□□□□□□□ [eqn: rm ^132 I]

7) 방사화학적 수율

방사화학에서 반감기와 피폭시간 때문에 회수율은 반드시 100%에 가까울 필요가

없고, 오히려 반복해서도 변동하지 않고 일정하게 있으면 낮아도 좋다.

동위체 carrier을 쓰고 있을 때는 회수된 carrier의 양을 정량해서 방사화학적수율

을 낸다.  비동위체 carier를 쓰고 있을 때는 대상으로 하는 RI자신 또는 그 방사

성동위체의 일정량을 가해서 회수된 방사능의 측정치에 의해 수율을 구한다.

이 방사화학적 수율에 의해 얻어진 측정치를 보정해서 전체 양을 측정한다.

8) 방사화학적 순도

시료의 전체 방사능 가운데 특정한 방사성핵종의 방사능이 점유하는 비율 또는

특정한 화학종의 방사능이 점유하는 비율을 말한다.

9) 라디오콜로이드

담체를 포함하지 않는 방사성핵종은 용액중의 규산콜로이드 및 부유진 등에

흡착되어 콜로이드적인 행동을 한다. 이와 같이 방사능을 띤 콜로이드 입자를

라디오콜로이드라 한다.

트레이서양의 화합물 자신이 코로이드상으로 되는 것은 극히 적다.

라디오코로이드는 그의 원소가 매크로양만큼 존재할 때에 침전을 일으키는 조건         하에서 생성되기 쉽다.

따라서 가수분해하기 쉬운 원소에서 산성을 강하게 하면,

라디오코로이드의 생성을 막기도 하고, 가용성의 착이온을 형성하기 쉬운 원소에

대해서 착형성제를 가하면, 라디오코로이드의 생성을 억제할 수 있다.

♠ 라디오콜로이드 및 그 특징

① 용액속에 극미량 존재하며 포화농도에 휠씬 못미쳐도 콜로이드가 생성됨

② 라디오콜로이드는 흡착현상이 두드러져 정상적으로 취급하기 어려움으로

캐리어를 가해서 취급해야 함

③ 무담체 RI의 콜로이드는 캐리어에 의해 공침될 수 있음

④ EDTA 등 착화제를 가하여 콜로이드 생성을 막을 수 있음

10) 공침

무담체의 RI는 미량이고 침전제를 가해도 용해적(鎔解積)을 넘을 수가 없거나

혹은 넘어도 침전의 형성이 인지되지 않는 경우가 많다.

그러나 담체로 되는 것이 존재하면 담체와 함께 침전하는 경향이 있다.

이 현상을 공침이라 한다.

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◑ 방사화학적 분광법의 선택

1) 침전법

분리할 방사성핵종 용액에 적당한 담체(공침제)를 가하여 침전시켜 분리하는 방법       이며 목적하는 방사성핵종을 침전쪽에 모이게 하는 공침법과 불필요한 방사성핵종       을 침전쪽에 넣어 스캐벤즈(Scavenge) 하는 방법 (용액잔류법) 등으로 크게 나눈다.

♠ 공침법

목적 방사성핵종과는 비동위원소담체에 해당하는 이른바“공침제”를 가하여

목적 방사성핵종을 공침시켜 분리하는 제1단계와 담체(공침제)를 목적 핵종

에서부터 분리 제거하는 제2단계등 두단계로 구성

2) 용액잔류법

침전법과는 반대로 목적으로 하는 방사성동위원소를 용액에 남도록 하고 표적원소       를 침전으로 제거하는 방법이다. 원리적으로는 용출법과 비슷해, 경우에 따라 용출       법에 포함시키기도 하나 조작상으로 보면 침전법의 특별한 경우로 생각하는 것이       좋다. 예를 들면, 염소로 포화시킨 12N 염산을 가해 바륨을 침전시키면[eqn: rm ^137 Cs] 는        침전되지 않고 용액에 남는 경우이다.

3) 용출법

어떤 용액 또는 용매에 대하여 표적물질 또는 모체원소의 염류가 불활성이고

목적으로 하는 방사성원소가 가용성일 경우, 이 용액 또는 용매에 의하여 목적으        로 하는 방사성원소만이 씻겨내리게 하는 방법을 용출법 (Leaching method) 이라        고 한다.

[eqn: rm ^140 La] (반감기 : 40시간)의 무담체분리의 예를 들면 다음과 같다.

[eqn: rm ^140 La]를 함유하는 용액에 [eqn: rm Ba^2+]를 담체로 가하고 질산을 가한 다음 황산바륨          형태로 침전시킨다. 여과한 뒤 이 침전을 깔대기속에 둔 채로 수 일간 방치하여          침전속에서 [eqn: rm ^140 La]를 생성시킨다. 침전이 들어 있는 깔대기 위에서 HCl 과

알코올이 같은 부피로 섞인 용액으로 씻어내리면 [eqn: rm ^140 La]만이 용출된다.

4) 용매추출법

많은 종류의 원소가 포함되지 않은 혼합시료에 대해 두 섞이지 않는 액층의 분배        계수 차이를 이용해 추출, 분리하는 방법이다. 용매추출법에서는 분리가 정량적이        아닌 것이 단점이다. 따라서 포집제를 이용한 공침법 등으로 목적하는 원소나 물        질을 대부분의 불순물로부터 분리, 농축하고 그 후에 추출법으로 정제하는 것이         좋다.

5) 이온교환법

통상의 화학적 방법으로서의 이온교환수지에 의한 원소의 분리, 농축법은 방사성        원소의 분리, 정제법으로도 이용된다. 특히, 최근에는 화학적 성질이 유사한 원소        들을 각각 착화합물로 만들어 그 화학적 성질 차이를 크게 하는 방법이 쓰이고         있다.

즉, 이 방법으로 분리조작 신속화를 이룩할 수 있어서 이온교환법을 더욱 효과적        으로 이용할 수 있게 한다. 이 방법은 조작이 단순하나 시간이 걸리며 방사선이         강할 경우에는 이온교환수지가 분해되는 경향이 있는 것이 단점이다.

6) 전기화학적 방법

RI분리에 있어서 치환법이란 목적하는 RI용액에다 이온화 경향이 큰 금속을 투입        하여 그것보다 이온화경향이 작은 미량의 RI를 금속으로 석출시켜 분리하는 방법        이다.

이것과 원리적으로 같으나 전극과 금속을 따로 설치하는 내부전해법 즉, 전압을         걸어서 전극표면에 목적원소의 금속 또는 그 산화물을 석출시키는 방법이 있다.         또 이 경우에 수은음극을 써서 아말감으로 분리한 뒤 수은을 증류, 제거하는 방         법을 쓰거나 양극 또는 음극반응에 의해 전극금속과 불용성인 화합물을 생성시켜        이것을 석출, 분리하는 방법 등을 쓴다. 이 방법의 장점은 원격조작이 용이하며         침전법에 비해 다른 RI핵종에 의한 오염도 적어 산업용 방사선원 제조에 쓰일 수        있다는 점이다. 특히, 무담체 RI를 이 방법으로 분리한다면 전압조절이 매우 중요        하다. 표적물질과 생성RI의 분리에도 이 방법을 쓰는 경우가 있으며 목적하는 RI        를 용액에 남기는 것이 일반적이다. 과전압 크기, 착이온생성유무 등에 따라 다르        나 일반적으로 이온농도 및 그에 대응하는 기전력에 의하여 어떤 금속을 양극에        모이게 하는냐가 결정된다.

7) 크로마토그래피

종이크로마토그래피 방사성원소를 분리하는 방법은 조작이 간단하고 기구가

특별히 필요치 않아 자주 이용된다.

이 방법에서 주의해야 할 것은 담체를 쓸 때와 안 쓸 때에 이동률 Rf값이 다를         경우가 있다는 점이다.

Rf = [eqn: rm {원점으로부터~ 각~ 물질이~ 이동한~ 거리} over {원점으로부터~ 용매의~ 이동선단까지의~ 거리}]

8) 방사콜로이드법

극미량의 방사성동위원소는 자주 콜로이드적인 성질을 띄는 수가 있다.

이것에는 일반 콜로이드와 마찬가지로 조작이 간판하다는 장점이 있다. 원심분리,        여과지 흡착 등이 가장 흔히 쓰인다.  pH공존전해질, 용매종류, 생성후 부터의

경과시간 등이 분리에 영향을 준다.

(예) 방사성[eqn: rm ^90 Y]의 Sr로 부터의 분리

Sr을 묽은 염산에 녹여 [eqn: rm Sr^2+]의 농도를 0.5M 정도로 희석하고 [eqn: rm NH_4 OH]로             pH를 9로 한다. 이 용액을 여과지를 써서 여과하면 [eqn: rm ^90 Y]는 여과지에 남게              된다. 여과지에 묻은[eqn: rm ^90 Y]는 염산에 녹는다. 이 방법은 Sr담체를 함유한                [eqn: rm ^90 Sr]로부터 [eqn: rm ^90 Y]를 밀킹하는 데에 자주 이용된다.

9) 증류법

일반적으로 무담체 증류분리를 하는 경우는 목적핵종과 동위원소관계가 아닌

불활성기체나 공기 등을 담체로 사용하여 포집하기 쉽게 하고 있다.

받는 그릇의 용액 조성을 달리하여 포집한다.

(예)

핵분열생성물에서부터 요오드의 분리를 위해서는 핵분열생성물의 질산용액에            소량의 과산화수소를 가해 요오드를 증류해 내 수산화나트륨액에 받는다.

10) 반도법(反跳法)

□붕괴때의 딸핵종이나 초우라늄원소의 핵반응때 반도효과로 인해 운동에너지를

갖고 있어 화학결합을 끊고 튀어나오는 현상을 이용한다.

이 때 전위차를 걸어서 분리를 용이하게 한다.

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◑ 방사화학 분석 (Radio Chemical Analysis)

방사성핵종의 방사능 또는 그 딸핵종의 방사능에 의해 방사성핵종의 존재량을

알기 위한 분석

① 방사성핵종을 분리해서 확인하거나 혹은 정량(定量)하는 것

어떤 방사성핵종을 정량하면 존재비로부터 그 원소의 정량도 가능하게 된다.

② 방사성핵종의 방사능 또는 그 딸핵종의 방사능에 따라서 방사성핵종의 존재량을

알기 위한 화학분석법

1) 분석정도가 비교적 낮다

2) 다른 핵종으로부터 동일한 딸핵종이 생기는 등의 부반응에 의한 방해

3) 자기차폐에 의해 입사 입자속이 시료에 흡입되어 감소하므로 오차가 생긴다.

4) 원자로 가속기등 대형의 장치가 필요

5) 반감기에 따라 방사능이 감쇠하므로 분리 소요시간이 짧아야한다.

6) 예민한 방사능의 검출 및 높은 회수욜이 필요

◑ 방사분석 (Radiometric Analysis)

목적원소는 방사성이 아니나 방사성원소와 결합시켜 생성하는 목적원소 화합물의

방사능을 측정하여 간접적으로 목적원소(또는 화합물)을 정량하는 방법

① 어떤 원소를 정량하는데 그 방사성동위체의 일정량을 가한 후 방사능을 측정하여        정량의 목적을 달성하는 방법

② 시료자체는 비방사성이지만 그것과 정량적으로 결합하는 방사성시약을 가해

침전의 방사능을 측정함으로써 비방사성 시료양을 아는 법

③ 목적원소는 방사성이 아니나 방사성원소와 결합시켜 생성하는 목적원소 화합물의

방사능을 측정하여 간접적으로 목적원소(또는 화합물)를 정량하는 방법

1) 간단한 분리조작이 가능

2) 경우에 따라 정도를 좋게함

3) 미량 성분을 신속히 분리

4) 정량하고자 하는 성분과 생긴 침전사이에 당량관계가 일정하기만하면 평량형

으로서 적당하지 않아도 된다.

5) 다소 다른 성분이 침전과 공침하고 있어도 되는 경우가 있으므로 조작하기 쉽다.

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◑ 방사화분석

① 측정하려는 시료에 하전입자, 중성자 등을 조사하여 정성분석하고 방사능의 강도를

측정하여 정량분석하는 방법

② 시료를 높은 에너지의 입자나 혹은 전자파로 충격하여 생성된 방사성핵종의 특성을         조사하거나 방사능 세기를 측정함으로써 시료중의 특정원소의 정성·정량분석하는

방법

◑ 방사화분석법의 장·단점

【장점】

① 감도가 높다

② 화학적으로 유사원소의 분석에 유리하다

③ 방사화 이후의 시료오염은 영향이 없다.

④ 동시 다원소분석이 가능하다.

⑤ 단순하며 비파괴분석이 가능하다

【단점】

① 정밀도(accuracy)가 낮다

② 부반응이 있으며 입사입자의 흡수등 조건을 일정하게 하기가 쉽지 않다.

③ 중성자원이 필요하다

◑ 중성자방사화 분석법의 장,단점을 간단히 설명하시오.

【장점】

① 감도가 높아 미량분석이 가능

② 소량의 시료로도 많은 원소를 동시에 분석가능

③ 시료를 분해하지 않고 측정가능하며 측정후 시료를 다른 목적에 사용가능

④ 반감기에 따라 분리측정 가능

⑤ 시료의 전처리가 필요없음           ⑥ 선택성이 있음

⑦ 조사후 화학조작을 가해도 영향없음  ⑧ 신속, 간편한 분석방법

【단점】

① 시료상태를 알수 없음 (IR, UV을 이용)

② 시간적인 제약을 받음(고가인 ON-Line System 이용)

③ Side Reaction이 존재

④ 비용이 많이 든다(특수설비 필요성)

⑤ 정밀도 및 정확도가 나쁘다. (낮은 재현성)

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◑ 측정시료의 조제

방사능의 계수를 목적으로 하는 측정에서는 방사능의 절대치를 구하는 측정(절대측      정)과 상대치를 구하는 측정(상대측정)에서 시료의 조제법이 다르다.

<예제>  □방사체 및 저에너지의 □방사체의 측정에는 (gas flow형 계수관)이나 전리상          등의 측정기가 사용된다. 일반적으로 □선의 (투과력 또는 비정)이 작으므로,

자기흡수의 영향을 작게 하기 위해서 측정시료는 얇고 균일하게 조제해야 한다.          이 목적에는 (전착법) 및 진공증착법이 적용되고 있다. [eqn: rm ^222 Rn]과 같은 기체의           □방사체 및 [eqn: rm ^3 H], ([eqn: rm ^14 C] ) 등의 에너지로서 쉽게 기체로 변하는 □방사체는

직접계수관에 시료를 봉입해서 계수하는 방법이 취해진다. 최근, 한창 사용된           (액체 섬광계수기)는 [eqn: rm ^3 H], ([eqn: rm ^14 C] ) 등의 핵종에 대해서 시료를 기체로 하지

않고 간단히 측정될 수 있는 점이 편리하나 값이 비싸다.

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◑ 방사성표지화합물 제조

1. 정의 및 종류

1. 표지화합물 : 어느 화합물 중 특정원자를 방사성원자로 바꾸어 넣은(표지한) 화합물

2. 종류

가. 완전표지화합물

어느 화합물 중의 원자나 원자단을 RI원자로 바꾸어 넣기 전후에 구조적으로

하등의 차이를 나타내지 않으며 화학적으로 동일한 화합물

나. 불완전표지화합물

어는 화합물 중의 원자나 원자단을 본래의 원자나 원자단이 아닌 제3의 방사성

원소나 방사성원자단으로 바꾸어 원래의 화합물과는 구조적으로나 화학적으로

동일하지 않은 화합물

2. 방사성 표지화합물의 필수요건

ㅇ 방사성원자로 표지한 후에도 원래의 화학적성질이 그대로 보존

ㅇ 화학적으로 표지된 위치를 알 수 있어야 하며, 이용중 동위원소교환반응이 일어나지

않아야 한다.

ㅇ 도입돤 RI원자의 반감기와 방사선 에너지는 적당

ㅇ 불완전 표지화합물을 이용할 경우에는 새로운 방사성원자나 원자단의 도입으로 인한

구조적 변화나 화학적 성질 변화가 본래의 화합물과는 다른 거동을 나타내어서는 안된다.

3. 불완전 표지화합물의 필요조건

ㅇ 원래의 분자구조를 크게 바꾸지 말 것

ㅇ 한 분자당 한개 이하의 방사성원자를 도입할 것

ㅇ 표지된 화합물이 원래의 거동을 나타내는지를 확인한 후 이용할 것

4. 일반적 제법 및 특징

1. 화학적 합성법

여러단계의 화학반응조작을 거치는 방법

- 단점 : 번잡한 것이 있음

- 장점 : 표지위치를 확실히 알 수 있음

2. 생합성법

목적하는 화합물이 생체에 의해 합성

- 장점 : 사람이 직접 합성 반응조작을 하지 않음

- 단점 : ① 생체에 의한 것이므로 특정위치에만 표지하기 어려움

② 여러 가지 다른 화합물에도 방사성원자를 표지하므로 목적 표지화합물의

비방사능이 높지 않으며 여러 가지 불순물을 분리해내야 함

3. 반도표지법

RI 표적물질과 표지하려는 물질을 잘 혼합하여 원자로에서 중성자 조사함으로써

핵반응을 일으켜 생성되는 RI원자의 반도에너지에 의해 표지되는 방법

- 단점 : 중성자조사로 인해 특정원소의 방사화만 일어나는 것이 아니라 피표지물질의

분해가 심하며 여러 가지 분해생성물이 생겨 목적하는 표지화합물 수율이

낮으며 분리해내기가 쉽지않다

- 장점 : 원자로를 이용하여 직접 목적하는 표지화합물을 얻음

4. 동위원소 교환법

표지하려는 유기물 중 특정원소의 안정동위원소원자를 방사성동위원소 원자로 교환시켜

표지하는 방법

교환반응 전후에 화학적 변화는 없다.

- 장점 : ① 부반응이 없으며, 반응물질과 생성물질이 같으므로 분리정제가 용이함

② 높은 비방사능의 생성물이 얻어짐

5. 방사성표지화합물의 순도

1. 방사화학적 순도

목적화합물에서의 방사능의 전체 방사능에 대한 백분율을 말한다.

비방사성 불순물이 상당히 많이 있더라도 목적화합물의 방사화학적 순도에는 영향을

주지 않는다.

2. 화학적 순도

목적화합물의 화학적 양의 전체 양에 대한 백분율을 말한다.

미량의 방사성물질의 존재는 화학적 순도에 아무런 영향도 미치지 못한다.

6. 방사성표지화합물의 불안정성 요인

1. 1차 내부효과

방사성표지화합물 중에 있는 방사성원소의 붕괴에 의한 불안정효과를 말한다.

이 효과는 온도, 압력, 습도등 외부조건의 영향을 받지 않는다.

가능한 한 분자당 방사성원자 도입의 수를 줄이던가(비방사능의 감축) 또는 방사능

농도를 줄여야한다.

2. 1차 외부효과

방사성표지화합물의 방사성원자에서 방출하는 방사선에 의한 자기분자나 다른분자의

분해효과를 말한다.

3. 2차 방사선효과

1차효과에 의해 생긴 자유라디탈은 2차적으로 다른 분자를 공격하여 새로운

화합물들을 만들므로 더욱 불안정 효과를 확대시키는데 이를 2차 방사선효과라고 한다.

4. 방사성표지화합물 보관

불안정성 요인 때문에 일반적으로 표지화합물은 다음과 같이 보관해야 한다.

① 냉암소에 보관

② G값이 낮은 화합물로 변환시켜 보관

③ 비방사능이나 방사능 농도를 가능한 한 낮추어 보관

④ 방사선 흡수제나 방사선에너지 분산제를 가해 함께 보관

⑤ 물이 아닌 용매에 녹여 보관

< 방사성표지화합물의 분해 형태>

분해형태	원 인	방 지 방 안
1차 내부효과	방사성원자의 자연적 붕괴	비방사능이 정해졌으면 방안 없음
1차 외부효과	방사성표지화합물 분자와 □,□,□등 방사선의 직접작용	방사성표지화합물을 분산시킬것
2차 방사선효과	방사성표지화합물과 1차효과로 생긴 원자나 라디칼과의 작용	방사성표지화합물의 분산, 냉각, 자유라디칼포획제 첨가
화학적 효과	화합물의 열역학적 불안전성 및 부적한 환경	냉각 유해약품의 제거

<예제> 일반적인 방사성표지화합물 합성법 3가지 및 각 방법의 장단점을 1가지씩 적어라

ㅇ 화학적 합성 ------- 다단계, 번잡, 표지위치 확실

ㅇ 생합성법 ---------  생체가 합성하므로 간편, 부반응생성물로 인해 비방사능

낮아짐

ㅇ 동위원소 교환 ----  간편, 부반응생성물 없어 고비방사능 생성물 얻음

◑ 초기에는 기체중의 이온쌍의 생성이 방사선화학반응을 일으킨다고 생각되고 있었기

때문에, 그 수율에는 이온수율이 사용되는데,

이것을 일어난 이온쌍의 수를 N, 생성 또는 분해된 분자수를 M이라 할 때,

M/N로 표시됨.

이 값은 W값(기체속에 1개의 이온쌍을 일으키는 데 필요한 평균에너지)과 비교해보면      작고, 때로는 반 이하이다.

이 에너지의 차는 勵起를 위해서 사용

방사선 화학반응에서는 이온쌍, 여기분자, 이어서 라디칼의 생성이 중요

또 이온과 중성분자로 이온분자반응을 일으키는 것도 알았다.

따라서 수율을 이온쌍의 수에 대한 비로서 나타내는 것은 적당하지 않고,

또 실험계에 따라서는 이온쌍의 수의 측정이 반드시 가능하다고는 할 수 없다.

즉, G값(흡수에너지 100eV당 변화하는 분자수) 이라 불린다.

◑ 라디오그래피에 사용되는 선원으로서 필요한 조건을 설명하시오.

① 소형이며 방사능이 강한□선원이어야 함.

② 피사체의 종류나 두께에 따라 적당한 에너지를 갖는□선이어야 함.

③ 반감기가 충분히 길어야 함.

④ 제조방법이 쉽고 값이 싸야 함.

⑤ 선원의 강도는 수Ci∼수10Ci정도가 좋음. (Co-60,Cs-137,Ir-192,Tm-170)

◑ □선 두께계용의 선원으로서 필요한 조건을 간단히 설명하시오.

① 측정하려고 하는 물질의 종류와 두께에 따라 적당한 에너지를 갖는□선을

방출하는 핵종이라야 한다.

② 측정시의 백그라운드 및 방사선방어 관점에서 □선을 방출하지 않는 핵종이

바람직하다.

③ 같은 이유로[eqn: RM □^+]선원은 양전자소멸 방사선을 방출하기 때문에 별로 좋지 않다.

④ 물리적으로나 화학적으로 충분히 안정한 형태를 가져야 한다.

⑤ 반감기가 긴 것이 좋다.

⑥ 선원의 강도는 약10-100mCi정도이다.

◑ 연간섭취한도 (ALI)

어떤 단일기관이나 조직에 대한 연간 선량당량이 500mSv을 초과하지 않는 최대량,

체내피폭에 관한 2차한도

◑ 유도공기중 농도 (DAC)

연간 2000시간 작업하는 표준인이 방사성물질의 섭취로 인하여 그 양이 ALI에

대한 유도한도.

[eqn: DAC = {ALI} OVER {2400}]  □/□

◑ 방사평형(Radioactive Equilibrium)

모핵종의 방사능과 자핵종의 방사능의 비가 일정하게 되는 현상

① 영속평형(Secular Equilibrium)

모핵종의 평균수명이 모든 자핵종의 평균수명보다 긴 경우에 실현되는 방사평형

② 과도평형(일시평형)

모핵종의 반감기가 자핵종의 반감기보다 조금 길 때 모핵종의 감소와 같은 비율로

자핵종도 감소해가는 현상

◑ 중성자와 물질과의 상호작용

가.  산  란

① 탄성산란

원자핵과 충돌하여 중성자의 운동에너지 일부 또는 전부를 원자핵에게 주며 원자핵

은 여기시키지 않는 경우로 수Mev이하의 중성자와 물질과 상호작용에 있어서

중요한 역할을 한다.

② 비탄성산란

탄성산란의 경우와 거의 같은 양상으로 충돌하여 원자핵의 여기를 동반하는 경우로

여기한 원자핵이 기저상태로 돌아갈 때 감마선 방출을 동반한다.

이 반응을 일으키는 최저 문턱값을 가지기 때문에 속중성자 에너지 식별에 이용

나.  흡  수

입사입자가 복합핵속에 완전히 흡수되는 경우

③ 변환

복합핵이 양자나 알파입자를 방출하고 새로운 다른 원소로 만들어 지는 것

④ 포획

중성자가 표적핵에 흡수되어 감마선을 방출하는 반응

⑤ 분열

중성자를 흡수하여 원자핵이 쪼개지면서 에너지를 방출하는 현상

◑ 입자가속기

① 정전가속방식 : 높은 전압을 만들어, 하전입자를 그 전압으로 단숨에 최종에너지까지

가속시키는 방식

《예》공진변압기, 콕크로프트왈톤형 가속기, 반데그라프형가속기

② 고주파가속방식 : 저고주파의 전압으로 입자를 반복적으로 가속시켜, 차츰 그에너지를

올려 최종에너지까지 가속시키는 방식

《예》선형가속기, 리니악

③ 유도가속방식 : 교류자장에 의한 전자유도를 이용하는 방식

《예》베타트론

◑ 중성자는 하전입자의 경우처럼 바라는 에너지로 만들어지기는 힘드므로, 핵분열 때

방출하는 높은 에너지의 중성자를 열운동에너지상태(열중성자)까지 감속해서 핵반응에

이용한다.

열중성자는 원자핵에 포획되기 쉬워서 (n,□)반응단면적은 크다.

열중성자의 반응단면적은 중성자의 속도가 크게 될수록, 속도□에 반비례해서 작아진다.       중성자가 핵근처를 통과하는 시간이 1/□에 비례하여 짧아져 포획되기 어렵기 때문이다.

♠ 고속으로 가속한 전자를 백금판 같은데에 충돌시켜 급정지시키면 제동방사선에 의해

X선이 발생

♠ X선의 산란은 핵외전자에 의한 것이며 원자번호가 큰 원소일수록 크다

◑ 핵반응 단면적 (□)

- 핵반응이 일어나는 정도를 나타내는 parameter

□ 의 단위 : barn,    1b = [eqn: 10^-24][eqn: rm cm^2]

- 핵반응이 일어나는 확률

† RI 생성량은 핵반응단면적에 비례하는데 핵반응단면적 값은 표적핵의 종류만이

아니고 충격입자의 종류나 에너지에 의해서도 달라짐

◑ 문턱값

- 핵반응을 일으키는데 필요한 최소한의 입사입자 운동에너지

- 핵분열에 필요한 가장 낮은 에너지

Q > 0 : 발열반응,       Q < 0 : 흡열반응

◑ 자발핵분열

외부에서 에너지를 주지 않더라도, 혼자 저절로도 어느 정도의 핵분열을 일으키는 것.

† 문턱값 이하의 에너지에 의해서도 tunnel효과에 의해 에너지 장벽을 넘어서

핵분열이 일어나고 있음.

◑ 유도핵분열

외부에서 에너지를 주어서 일으키는 핵분열

▒ 핵분열 수율

어느 방사성핵종을 생성하는 핵분열 수가 일어난 핵분열 총수의 몇%인가를

나타내는 수치

◑ 반도에너지 ([eqn: rm E_r])

[eqn: rm E_r] = [eqn: rm {537~ E^2} over {M}]

M : 반도원자질량,

E : □선에너지(MeV)

◑ 원자로내 중성자에 의한 핵반응중

(n, p), (n,□)에 의해서 고 비방사능 RI가 제조

(n, □)반응에 의해서는 생성 방사성원자가 표적원자에 의해 희석되기 때문에

비방사능이 낮은 RI만 얻어진다

※ 고 비방사능의 RI제조를 위한 뜨거운 원자효과의 조건

① 생성핵은 반도되어 화학결합을 완전히 끊을 것

② 반도에 따른 생성핵은 다른 원자와 재결합하지 말 것

③ 생성핵은 비방사성 표적원자와 교환되지 말 것

④ 반도생성핵과 표적원자의 분리가 용이할 것

◑ 열중성자 방사화 □□□□□ □선 스펙트로메트리

♠ 열중성자방사화 분석의 순서

분석시료 조제, 칭량		캡슐에 밀봉 열중성자 조사 30초 ∼ 수일		□선 스펙트럼 측정		광전피크확인 및 강도 해석

◑ 방사면역측정(RIA) 방법이 가능하기 위한 보편적이고 필수적인 조건

① 특이성이 있는 항체가 얻어질 수 있을 것

② 목적물질을 RI로 표지한 표지화합물이 있을 것

③ 항체와 결합한 부분과 비결합부분의 분리가 가능할 것

◑ RI 발생기

단 반감기 RI를 얻는 방법의 한 가지로 비교적 반감기가 긴 어미핵종을 어떤 물질에

흡착시켜 놓고 필요할 때 적절한 용매로 용출하면 반감기가 짧은 딸핵종만 용출되어

나오게 만든 장치

◑ 단백질을 이루고 있는 아미노산 분자중에서 방사선에 의하여 구조적 변화가 일어날 수

있는 부위는 곁사슬로서 탈수소 등의 구조변화를 가져오게 된다.

단백질 폴리펩티드내의 아미노산 곁사슬 중 방사선 감수성이 높은 것은 히스티딘,

트립토판, 티로신 등 환상구조(ring form)를 갖고 있는 것들과 -SH기 (thiol group)

를 갖고 있는 시스테인 등이다.

◑ 고분자에 방사선이 조사되면 저분자화합물에서와 마찬가지로 이온, 여기분자, 라디칼

등이 생성되어 복잡한 반응을 일으키지만 최종적으로는 두 종류의 변화,

즉 주쇄의 분해와 주쇄간의 가교가 일어난다.

가교결합은 고분자사슬들이 서로 결합하는 것을 말하며, 이 반응이 많이 일어나면 분

자량이 증가되어 융점이 높아지고 용매에도 잘 녹지 않게 된다. 또 결정성이나 유리상

태의 고분자에 방사선을 조사하여 가교결합이 일어나면 경도와 취성이 증가한다.

분해는 한 분자가 2개 이상으로 잘려지는 것을 말하며, 불포화화합물의 생성도 분해반

응에 인한 것으로 볼 수 있다.

◑ 평균수명

방사성원자핵의 붕괴수 dN에 t를 곱해서 t에 대해 0에서 무한까지 적분하여 최초에 존재했던 방사성원자핵수 [eqn: rm N_0]로 나눈 것을 방사성동위원소의 평균수명(□)

방사성원소의 수명을 이야기할 때 방사성원소의 반감기보다 평균수명을 사용할 때가 있다.  단위시간당 붕괴확률 □의 역수로 정의한다.

◑ 생물학적 반감기

체내에 있는 방사능이 신진대사에 의해 배설되어 1/2로 줄어드는데 소요되는 시간

[eqn: rm T_B] = [eqn: 0.693 over □_B]

◑ 유효반감기

초기의 방사능이 물리적반감기와 생물학적반감기에 의해서 1/2로 줄어드는데 소요되는 시간

[eqn: rm T_B] =[eqn: rm { T_R~ x~ T_B} over {T_R + ~T_B}]

◑ 원자핵이 □붕괴로 핵 변환할 때 방출되는 □선의 스펙트럼이 연속스펙트럼이 되는

이유를 설명하라. 또[eqn: RM □^-]선 방출과 내부전환전자 방출과는 어떻게 구별되는가?

□붕괴는 원자핵 속의 중성자가 양자로, 양자가 중성자로 변화할 때

중성미자와 반중성미자를 방출하므로 연속스펙트럼이 나타난다.

n □□□□□ p +[eqn: RM □^-] + □,    p □□□□□ n + [eqn: rm □^+] +□

□선 방출은 핵내부에서 양자가 중성자로, 중성자가 양자로 전화되면서 방출되는데,

내부전환은 여기상태에 원자핵이 보다 낮은 상태로 천이할 때 감마선을 내는 대신에

궤도전자에 에너지를 주어 궤도전자를 원자밖으로 방출하는 현상으로 방출전자를

내부전환전자라 한다.

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

◑ 유기화합물이나 착염의 한 원자를 중성자 조사표적으로 하여 중성자조사하면

뜨거운 원자가 받은 반도에너지가 화학결합에너지보다 클 때

뜨거운 원자는 결합을 끊고 분자밖으로 튀어나와 유리상태나 이온으로 되는데

이것을 화학처리하여 모으면

(n,□)반응 결과 생성한 방사성핵종만을 표적핵종으로부터 분리할 수 있게 된다.

Szilard-Chalmers의 방법이라고 함

◑ 붕괴도식으로 알 수 있는 사항

- 핵종의 종류

- 핵종의 붕괴 종류

- 각종 방사선의 붕괴방식과 그 비율

- 반감기

- 방출 강도 및 에너지 준위

◑ 순도 구분

① 방사능 순도

해당 핵종 방사능/ 총 방사능 x 100

② 방사화학적 순도

목적 화합물의 방사능/ 전체 방사능 x 100

③ 화학적 순도

목적 화합물의 화학적량 / 전체량 x 100

◑ 가속장치의 원리

이온원으로부터 하전입자를 만들어 고진공 속에서 전기장에 의해 그 하전입자를

가속하거나, 또는 그 위에 자기장을 병용하여 자기장 속에서 입자로 하여금

원형의 주기운동을 일으키게 함으로써 고에너지 입자속을 만든다.

♤ 전기장만에 의한 가속장치 □□□□□□□□ 콕크로프트-왈톤, 벤더그래프, 선형가속장치

♤ 자기장을 병용한 원형가속장치 □□□□□□□□사이클로트론, 싱크로트론, 싱크로사이클로트론

♤ 전자기유도에 의한 원형가속장치 □□□□□□□□ 베타트론

▣ 알파선원

Po-210, Am-241, Ra-226, Pu-238, Cm-242, Pb-210

▣ 베타선원

H-3, C-14, Ni-63, Pm-147, Tl-204, Kr-85, Sr-90

▣ 감마선원

Ra-226, Pu-238, Am-241, Co-60, Cs-137, Ir-192, Pb-210, I-125

▣ 중성자선원

- (□, n) 핵반응 □□□□□□□□[eqn: rm ^241 Am] - Be,[eqn: rm ^210 Po] - Be,[eqn: rm ^226 Ra] - Be

- (□, n) 핵반응 □□□□□□□□[eqn: rm ^226 Ra] - Be

- 자발핵분열 □□□□□□□□ [eqn: rm ^252 Cf]

◑ 방사선과 물질과의 상호작용 확율을 나타내는 양 : 상호작용계수

▣ 질량감쇠계수 (□/□)

- 방사선과 물질과의 상호작용을 일으킬 수 있는 확율을 나타내는 계수

- 방사선 차폐 계산에서 사용

▣ 질량에너지전달계수  ([eqn: RM □_tr]/□)

- 방사선과 물질과의 상호작용 과정에서 입사감마방사선의 에너지를 물질에

전달할 확률

- 전달된 에너지가 제동복사선으로 손실되는 것은 고려하지 않음

- 입사 감마방사선이 밀도가 □인 어느 물질에서 dl 만큼 횡단할 때 상호작용에

의하여 하전입자의 초기운동에너지로 전달된 입사입자에너지의 분율

▣ 질량에너지흡수계수 ([eqn: rm □_en]/ □)

- 질량에너지전달계수에서 제동복사선으로 손실된 에너지율을 뺀 양

[eqn: rm □_en]/ □ = [eqn: RM □_tr]/□(1 - G)

감독자면허 예상문제

< 원자력이론 (물리) >

1. 원자핵의 반지름이 다음의 식과 같다고 하자. 원자핵의 물리적 밀도는 얼마인가 ?

또 수밀도 (number density)는 얼마인가 ?

[eqn: rm R = R_0 A^1/3]

( [eqn: rm R_0] = 1.25 F ,    1 amu = 1.66 x[eqn: rm 10^-24] g )

< 해답 >

원자번호가 A라고 하면, 개략 계산을 할 때

- 핵의 크기 = [eqn: rm 4 over 3 □R^3]

=[eqn: rm 4 over 3 □ {(1.25 x 10^-13 cm)}^3 A]

= 8.18 x[eqn: rm 10^-39 cm^3] A

- 무게 = A x 1.66 x[eqn: rm 10^-24]g

- 밀도 =[eqn: rm {1.66~ x ~10^-24 g~ x~ A } over {8.18~ x ~10^-39 cm^3~ x~ A }] = 2.03 x[eqn: rm 10^14 g/cm^3]

- 갯수 = A

- 수밀도 =[eqn: rm {A} over {8.18~x~10^-39 cm^3~ x ~A}] = 1.22 x[eqn: rm 10^38 ~ "#" /cm^3]

2. 1 MeV의 운동에너지를 갖은 양성자가 갖고 있는 운동량(momentum)과 똑같은 양의     운동량을 광자(photon)가 갖으려면 광자의 에너지는 얼마가 되어야 하는가?

< 해답 >

- 광자의 에너지  E = h□ = pc = h[eqn: rm c over □]

운동량  P =[eqn: rm h over □] =[eqn: rm E over c]

- 양성자의 에너지

[eqn: rm E_k] =[eqn: rm 1 over 2 m_p v^2]   □□□□□□ v = [eqn: rm SQRT {2E_k over m_p}]

- 양성자의 운동량

P = [eqn: rm m_p v] =[eqn: rm m_p SQRT{2E_k over m_p}]

PC = [eqn: rm m_p C SQRT{2E_k over m_p}]

분모, 분자에 C를 곱하면

PC = [eqn: rm m_p C^2 SQRT {2E_k over {m_p C^2}}]

문제에서  [eqn: rm E_k] = 1MeV라고 했으며,

양성자의 무게에너지 [eqn: rm m_p C^2] = 931.47 MeV 이다.

∴ PC = 931.47 MeV x[eqn: rm SQRT {2~x~1MeV over 931.47MeV}]

∴ [eqn: rm E_photon] = PC = 43.16 MeV

3. 어떤 입자의 운동에너지가 그 입자의 질량에너지와 같다고 하면, 그 입자의 운동속도는     얼마가 되는가 ?

< 해답 >

[eqn: rm E_k] = [eqn: rm 1over2 mv^2] ≠ [eqn: rm m_0 c^2]

운동에너지가 [eqn: rm m_0 c^2]의 ∼2%를 넘으면 상대성원리 적용해야 함.

[eqn: rm E_total] = [eqn: rm mc^2] =[eqn: rm m_0 c^2~ +~ E_k] = [eqn: rm {m_0 c^2} over SQRT{ 1-{v^2 over c^2}}]

[eqn: rm E_k] =[eqn: rm m_0 c^2]라면

2[eqn: rm m_0 c^2] = [eqn: rm {m_0 c^2} over SQRT{ 1-{v^2 over c^2}}]

[eqn: rm SQRT {1 - {v^2 over c^2}}] = [eqn: rm 1 over 2]

[eqn: rm v^2 over c^2] = [eqn: rm 3 over 4]

∴ v = [eqn: rm SQRT 3 over 2 c] ≒ 0.866 c

= 2.6 x[eqn: rm 10^10 cm/sec]

4. 다음의 핵종중에서 □붕괴를 하는 핵종은 ?

[eqn: rm ^27 Al _13] , [eqn: rm ^84 Kr_36] , [eqn: rm ^99 Mo_42] , [eqn: rm ^224 Ra_88] , [eqn: rm ^232 Th_90]

< 해답 >

무거운 핵종은 ( A≥180) □붕괴를 할 확률이 높으며, 양성자수(Z)와 중성자수           (N)가 모두 짝수이면 안정한 핵일 가능성이 높다. 또한 양성자수와 중성자수가

비슷하면 □붕괴할 확률이 적다.

따라서 가능성이 높은 핵종은 [eqn: rm ^84 Kr_36] , [eqn: rm ^99 Mo_42] , [eqn: rm ^27 Al _13] 이 중에서 짝수+짝수           를 제외하면 [eqn: rm ^99 Mo_42] , [eqn: rm ^27 Al _13]이 남고, [eqn: rm ^99 Mo_42]가 가능성이 제일 높다.

실제로 [eqn: rm ^27 Al _13] , [eqn: rm ^84 Kr_36] , [eqn: rm ^232 Th_90]은 안정핵, [eqn: rm ^224 Ra_88]는 □붕괴핵이다.

5. [eqn: rm ^3 H _1]는 [eqn: rm □^-] decay를 하면서 최대 0.0185 MeV의 에너지를 방출하며,

0.764 MeV 이상의 에너지를 양성자를 [eqn: rm ^3 H _1]에 충돌시키면 [eqn: rm ^3 He_2]과 중성자가

생성된다. 여기서 중성자와 양성자의 무게차이를 MeV단위로 계산하여라.

< 해답 >

[eqn: rm □^-] decay

[eqn: rm ^3 H _1] □□□□□□ [eqn: rm ^3 He_2] + [eqn: rm □^-] +[eqn: rm -ATOP□] + 0.0185 MeV

핵반응

[eqn: rm ^3 H _1] + P + 0.764 MeV □□□□□□ [eqn: rm ^3 He_2] + n

이 관계를 에너지식으로 표현하면

M([eqn: rm ^3 H _1] )[eqn: rm C^2] = M([eqn: rm ^3 He_2] )[eqn: rm C^2] +[eqn: rm m_e C^2] + 0.0185 MeV

M([eqn: rm ^3 H _1] )[eqn: rm C^2] +[eqn: rm m_p C^2] + 0.764 MeV = M([eqn: rm ^3 He_2] )[eqn: rm C^2] +[eqn: rm m_n C^2]

윗 식에서 아랫식을 빼면

-[eqn: rm m_p C^2] - 0.764 MeV = [eqn: rm m_e C^2] -[eqn: rm m_n C^2] + 0.0185 MeV

∴  [eqn: rm m_n C^2] -[eqn: rm m_p C^2] = [eqn: rm m_e C^2] + 0.0185 MeV + 0.764 MeV

= [eqn: rm m_e C^2] + 0.7825 MeV

= 0.511 MeV + 0.7825 MeV

= 1.2935 MeV

6. [eqn: rm ^90 Sr]의 반감기는 28.8년이고, [eqn: rm ^60 Co]의 반감기는 5.26년이다.

[eqn: rm ^60 Co]의 1g에서 나오는 방사능의 세기와 같아지려면 [eqn: rm ^90 Sr]은 몇 g 있어야 하나?

< 해답 >

방사능(Activity) = □N

□ (Decay constant) =[eqn: rm ln2 over T_1/2]

N  : Number of Isotopes

[eqn: rm ^60 Co]의 방사능

[eqn: rm □_Co] = [eqn: rm ln2 over 5.26yr]

[eqn: rm N_Co] =[eqn: rm {1g~ x~ N_A} over 60]

∴   [eqn: rm A_Co] = [eqn: rm ln2 over 5.26yr] x[eqn: rm N_A over 60]

[eqn: rm ^90 Sr]   [eqn: x] g의  방사능

[eqn: rm □_Sr] = [eqn: rm ln2 over 28.8yr]

[eqn: rm N_Sr] = [eqn: { x ~rmx~ N_A} over 90]

∴   [eqn: rm A_Sr]= [eqn: rm ln2 over 28.8yr] x [eqn: { x ~rmx~ N_A} over 90]

[eqn: rm A_Co] = [eqn: rm A_Sr] 이려면

[eqn: rm ln2 over 5.26yr] x[eqn: rm N_A over 60] =[eqn: rm ln2 over 28.8yr] x [eqn: { x ~rmx~ N_A} over 90]

∴  [eqn: x] = [eqn: rm 90 over 60] x [eqn: rm 28.8 over 5.26] = 8.21(g)

7. [eqn: rm ^226 Ra_88](Radium-226) 1g은 매초간 3.7 x[eqn: rm 10^10]개의 □-particle을 방출한다.

이 방사선 세기를 1Curie(Ci)라고 정하였다.

(가)  Ra-226의 붕괴상수를 구하라

(나) 또 반감기를 구하라

(다) 또 1,000년의 기간동안에 Ra-226은 몇% 없어지는지 계산하라

< 해답 >

(가)  A =□N

N = [eqn: rm {1g} over {226 g/mole}~ x~N_A /mole] =[eqn: rm 6.02~x~10^23 over 226]

∴ □ = [eqn: rm A over N]

=[eqn: rm 3.7~x~10^10 over {6.02~x~10^23}~ x~ 226 sec^-1]

= 1.389 x[eqn: rm 10^-11 sec^-1]

(나)  [eqn: rm T_1/2] =[eqn: rm ln2 over □]

=[eqn: rm 0.693 over {1.389~x~10^-11 sec^-1}]

= 4.99 x[eqn: rm 10^10 sec]

= 1,580 year

(다) 시작 시점이 언제이던 상관없이 t 시간이 경과된 후의 남아있는 개수는

N = [eqn: rm N_0][eqn: rm e^-□t]로 계산된다.

따라서, t시간 동안 없어진 개수는

[eqn: rm Delta N] =[eqn: rm N_0] - [eqn: rm N_0][eqn: rm e^-□t]

=(1-[eqn: rm e^-□t])[eqn: rm N_0]

없어지는 비율은

[eqn: rm DeltaN over N_0] = 1 -[eqn: rm e^-□t]

= 1 -[eqn: rm e^{-1.389~x~10^-11~ x~1000~x~365~x~24~x~3600}]

= 1 - 0.645

= 0.355

= 35.5%

8. 어떤 화석의 연대측정실험에서 탄소의 무게는 0.25g이었고, 탄소의 방사능은               0.93pCi로 측정되었다. 살아있는 생명체의 유기질에는 탄소 1g당 7.5 pCi의 방사         능을 갖고 있다. C-14의 반감기는 5730yr이다. 이 화석의 연대는 어느정도인가?

< 해답 >

만약 화석이 지금 현재 살아 잇는 생명체와 같은 조건(조성)이라면,

방사능은 다음과 같이 계산된다.

A = 0.25g or Carbon x[eqn: rm {7.5 ~pCi} over {1g ~of~ Carbon}]

= 1.875 pCi    (pCi = 1 x[eqn: rm 10^-12]Ci)

지금 현재의 방사능은 Carbon-14의 붕괴로 인해 개수가 줄었기 때문이다.

A = [eqn: rm A_0][eqn: rm e^-□t] =[eqn: rm A_0][eqn: rm e^{-ln2~{t} over{ T_1/2}}]

0.93pCi = 1.875pCi x [eqn: rm e^{-ln2~{t} over{ T_1/2}}]

(ln 2)[eqn: rm t over T_1/2] =[eqn: rm ln({1.875} over{ 0.93})]

∴   t =[eqn: rm T_1/2] x[eqn: rm {ln({1.875} over{0.93})} over {ln 2}]

= 5,730 yr x [eqn: rm 0.7012 over 0.6931]

= 5,796 yr

♠ □의 에너지가 높으면, 감마선이 흡수되고 양전자와 전자의 쌍이 생성되며,

생선된 전자들이 날라가면서 다시 감마를 생성하므로 감마가 없어지지는 않는              다.(쌍전자 생성효과) 그러나 낮은 에너지의 감마들은 매질에 흡수되고 광전자              를 생성한다.

그러나 이 낮은 에너지의 광전자는 2차, 3차 감마를 많이 생성하지 않으므로              감마선이 많이 차폐된다.(광전효과), 차폐체의 Z가 작은 경우( 즉, 가벼운원소              들의 경우) 모든 에너지 영역에서 감마선은 흡수가 잘 되지 않고 탄성산란하며              감마선이 끊임없이 충돌한다.(콤프톤효과)

1. 아래 RI핵종들의 조합중에서 일반적으로 원자로내에서 중성자 조사하여 생산되는 것

끼리 조합된 것은 ?

① Co-60, P-32, S-35       ② Sr-90, C-11, I-131

③ N-13, Ga-67, P-33       ④ Cs-137, Pm-147, Xe-133

< 해답 > ①

* 핵분열물질에서 분리 : Sr-90, Pm-147, Xe-133, Cs-137

원자로내 중성자 조사 : Co-60, P-32, S-35, I-131

입자가속기 이용 생산 : C-11, N-13, Ga-67

2. 아래의 비방사능과 무담체 RI에 관한 서술 중 맞지 않는 것은?

① 동위원소담체를 가하면 비방사능이 커진다.

② 무담체 RI의 비방사능은 시간경과와 무관, 일정하다.

③ 동위원소담체를 가하면 비방사능이 작아진다.

④ 무담체 RI 1□Ci의 무게는 W=8,854 x[eqn: RM 10^-20] x T x M 그램이다.

< 해답 > ①

3. 단반감기 RI분리법의 특징으로 볼수 없는 것은 ?

① RI분리 때에는 회수율과 분리소요시간이 함께 고려되어야 한다.

② RI 분리효율이 우선적으로 고려되고 분리소요시간은 고려대상이 아니다.

③ 무담체 RI는 라디오콜로이드가 되기 쉽다.

④ 동위원소담체를 가하면 무담체RI에 비해 흡착현상이 원화된다.

< 해답 > ②

※ 무담체RI에 담체를 가한 후 침전제를 가하면 그 무담체RI는 담체와 함께 공침된다.

4. 핵종 A (반감기 1시간) 의 갯수가 핵종 B (반감기 2시간)의 갯수의 4배 있다

시간이 경과해서 핵종 B의 원자수와 핵종 A의 원자수가 같게 되려면

몇시간 후가 되겠는가?

< 해답 >

핵종 A의 최초의 원자수를 N,  필요한 시간을 t 라고 하면

N[eqn: rm ({1 over 2}) ^{ ({t over T})}] = [eqn: rm ({N over 4})][eqn: rm ({1 over 2}) ^{ ({t over T})}]

= N[eqn: rm ({1 over 2})^2][eqn: rm ({1 over 2}) ^{ ({t over T})}]

= N[eqn: rm ({1 over 2}) ^ {( 2 +{t over 2})}]

[eqn: rm ({1 over 2}) ^ {({t over 1})}] = [eqn: rm ({1 over 2}) ^ {( 2 +{t over 2})}]

[eqn: rm t over 1] = 2 +[eqn: rm t over 2]

∴ t = 4시간

5. 10mg의 Cu를 2 x[eqn: rm 10^11] n/[eqn: rm cm^2]·sec 의 중성자속으로 4시간 조사했을 때

[eqn: rm ^63 Cu (n,□)^64 Cu]의 핵반응으로 얻어지는 [eqn: rm ^64 Cu]의 비방사능을 구하라.

단, □ = 3.9 b,    T = 12.8시간이다.

< 해 답 >

A = N□□ (1 -[eqn: rm e^-□t])

= [eqn: rm {10 x 10^-3 x 6.023 x 10^23} over {63}] x 2 x[eqn: rm 10^11]x 3.9 x[eqn: rm 10^-24]{ 1 - exp( -[eqn: rm {0.693~ x~ 4} over {12.8}])]

= 7.45 x[eqn: rm 10^7] ( 1 -[eqn: rm e^ -0.3])

= 18.9 x[eqn: rm 10^6]dps

= 510 □Ci

따라서, 비방사능은 510 □Ci ÷ 10mg = 51□Ci/mg

◑ 핵화학 (Nuclear Chemistry) □□□□□□ 방사선과 물질의 상호작용을 취급하는 학문

◑ 방사화학 (Radiochemistry) □□□□□□ 방사성 물질을 대상으로 하는 화학

◑ 방사선 화학(Radiation Chemistry)□□□□□□ 방사선에 의한 물질의 변화를 알아보는 학문

◑ 방사선 생물학 (Radiobiology) □□□□□□ 방사선과 생물과의 관계를 연구하는 학문

◑ 비(比)방사능 (Specific Activity)

그 원소의 단위질량당 방사능,  Bq/g 또는  Bq/m mol

방사성 핵종을 포함하는 시료에 같은 원소의 비(非)방사성 동위원소가 들어 있다면

비(比)방사능도 작게된다.

◑ 무담체 (Carrier Free)

어떤 방사성 핵종을 포함하는 시료에 비방사성 동위원소를 가하면 즉 I125에 I127등을

가하면 I125의 비방사능은 낮아진다. I는 전부 I125로만 되어있고 비방사성 I127는 전혀

없는 상태를 무담체(Carrier Free)인 상태라고 하며 이 상태에서 비방사능은 최대이다.

◑ 방사성 동위원소 생성

A = □N = N□□ (1-e-□t)

◑ Hot 원자의 Szilard-Chalmers 반응

(n,□)반응에서 고 比방사능의 무담체 핵종을 생성하기는 곤란.

표적원자가 들어있는 유기화합물에 중성자를 조사하면 표적원자핵과 반응이 일어나면서

생성핵이 어떤 에너지를 가지고 반도된다.  이 반도에너지(ER)가 원자의 화학 결합에너지

보다 크면 이 높게 여기된 반도원자 (보통 Hot원자 또는 방사성 원자)는 화학결합을 끊고

분자 밖으로 빠져 나온다.

이와같이 유리된 원자(혹은 이온)만을 화학처리에 의해서 모으면 (n,r)반응의 결과로

얻어진 방사성 핵종만을 표적핵종으로 부터 분리해서 모으는 것이 가능

Chalmers 와 Szilard가 분리법을 발견 : Szilard-Chalmers 과정

ER[eV] = 537 Er2/M

Er : MeV 단위로 표시된 r선 에너지

예 : C2H5I 을 열중성자로 조사하여 I127 (n,r) I128 을 얻었다고 하자.

여기서 생성된 I128은 반도를 당하여 화학결합을 끊고 유리상태.

화학결합은 보통 2 ∼ 5 eV.

이것을 물로 추출하면 무담체의 I128 을 얻을 수 있다.

◑ Hot Atom

원자핵의 붕괴 또는 핵반응에 의해 생성하는 원자는 반도에너지가 주어져 높은

운동에너지 또는 높은 전하를 가지면 주위의 정상적인 원자와 분자와는 다른 화학적

거동을 나타내는 원자.

Hot Atom은 분자내에서 화학결합을 해리하거나 새로운 화합물을 생성하는데

이러한 효과를 반도효과.

◑ Szilard-Chalmers Process가 일어날 수 있는 조건

- 결합이 깨어져야 한다.

- 재결합이 안되야 한다.

- 교환반응이 없어야 한다.

- 분리방법이 있어야 한다.

◑ 담 체 (Carrier)

핵반응에 의해 생성되는 RI의 질량은 매우 적어서 이들의 RI는 상당히 주의해서 취급하지 않으면 용기의 표면에 흡착하던지 또는 Radiocolloid가 되던지 하여 보통 사용되는 농도범위의 용액과는 전혀 다름.

적당량의 非방사성 물질을 첨가하면 RI는 이것과 같은 행동을 해서 분리조작이 쉽다. 이때 첨가한 非방사성 물질은 목적으로 하는 RI을 담아 나르는 역할을 하는 것으로 담체.

무담체 RI에 취급이 용이하도록 하기 위해 첨가하는 것

Na24 에 Na23 을 가한다면 Na23 은 Na24 의 동위원소 담체임.

(n,r) 반응으로 얻은 Na24 의 비방사능은 낮음 : Na23 (담체)가 많이 섞여 있으므로 담체는 가하기는 쉬워도 제거하기 어렵다.

◑ Milking Time

모핵종만 분리해낸 후 딸핵종이 생성되기 시작하여 최고 방사능을 띠게 될 때까지

소요되는 시간

2.303      T2

Tmax = □□□□□□ log □□□

T2 - T2    T1

◑ 방사화학적 분리의 실제적 방법

- 침전법               - 이온교환법

- 증류법               - 용액잔류법

- 전기화학적 방법      - 용출법

- Szilard-Chalmer법     - 밀 킹

- 용매추출법           - 크로마토 그래피

- 방사콜로이드법

◑ 방사 콜로이드 (Radiocolloid)

담체를 함유하지 않은 방사성 핵종은 용액중에 규산 콜로이드나 부유진에 흡착되어

콜로이드처럼 행동. 방사능을 띤 콜로이드 입자를 방사 콜로이드.

◑ 방사분석과 방사화학 분석

비방사성 원소를 분석하고자 하는 경우에 방사성동위원소를 Tracer로서 더해 방사성동위

원소의 방사능을 이용해서 목적원소를 분석하는 방법이 방사분석이다.

여기에 더해서 방사성동위원소가 가진 방사능을 측정함에 따라 방사성 원소 그것을

정량분석 하는 것이 방사화학 분석.

◑ 동위원소 희석 분석법

혼합물중의 어떤 특정한 성분만을 분리해서 정량하기가 어려울 때 사용하면 편리.

- 직접 희석법

- 역 희석법

- 이중 희석법

- 동위원소 유도법.

◑ 방사선의 생체작용

① 물리적 과정 : 방사선에너지의 생체흡수

② 화학적 과정 : 흡수된 에너지가 생화학반응을 진행

③ 생물학적 과정 : 생화학반응이 생체에 영향을 주고 생물계에 결과증폭

◑ 화학 선량계

방사선에 의해서 일어난 화학변화량의 G값이 일정하면 매질에 흡수된 에너지를 구해

선량을 측정하는 방법을 화학선량 측정법.

◑ 방사선의 생체작용

① 물리적 단계 (10-16초)

세포에 주어진 에너지에 의해 전리

방사선→물질 : 에너지 흡수→원자(분자)→여기 또는 이온화

H2O → H2O* → H2O+ + e-

이온화 분자는 해리, 중화반응, 이온분자 반응 등을 일으킨다..

② 물리 화학적 단계 (10-6초)

이온이 다른 물분자와 반응해서 얼마간 새로운 물질이 생긴다.

H2O* → H + OH

H2O+ + H2O → H3O + OH

↓

H3O+ + e-  → H + H2O

③ 화학적 단계 (2 ∼ 3초)

활성종

H + H → H2

OH + OH → H2O2

H + OH → H2O

e- + H2 → H + OH-

반응생성물이 세포의 중요한 유기분자와 작용.

유리기와 산화제가 염색체를 만들고 있는 복잡한 분자를 파괴

④생물학적 단계 (수십분 ∼ 년) : 화학변화가 세포에 주는 영향

세포가 죽음

세포분열 정지 또는 지연

영구적인 변화로 자손의 세포에 전달.

◑ G 값

방사선에 의한 반응생성의 정도를 나타내는 척도.

화학반응이 얼마나 쉽게 일어나느냐 하는 것은 생성물이 얼마나 많이 발생하느냐에

따라 가늠할 수 있다.

물질이 흡수한 방사선의 에너지 100 eV당 생성물의 수

생성분자수 (M)       M

G = □□□□□□□□□□□□□□□□□ =  □□□□ × 100

흡수 에너지(u)/100    u

그러므로 초기 생성물의  G값은 방사선의 LET와 수용액의 pH에 강하게 의존.

◑ 표지화합물 합성법

- 화학적 합성법

- 생 합성법

- 동위원소 교환법

- 반도 표지법

- 빌즈 바하법

◑ 추적자 (Tracer)

물질속에 약간의 방사성동위원소를 혼합시켜 놓으면 RI로 부터 나오는 방사선을

측정기로 추적함으로써 그 물질의 거동을 알 수있다.

이런 목적으로 사용되는 RI 이용방법을  Tracer법

◑ 개봉선원을 추적자로 사용

- 원료 체재시간 분포측정

- 혼합도 측정

- 확산속도 및 유속측정

- 누설 및 배관 막힘 탐사

◑ 조직과 기관

- 조직 : 다세포 생물의 체내에는 같은 종류의 세포가 일정한 규칙에 따라 집단을

만들고 있다. 이 집단을 조직이라 한다.

- 기관 : 몇 가지 조직이 모여서 어떤 기능을 보이는 구조를 기관이라 한다.

◑ 조직의 분류

- 세포분열을 하지 않게된 세포집단 (세포 비재생계)

□□□□□□□ 충추신경계 (뇌, 척추), 근육, 뼈, 폐 등에서 분열빈도는 극히 적다.

- 활발한 분열을 하는 세포계 (세포 재생계)

□□□□□□□ 혈액세포를 부단히 새로 만들어 내는 골수나 임파기관, 장이나 피부의

상피조직, 정자를 만드는 장소

◑ 생물학적 영향의 단계적 증상

- 분자레벨 : DNA 손상

- 세포레벨 : 세포사망, 돌연변이, 세포유전

- 개체레벨 : 체세포 (백내장, 홍반, 궤양, 사망), 생식세포(불임)

† 예 : 1 rad = 100 erg/g

1 erg = 2.39 ×10-8 cal

∴ 1,000 rad = 2.39 × 10-3 cal/g

∀ 생체구성 물질의 약 80%가 물이며 비열은 1에 가까우므로

1,000 rad로는 2 × 10-3 ℃ 온도 상승

∀ 생체구성 물질의 전리계산

W = 34 eV

1 eV = 1.6 × 10-12 erg

1,000 × 100 erg/g

1,000 rad = □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ = 1.8 × 1015ip/g

34eV/ip × 1.6 × 10-12 erg/eV

조직 1gr중의 원자수 1023개 정도이므로  그 중의 1,000만분의1이  전리

◑ 생물학적 효과에 영향을 주는 요인

† 생물자체 요인

- 세포분열

- 연 령

- 생리적 조건 : 가수보다 탈수상태에서 방사선 저항이 높다

- 유전적 조건 : 계통에 따라 다름

- 산 소 : 산소 농도를 감소시키면 감수성 감소

- 온 도 : 온도를 저하시키면 감수성 감소

† 방사선 자체 요인

- 방사선의 종류 : □, n, □

- 선량의 시간적 분포 : 단기간, 장기간

- 공간적 선량분포

◑ 직접작용

방사선이 표적에 명중해서 직접 손상시키는 방법

방사선 → DNA, RNA

* DNA : 염색체 주성분 (유전자 본체로 유전정보를 가지고 있다)

* RNA : 세포질, 핵속에서는 인에 있다(DNA가 가진 유전정보에 따라서 단백질 합성)

◑ 간접작용

문제의 분자가 직접 에너지를 흡수하지 않고 물의 방사분해 생성물과 반응하여 변화하는

방법

DNA, RNA 간접공격 → 분자파괴 → 장해

♠ 영향을 미치는 요인

희석효과, 산소효과, 보호효과, 동결효과 (온도효과)

† 희석효과 □□□□□□ 표적입자의 농도가 작으면 치사영향도 작다.

† 산소효과 □□□□□□ 방사선 생물학적 효과는 산소가 있을때 더 커진다.

※ 산소 증감률 (OER) =[eqn: rm {산소로~ 포함했을~ 때 ~방사선~효과} over{ 무산소상태로서~ 방사선~ 효과}]

모든 생물에서 OER : 2 ∼ 3 사이

†  보호효과 □□□□□□ 조사효과를 줄여주는 물질을 보호물질(화학적 방호제)

씨스테인, 씨스틴, 머캅토 메틸아민 (MEA),

5 - 히드록시트립타민

※ Dose Reduction Factor (선량 감소비)

보호물질 존재하에서 어떤 효과를 나타내는데 필요한 선량

= □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

보호물질 없이 같은 효과를 나타내는데 필요한 선량

†  동결효과 (온도효과) □□□□□□ 온도가 저하됨에 따라 감수성이 낮다.

◑ 돌연변이

† 유전자 돌연변이 □□□□□□ DNA구조에 이상이 생길때 겸형 적혈구 빈혈증

† 염색체 돌연변이

- 염색체 부분의 이상

- 염색체 수의 이상, 지능장애, 작은 키, 벌어진 입, 튀어나온 눈덩이, 짧은 목

◑ 방사선 장해의 특이성

- 증상의 비특이성

- 증상의 연발성

- 임상경과의 복잡성

- 피폭의 무지각성

◑ 감수성 순서

조혈장기 > 생식선 > 장 > 피부 > 근육

◑ 세포분열의 주기에서 감수성이 높은 시기

- DNA 합성기(S)

- 분열전 휴지기(G2)

◑ 흡열반응에 대하여 설명하라.

핵반응 전후에서 계의 정지에너지 차

Q =[([eqn: rm M_a] + [eqn: rm M_X]) - ([eqn: rm M_Y] + [eqn: rm M_b])][eqn: rm C^2] =□[eqn: rm M C^2]

여기서 Q > 0  □□□□□□□□ 발열반응

Q < 0  □□□□□□□□ 흡열반응

◑ 흡열반응에 대하여 설명하라.

a + X □□□□□□ Y + b 라는 핵반응 전후에서 반응계의 정지에너지차

Q =〔 ([eqn: rm M_a] + [eqn: rm M_X] ) - ([eqn: rm M_Y] + [eqn: rm M_b])〕[eqn: rm c^2] 을 핵반응의 Q치라 부른다.

이 때 Q < 0 인 경우를 흡열반응이라 한다.

즉, 이 반응은 외부에서 입사입자 a에 에너지를 주지 않으면 일어나지 않는다.

흡열반응이 일어나려면 ([eqn: rm E_a] ) th  □ ([eqn: rm {M_a + M_X} over {M_X}] ) [eqn: rm □Q□]라야 한다.

이 한계치 ([eqn: rm E_a] ) th를 그 반응의 문턱값이라 한다.

◑[eqn: rm ^235 U]가 핵분열할 때의 세가지 과정을 간단히 설명하라.

① 한번 핵분열할 때 마다 200MeV 에 가까운 에너지가 방출된다.

② 우라늄원자핵과 질량이 거의 같은 두 개의 원자핵(분열생성물)으로 나눠진다.

③ 평균 2개이상의 고속중성자를 방출한다.

◑ SIX FACTOR에 대하여 논하라.

한 개의 중성자가 [eqn: RM ^235 U_92]와 반응하여 N개의 속중성자를 발생한다고 하면,

연료봉내에서 생긴 N개의 속중성자중 일부는 감속되기전 다른 우라늄원자핵과

반응할 가능성이 있다.

속중성자(fast neutron)에 대해 작은 fission cross section을 가진[eqn: RM ^235 U_92] 및 기타

핵분열성물질과 반응하여 속중성자수가 증가한다면 이 단계에서 중성자수의 증가율을

fast fission factor라고 하고 □라 표시하며 이때 생성된 중성자수는 N□이라 할 수

있다.

다시 N□의 중성자가 감속되는 과정중 특히 노심외각 가까이에서 발생된 중성자는 감속전에 노심밖으로 누설되어 손실될 수 있다. 이런fast neutron이 누설되지 않고 남아 있을 확률을 속중성자비누설확률(fast neutron nonleakage probablity)라 하고 [eqn: rm P_f]라 표기하며 이 때 노심내 존재하는 중성자수는   N □ [eqn: rm P_f] 가 된다.

이 중성자들이 감속하면서 [eqn: rm ^238 U_92]핵에 공명흡수된다.

공명흡수되지 않을 확률을 공명이탈확률(resonance escape probability)라고 하고 P라 표기하며 이 때 노심내에 존재하는(남아있는) 중성자수는  N □[eqn: rm P_f] P 가 된다.

또한 이들 감속된 열중성자들은 노심내를 이동하면서 그들중 일부는 노심 밖으로 누설된다.  이 때 열중성자가 노심내에서 누설되지 않을 확률을 열중성자비누설확률(thermal neutron nonleakage probability) 라고 하고 [eqn: rm P_th] 라 표기하며 이 때까지 노심내에 잔존하는 중성자수는 N □[eqn: rm P_f] P [eqn: rm P_th]이다.

이제 남아 있는 중성자들은 노심의 여러물질에 흡수되는데 그중에서도 핵분열성물질에 흡수되어야 연쇄반응을 일으킬 수 있다.  이런 열중성자가 노심내의 핵분열성물질(핵연료물질)에 흡수될 확률을 열중성자이용율(thermal utilization factor)라하고 f 로 표기한다. 따라서 핵분열성물질에 흡수되는 열중성자흡수는 N □[eqn: rm P_f] P [eqn: rm P_th] f 이다.

핵분열성물질에 흡수된 열중성자중에도 일부는 ( n, □) 반응을 한다.

( n, □)반응을 한 [eqn: rm ^236 U_92]는 별 효용이 없으며 연료에 흡수된 열중성자당 생성되는 핵분열중성자수를 중성자생성물 혹은 열분열인수 (thermal fission factor)라고 정의되고 □로 표기한다.

이와같이 순환과정이 진행되어 최종단계에 살아남아 증배되는 핵분열중성자수는

N □[eqn: rm P_f] P [eqn: rm P_th] f  □가 된다.

이와같이 한세대를 거쳐 발생된 중성자수를 초기 중성자수로 나눈값을 유효증배계수(effective multiplication factor)라고 정의하고

[eqn: rm K_eff] = [eqn: rm {N~ □~ P_t ~ P ~ P_th~ f ~□} over { N }] = □[eqn: rm P_f] P [eqn: rm P_th] f  □로 표시한다.

이 유효증배계수는 원자로가 유한하다고 가정하여 누출을 고려한 것이며 실제 원자로는 유한한 크기를 가지고 있으므로 누출을 완전히 무시할 수는 없지만, 어떤 문제를 해결하기 위해서는 누설이 없는 원자로를 가정하는 것이 편리할 때가 있다.

이렇게 원자로가 무한히 커서 중성자가 외곽으로 이탈할 수 없다면 중성자누설로 인한 [eqn: rm P_f] [eqn: rm P_th] = 1 이 된다.

이러한 원자로의 증배계수를 무한증배계수(infinite multiplication factor)라고하고

[eqn: rm K_∞]로 표시한다.       [eqn: rm K_∞] = □ P  f  □

∴ [eqn: rm K_eff] = [eqn: rm K_∞][eqn: rm P_f] [eqn: rm P_th]인 관계가 성립되며

[eqn: rm P_f] [eqn: rm P_th]는 항시 1보다 작은(전부 누출되지는 않으므로) 값을 가지므로

[eqn: rm K_eff]  ＠ [eqn: rm K_∞]

◑ 급성효과

방사선량에 따른 사망

- 골수사망

- 위장사망

- 중추사망

◑ 만성효과

- 발암(백혈병, 골육종, 갑상선암, 폐암, 유방암, 피부암)

- 재생불량성 빈혈

- 백내장

- 수명단축

◑ 태아에 대한 방사선 효과

① 착상전 조사시 □□□□□□□□ 출생전 사망

② 기관형성기에 조사시□□□□□□□□ 기형 및 신생아 사망

③ 임산부에 주사된 진단용 RI의 태아 피폭 □□□□□□□□ 장해의 정도 및 종류는

RI 의  물리학적, 생물학적 반감기, 조직 및 세포

◑  중성자자방사화분석법으로 높은 감도로 정량되는 원소 및 거의 분석이 불가능한 원소

각각 2개씩 적고 그 이유를 말하여라.

▤ 고감도 원소 : V, Mn, Eu

▤ 분석불가능 원소 : N, O, Li, H, B

† 이유 : 고감도원소는 중성자방사화단면적이 크기 때문이며,

분석불가능 원소는 중성자방사화단면적이 작아 방사화되기 힘들기 때문이다.

◑  [eqn: rm ^235 U] 의 핵분열 생성핵종 4개를 적어라

[eqn: rm ^140 Ba], [eqn: rm ^137 Cs], [eqn: rm ^90 Sr], [eqn: rm ^131 I]

◑ 가속기를 사용하여 최초로 ① 인공적으로 얻은 핵반응식 ② 가속기명 및 ③ 그 연대를

쓰시오.

① [eqn: rm ^7 Li] + P □□□□□□ [eqn: rm ^4 He _2] + □

② 가속기명 : 콕크로프트·왈톤형 가속기

③ 연대 : 1932년

◑ 핵력의 특징을 다섯가지 열거하고, 간단히 설명하시오.

① 쿨롱력보다 강한 인력이다 : 쿨롱력보다 약 100배의 인력을 갖는다.

② 단거리력이다 : 핵자간의 거리가 2.5 x [eqn: rm 10^-15]m보다 커지면 핵력은 거의 0이 된다.

③ 하전독립성이다 : 전하에 무관하여 핵자간에 상호작용하는 크기는 거의 같다.

④ 포화성을 갖는다 : 핵의 밀도는 질량수에 무관하게 일정치를 가지며, 핵자당의 결합

에너지도 거의 같다.

⑤ 교환력을 갖는다 : 두 핵자간에 교환력이 존재하여, 이것에는 □중간자가 매개하고

있다.

◑ 드브로이파에 대하여 설명하라.

입자의 흐름은 한편으로는 파동적 성질을 나타낸다. 이것을 물질파 또는 드브로이파라

한다.그 파장(□)은 입자의 운동량은 p라 하면   □=[eqn: rm h over p]로 주어진다.

◑ 방 사 화

* 원자로를 이용한 방사화 핵반응 □□□□□□(n, □),  (n, p),  (n, □),  (n, f) 등

* 가속기를 이용한 방사화 핵반응 □□□□□□(p, n),  (d, n),  (p, 2n) 등

* 방사화의 일반식 … RI 생산 기본식

A = n□□ (1 - e-□t),  여기서 (1 - e-□t) : 포화계수

t → ∞ 때  포화계수 → 1

1 - e-□t = 1 - e-0.693t/T = 1 - 2.71828-0.693 t/T

1

= 1 - 2-t/T = 1 - (□□□)t/T

2

즉,  T보다  t를 크게 함으로써 포화계수를 1로 만들 수 있다.

n : 표적 원자수

□ : 중성자다발밀도 (n/cm2/sec)

□ : 방사화단면적 (핵반응 발생확률) : 바안

1 바안(barn) = 1 x 10-24 cm2

□ : 생성방사성 핵종의 붕괴정수 (sec-1)

t : 입자(중성자) 쬐는시간 (sec)

조사시간(t)	□0	T	2T	3T	4T	∞
포화계수	□t	[eqn: 1 over 2]	[eqn: 3 over 4]	[eqn: 7 over 8]	[eqn: 15 over 16]	1

【예제1】	23Na(n,□)24Na 반응 (반응단면적 □ = 1 barn)으로 24Na (반감기 15시간)를 생산하기 위해 중성자다발밀도 □ = 1×1012개/cm2□sec인 중성자조사공에서 1×1012개의 23Na 원자를 300시간 조사하였다면 24Na의 방사능은 몇 Bq가 생성되겠는가?
【해답1】	[eqn: rm A=n□□(1-e^-□t ) = n□□[1-( 1 over 2 )^t/T ] = 10^12 ×10^12 ×10^-24 = 1~ Bq]

【예제2】	아래 핵반응중 생성핵종이 표적핵종에 의해 희석되어 비방사능이 낮은 RI가 생성되는 것은? 가. (n, p) 다. (n, □) 나. (n, □) 라. (n, f)
【해답2】	다. A(n,□)*A 즉, 표적핵종 = 생성핵종

◑ 방사화분석

A = n□□ (1 - e-□t) □ e-□d

d : 냉각시간 (sec)

[eqn: rm A_1 over A_2 = m_1 over m_2]

<장 점>	높은 감도,	간편성,   다원소 동시분석

비파괴 분석, 유사화학적 성질원소 존재시에도 각각 별도 분석

【예제3】	시료 1 g을 중성자 조사해서 용해시키고 여기에 방사화된 원소의 담체 10 mg을 가해 잘 섞었다. 그 0.2 mg을 취해 방사능을 계측하였더니 5×105 Bq 였다. 같은 조건으로 중성자 조사한 같은 원소 0.1 mg의 방사능은 5×107 Bq 였다. 이 미량원소는 몇 ppm 인가?
【해답3】	10□ ÷2 mg → 5×105 Bq 0.1 mg → 5×107 Bq 5□ ÷0.1 = 5×105 : 5×107 [eqn: rm □ = {5×10^4 } over {25×10^7 } = 2×10^-4~ mg = 0.2~ □g] 시료가 1 g 임으로 0.2 ppm

◑ 방사능과 무게

방사능  A =  □N

= [eqn: rm 0.693 over T_1/2]x[eqn: rm {w~ x~ 6.02~ x~ 10^23} over {M}]

A = 3.7 x 104 dps = 1 □Ci 라면

∴ 3.7 x 104 =[eqn: rm 0.693 over T_1/2]x[eqn: rm {w~ x~ 6.02~ x~ 10^23} over {M}]

w = 8.854 x 10-20T□M (gr)

CF RI의 무게는 반감기와 질량수에 비례하나 일반적으로 극미량 임.

1 □Ci CF RI 무게  ng(10-9g) ∼ pg (10-12g)

【예제4】	무담체 I-131 1 □Ci의 무게는? (I-131의 반감기 = 8일)
【해답4】	W = 8.854×10-20 T□M = 8.854×10-20×8×24×60×60×131□□ 8 ng

◑ 방사성 붕괴

1  t/T

방사성 원자수  N = Noe-□t = No [□□□]

2

1  t/T

방사능     A = Aoe-□t = Ao [□□□]

2

0.693

A = □N    □ = □□□□□□

T

1 Ci = 3.7 x 1010 dps = 3.7 x 1010 Bq

1 Bq = 1 dps = 2.7 x 10-11 Ci

같은수의 방사성원자수인 경우 붕괴정수 큰 쪽의 방사능이 더 세다.

【예제5】	Tc-99m, 20 mCi가 있다. 2분 경과후 그 방사능은 몇 mCi 이겠는가? (Tc-99m의 반감기 : 6시간)
【해답5】	[eqn: rm A &= A_o~ exp (-□t)# rm & = A_o~ exp (- {0.693×2} over {6×60} )# rm & = A_o~ exp (- 0.693 over {3×60} )# rm & = A_o~ exp (-0.0038), ~ e^-□ ~에서 ~□값이 ~매우 ~작으므로^*# # rm & = 20 (1-0.0038) = 20×0.9962 = 19.94~ mCi# &( * lim_x->0 ~e^-x = 1-x + x^2 over 2 - x^3 over 3! + x^4 over 4! - …)]

◑ 방사평형

- 영 속 : T1 ≫ T2,    N1□1 = N2□2    즉  A1 = A2

□-	□

(예)   137Cs  □□□□□ 137mBa □□□□□□□137Ba

30년         2.5분

- 일 시 : T1 > T2,    N1□1 = N2(□2 - □1) = N2□2 - N2□1

즉  A2 =  A1 + N2□1

A2 > A1

□-	□

(예)  99Mo □□□□□□□□99mTc □□□□□□□ 99Tc

66시간        6시간

즉,  Tc-99m 방사능 > Mo-99 방사능

* 영속 방사평형에 있는 딸핵종 방사능은 어미핵종의 방사능과 같으며 어미핵종의

방사성붕괴에 따라 감소한다.

A2 = A1 = □1N1      즉  A2 = □1N1    [eqn: rm A_2 = A_1^0 ~e^-□1t]

* 일시방사평형에 있는 딸핵종 방사능은 어미핵종 방사능보다 N2□1 만큼 더 강하다.

* 크게 다른것 (T1《T2)은 같고  (A1=A2) 작게 다른것 (T1<T2)은 같지 않다.

(A2>A1)

□-             □-

영속평형 예 :  90Sr  □□□□□□□>  90Y □□□□□□□□> 90Zr (안정)

29년          64시간

□-               □-

일시평형 예 :  140Ba □□□□□□□>  140La □□□□□□□□> 140Ce (안정)

13일            40시간

【예제6-1】	방사평형에 있는 90Y의 방사능이 100 mCi라면 64시간 후의 90Y의 방사능은 몇 mCi 이겠는가? [eqn: rm `^90 Sr rel rarrow □^- 28.8년 ~^90 Y~ rel rarrow □^- 64시간 ~ ^90 Zr ~~(안정)] 가. 25 다. 100 나. 50 라. 12.5
【해답6-1】	영속방사평형에 있는 딸핵종의 방사능은 어미핵종 반감기에 따라 감소한다. 즉 A1 = A2 A2 = □1N1 = A1o e-□1t T1 = 28.8년에 비해 64시간은 무시된다. 답 : 다.

【예제6-2】	영속방사평형과 일시방사평형에 관한 아래 서술중 맞지않는 것은?
		항	일 시	영 속
		가나다라	T1 < T2 A2 = A1+□1N2 T1 > T2 □1 < □2	T1 ≪ T2 A1 = A2 T1 ≫ T2 □1 ≪ □2
【해답6-2】	가. (다항 처럼 되어야 함)

7. 담체, 무담체 RI, 비방사능

담체 (carrier): 무담체 RI에 취급이 용이하도록 하기 위해 첨가하는 원소나 화합물  24Na에 23Na를 가한다면 23Na는 24Na의 동위원소 담체임.

* (n, □) 반응으로 얻은 24Na의 비방사능은 낮음

□□□□□□ [담체 (23Na)가 많이 섞여 있으므로]

* 담체를 가하기는 쉬워도 제거하기는 어려움.

* 비방사능의 단위 : Ci/g□atom, Ci/g,  Ci/mg 등

* 비방사능이 최대인 상태 … 무담체

【예제7】	무담체 RI 및 RI의 비방사능 (Ci/g□원자)에 대한 서술중 맞지않는 것은? 가. 무담체 RI의 비방사능은 시간경과에 따라 감소한다. 나. 무담체 RI의 비방사능은 시간경과와 무관, 일정하다. 다. 무담체 RI는 그 비방사능이 최대인 상태이다. 라. 무담체 RI에 담체를 가하면 그 비방사능이 감소한다.
【해답7】	가. 비방사능의 단위 Ci/g□원자에서 분자, 분모 모두 감소하므로 무담 체 RI의 비방사능은 시간경과와 무관, 일정

8. 방사성핵종 순도와 방사화학적 순도 (RNP와 RCP)

핵종 A의  RNP (방사성핵종 순도) =[eqn: rm A over A+B x ~100(%)]

A : 핵종 A의 방사능,	B : 핵종 B의 방사능

131I + 127I (첨가) … RNP, RCP 모두 불변

131I + 99mTc (첨가) … RNP, RCP 모두 변화

131I + 131IO3- (첨가) … RCP는 변하나 RNP는 불변

【예제8】	131I- 10 mCi가 99mTcO4- 1 mCi에 의해 오염돼 있다. 131I-의 방사성핵종순도(RNP)와 방사화학적 순도(RCP)에 대한 현재 값과 6시간 후의 값으로 맞지않는 것은? (단, Tc-99m의 반감기는 6시간이며 131I의 반감기는 8일이나 6시간 경과로 131I의 감소는 없는 것으로 볼것)
		항	시 간	RNP	RCP
		가나다라	현 재 " 6시간 후 "	[eqn: rm 10 over 11 x 100] - [eqn: rm 10 over 10.5 x 100] -	- [eqn: rm 10 over 12 x 100] - [eqn: rm 10 over 20.5 x 100]
【해답8】	○ 가, 다 × 나, 라

9. 계측치의 방사능 표시

계측값       계측효율    붕괴율        방사능

cpm  →  cps  □□□□□□□□□□□>  dps  □□□□□>  □Ci

□

Bq

3.7 x 1010 dps = 3.7 x 1010 Bq = 1 Ci

【예제9】	어느 방사성시료 1 liter가 있다. 그 0.1□를 정확히 취해 계측효율 50%인 계측기로 계측한 결과 1.11×106 cpm 이었다. 전체시료의 방사능은?
【해답9】	[eqn: rm &{1.11×10^6 ~cpm} over {60 sec}× 100 over 50 = 3.7×10^4 ~Bq# rm & 전체방사능 = 3.7×10^4 × 1000 over 0.1 = 3.7×10^2~ MBq = 0.01 Ci]

◑ 자연방사성 계열

악티늄 계열 (Actinium Series) : 4n+3 계열

우라늄 계열 (Uranium Series) : 4n+2 계열

넵투늄 계열 (Neptunium Series) : 4n+1 계열

토륨 계열 (Thorium Series) : 4n 계열

AUNT,

Neptunium 계열 : Not in Nature Now

(예)     235U

235 = (4×58) + 3

□↓

231 = (4×57) + 3

231Th□□□                   227 = (4×56) + 3

□-

♩

231Pa

□

↘	∴ 4n+3 계열 (악티늄 계열)

□□□227Ac

【예제10】	천연 방사성계열 원소의 질량수가 234→230→226 등으로 이어지는 계열은 어떤 계열인가?
【해답10】	234 = 4×58+2 230 = 4×57+2 226 = 4×56+2 즉 4n+2 계열 = Uranium 계열

◑ 동위원소 직접 희석법 (Isotope Dilution)

a : 방사성추적자 첨가량 (mg)

So : 희석전 비방사능 (mCi/mg)

S : 희석후 비방사능 (mCi/mg)

□ : 미지량

[eqn: rm aS_o = &(a+x)S# rm & x = a ~( S_o over S - 1)]

◑  RI Gauge

I = Io e-□□          □ : 선형감쇠계수 (cm-1),   □ : 두께 (cm)

I = Io e-□m.□□        □m : 질량감쇠계수 (cm2/g), □ : 밀도 (g/cm3)

Co-60,   Cs-137,   Sr-90,   Tm-170,

Ni-65,   Pm-147,   Kr-85,   Tl-204.

두께계, 준위계, 밀도계, 수분계, 연기감지기, 크로마토그래프 검출기

◑ NDT (NDE)

I = Io e-□□   or  I = Io e-□m□□□□

I1□ = Io e-□(□-△□), I2 = Io e-□x,  I1 > I2,

[eqn: rm I_1 over I_2 = d_2 ^2 over d_1^2 ~~~ EF = ST over d^2]  (EF : exposure factor)

Ir-192,  Co-60,  Cs-137

◑ □선 조사효과 이용산업

조사량 (Rad)	효 과	암기연상어
104 ∼ 105	발아억제(감자, 양파), 세균만연방지, 중합, 선모충기생 억제	5 발
105 ∼ 106	저온살균 (pasturization), 중합	6 중
106 ∼ 107	멸균, 중합, 건성유 표백	7 균
107 ∼ 108	고무의 加黃, P.E., P.S의 가교 (架橋)	8 무

<방사선 조사산업 장점>

□ 열이나 촉매를 쓰지 않고 반응유도기간이 필요치 않아 생산성이 향상된다.

□ 생산품에 촉매 찌끼가 남지 않아 안정하다.

□ 고온에 불안정하거나 열침투성 가스침투성이 약한 물질처리 용이

□ 대형가열로가 필요없다.

□ 처리속도가 빠르다.

- 방사선 가교전선 생산, 열수축성 튜브 생산 (Free radical)

- 방사선 멸균 및 방사선 식품보존 (세균, 배아 등의 높은 방사선 감수성)

- 표면도장 (Free radical)

- 배연처리, 도시하수오니 처리 퇴비화

(SOx, NOx로부터 유안 비료합성 / 방사선멸균)

- 방사성추적자 이용 (고 비방사능 RI의 질량은 극소)

◑ 방사성표지화합물 (標識化合物)

○ 정   의

어느 화합물 중의 특정원자나 원자단을 방사성원자로 바꾸어 넣은 화합물

○ 분  류

① 방사성여부 기준

- 안정동위원소 표지화합물 (stable isotope labelled compound)

- 방사성표지화합물 (Radioactive labelled compound)

② 화합물 구조변화여부 기준

- 완전 표지화합물 (Genuinely labelled compound)

- 불완전 표지화합물 (Foreign labelled compound)

○ 방사성표지화합물의 불안정성

- 1차 내부효과    → 외부영향 안받음

- 1차 외부효과     ♩

- 2차 방사선효과   ↖ 냉암소 보관이 효과적

◑ 방사성의약품

1차 동위원소 (원자로나 가속기에서 생산된 간단한 무기물 형태의 방사성화합물)

이거나 방사성표지화합물중 의료적으로 이용되는 것의 대부분을 방사성의약품

이라고 함.

원격조사 치료용 및 근접조사 치료용 밀봉방사선원은 좁은 의미의 방사성의약품

범주에서 제외되며 그 이외의 대부분의 의료이용 RI 및 표지화합물은 진단용이건

치료용이건 상관없이 방사성의약품이라고 부름.

- 대표적 진단용 RI : Tc-99m, I-123, Ga-67, I-125 등

- 대표적 치료용 RI : I-131, Y-90, P-32, Co-60 등

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

【방사선 생물학】

◑ 방사선 피폭의 확률적 영향과 비확률적 영향

장해발생율	확률적 영향 유전적 장해 (발암) ↑ 자연발생율 ↓
	피 폭 선 량

장해중증도	비확률적 영향 일시적 장해 발단값 ← →
	피 폭 선 량

◑ 방사선에 의한 신체적 만발(慢發) 장해

1) 특징

- 피폭에서부터 증상발현까지의 기간이 길다.

- 방사선 특이성이 없다.

- 저선량(율)의 장기간 피폭때 발생될 수 있다.

2) 장해종류

- 백혈병, 악성종양

- 백내장

- 수명단축

- 배(胚) 및 태아 이상

◑ 방사선의 체내피폭의 특징

1) □, □ 방출 RI가 □ 방출 RI 보다 위험

2) 체내조직과 결합 장기간 체류, 피폭량 큼

Sr-90 : bone seeker

3) 체내 radiobioassay 곤란

◑ 생물학적 반감기와 유효반감기

방사성물질 신체부하량 : q

qt = qo e-□et

□e = □P + □b       ∴ [eqn: rm 1 over Te = 1 over T_p + 1 over T_b = {T_b + T_p} over {T_p T_b}]

◑ 자살효과

내부침착 방사성원소의 변환에 의한 치사효과

[eqn: rm ` & ^3 H buildrel rarrow □^- `^3 He # rm ` & ^14 C buildrel rarrow □^- `^14 N # rm ` & ^32 P buildrel rarrow □^- `^32 S # rm ` & ^35 S buildrel rarrow □ `^35 Cl]

◑ 선량 - 효과 곡선의 특이성

생존율			A		직접설 (8항)로 설명가능
			B
			C
	선량 (산술눈금)

생존율 곡선의 3가지 유형

A : 한계값이 있는 시그모이드 (포유류의 30일 생존율, 선모충의 치사)

B : 한계값이 없는 시그모이드 (파리알의 부화율, 배양세포의 콜러니 형성율)

C : 지수함수형 (박테리아 치사, 바이러스 불활화)

□ 방사선의 초기장해는 DNA의 손상 때문임.

□ 적은양의 방사선 피폭효과로 큰 장해가 발현되는 이유 □□□□□□□□

방사선 초기장해가 DNA의 손상인데 그 DNA는 세포내에 수만 존재,

즉 세포당  DNA 존재량은 극히 작은데 DNA에서 RNA가 전사하고

그 RNA의 정보를 받아 단백질이 생기기 때문임.

□ 세포당 DNA 함량이 큰 생물종은 방사선 감수성이 높다.

◑ 방사선의 생물학적 작용 발현순서

에너지흡수	간접□직접 작용	장해 확대

방사선피폭 □□□□□□□□□□□> 전리, 여기 □□□□□□□□□□□□□□□> 분자변화 □□□□□□□□□□□>

라디칼 생성     초기장해

초미시적 손상 □□□□□> 세포장해 □□□□□> 장기장해 □□□□> 죽음

↖

생물학적 손상                 유전적장해                                 ↑

□  돌연변이  □□□□□□□□□□□>  만발효과  □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

◑ 직접작용, 간접작용

8.1. 직접작용 … 표적설

선량 D (힛트/cm3)

부피 V (cm3) 때  VD개의 힛트 생김

부피 V 중 n개의 힛트가 일어날 확률  P(n) :

Poisson의 분포법칙 적용

[eqn: rm P_(n)~ =~{(VD)^n~ e^-VD} over n!] ……………………………………………(8-1)

한개의 표적안에 힛트가 안 일어날 확률 P(o)

P(o) = e-VD	…………………………………………………………(8-2)

표적이 1 힛트를 받아도 그 세포가 죽는 경우 생존율은 P(o)와 같다

(6번그림 C)

(8-2)를 log 점시하면 직선.

세포가 죽으려면 적어도 n개의 힛트가 필요한 경우

(multi-hit)

n = 0, 1, 2 … (n-1) 의 힛트를 맞은 세포는 생존하므로 그 생존율 S는

[eqn: rm S~=~ P_(□)~+~ P-(1)~+~P_(2)~+~ … ~P_(n-1)]  ……………………………(8-3)

(8-3)에 (8-1)을 대입

[eqn: rm S~=~e^-VD ~sum from n=0 to n-1 ~{(VD)^n} over n!]

n≥2 면  생존율 : Sigmoid형

n 더 증가하면 6항의 그림에서 B→A로 이동

즉 6항의 그림 ABC는 힛트설만으로 설명가능

8.2. 간접작용

물의 해리 → 라디칼 생성 → 세포공격

[eqn: rm & H_2 O^+ ~+~H_2 O ~~ □□□□□→ ~ H_aq+^+~ +~□OH# rm & e^-~ +~ H_2 O ~~ □□□□□→ ~ e_-aq^-# rm & e_aq^- ~~ □□□□□□→ ~ □H~ +~ OH_aq^-~~~ 등]

□ 희석효과

□ 산소효과

□ 보호효과

□ 온도효과 (동결효과)

◑ 사람에 있어서의 급성증상

선량 (rad)	증 상	비 고
25 50 100	거의 무 증상 임파구 일시감소 구토증 전신권태	ICRP : 10-25 rem 이상인 때 의사진단 요 위험 한계량
150 200 400	방사선 숙취 : 50% 백혈구 장기간 감소 30일 이내 사망 : 50%	사망율 : 5% 반치사선량 : LD50(30)
600 700	14일 이내 사망 : 90% 사망 : 100%	100% 치사선량

◑ 신체조직□기관별 방사선감수성 차이

□ 고 감수성 : 생식선, 골수, 임파조직, 비장, 흉선

□ 중 감수성 : 피부, 장상피 눈

□ 저 감수성 : 간, 근육 혈관, 지방조직, 신경조직

◑ 방사선과 물질과의 상호작용

1. 중하전입자

□ 하전입자의 무게가 전자보다 훨씬 큰 입자

□ 양성자, □, 핵분열 생성물

□ 주로 궤도전자와 반응 : 여기, 전리

□ 중하전입자의 진로는 크게 변하지 않고 전지에 전달한 에너지 만큼

에너지를 소모한다

□ 저지능(Stopping power)

[eqn: rm s&= - dE over dx ~~~[keV/□m]# # rm &={4□e^4 z^2 n} over {m_0 c^2 beta^2} [log {2m_0 c^2 beta^2 } over { I(1-beta^2 )} - beta^2 ]]

[eqn: rm n ~: ~단위체적당 ~전자의 ~수=원자밀도(N) times 원자번호(Z)]

[eqn: rm z ~:~하전입자의 ~전하수(alpha=2,~ p=1)]

[eqn: rm therefore~s ~PROPTO~{z^2 Z} over E]

□ 질량저지능(Mass stopping power) : [eqn: rm s over rho]

□ 에너지손실

[eqn: rm s ~PROPTO~{z^2 Z} over E]

□ 에너지요동(Energy straggling)

하전입자가 물질내에서 일정 깊이를 지난 후 에너지가 단일하지 않고

확률적 분포를 이루는 현상

□ 비정(range)

□ 방사선입지가 물질을 침투 할 수 있는 깊이

□ range straggling (비정요동) □□□□□□ Energy straggling 으로 인해 방사선

입자가 동일한 물질내에서 진행할 수 있는 거리는 정규분포를 이룬다.

□ 비정비례법칙(Scaling law of range)

- 단일 방사선장에 대한 서로 다른 물질에서의 비정

[eqn: rm R sub 2 over R sub 1 SIMEQ rho sub 2 over rho sub 1 { SQRT { M sub 2 over M sub 1}}]

첨자 1, 2 : 물질의 종류

□ : 밀도

M : 원자량

- 하나의 물질에서 같은 속도를 갖는 서로 다른 하전입자의 비정

[eqn: rm R sub a over R sub b = LEFT ( m sub a over m subb RIGHT )~ LEFT ( {Z sub b ~sup 2} over {Z sub a ~sup 2} RIGHT )]

첨자 a, b: 중하전입자의 종류

Ex] 10 MeV 양성자의 물속 비정이 0.118 g/□ 라면 40 MeV □입자의

물속비정은?

[eqn: rm E sub p = 1 over 2 m sub p v subp sup 2 =10 ~MeV]

[eqn: rm E sub alpha = 1 over 2 m sub alpha v subalpha sup 2 = 1 over 2 (4m sub p )v sub alpha sup 2 = 40 ~MeV ~~~~~~ THEREFORE ~v sub p = v sub alpha]

[eqn: rm R sub p over R sub alpha = LEFT ( m sub p over m subalpha RIGHT )~ LEFT ( {Z sub alpha ~ sup 2} over {Z sub p ~sup 2} RIGHT ) = LEFT ( 1 over 4RIGHT ) ~ LEFT ( 2 sup 2 over 1 sup 2 RIGHT ) = 1]

∴  [eqn: rm R sub p = R sub alpha = 0.118 ~g/cm sup2]

2. 전자

[eqn: rm LEFT ( - dE over dx RIGHT )_tot} = rm LEFT ( - dE over dx RIGHT )_co1 + LEFT ( - dE over dx RIGHT )_rad]

82Pb의 경우

[eqn: rm {LEFT ( - dE over dx RIGHT )_rad} over { LEFT ( - dE over dx RIGHT )_co1} rm SIMEQ rm 82E over 800 #]

→ 전자의 에너지가 9.8 MeV이면,

충돌저지능 □ 복사저지능

□ 소멸감마선(Annihilation  □-ray)