핵화학에서 안정대란 무엇이며, 중성자와 양성자 비율이 원자핵의 안정성에 어떤 영향을 미치나요?
안녕하세요. 핵화학에서 "안정대(stability belt)"란 무엇을 의미하는 것이며, 이때 중성자와 양성자 비율이 원자핵의 안정성에 어떤 영향을 미치는 것인가요?
안녕하세요. 네, 핵화학에서 말씀하신 안정대(stability belt)는 핵종의 안정성을 이해하는 핵심 개념인데요, 우선 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있는데, 이들의 비율에 따라 안정하거나 불안정해집니다. 또한 모든 알려진 핵종을 중성자수(N) vs. 양성자수(Z) 좌표에 점으로 찍어보면, 안정한 핵종들은 한 줄로 모여 나타납니다. 이 영역을 안정대라고 부르며, 안정대에 위치하는 핵종은 방사성 붕괴 없이 오래 존재할 수 있고, 안정대를 벗어난 핵종은 α, β, γ 붕괴 등을 통해 안정대로 수렴하려는 경향을 보입니다. 이때 원자번호 20번 이하의 가벼운 원소들의 경우에는 중성자와 양성자의 수가 거의 같을 때 안정하며, 반면에 무거운 원자핵의 경우에는 양성자가 많아지면 양성자들 사이의 쿨롱 반발력이 커지므로, 이를 억제하기 위해 상대적으로 중성자의 수가 더 많아야 안정합니다. 따라서 안정대는 N=Z 직선에서 점점 위쪽(N이 더 많은 쪽)으로 휘어 올라갑니다. 하지만 불안정한 비율일 경우에는 붕괴 경향을 나타내는데요, N/Z가 너무 작을 때(양성자가 과다)에서는 양전자 방출(β⁺) 또는 전자 포획을 통해 양성자를 중성자로 바꿔 안정대에 접근합니다. 반면에 N/Z가 너무 클 때(중성자가 과다)에는 β⁻ 붕괴(전자 방출)를 통해 중성자를 양성자로 바꿔 안정대에 접근하며, Z가 아주 큰 경우(Z > 83)에는 아무리 중성자가 많아도 전기적 반발이 너무 크기 때문에 α 붕괴나 핵분열을 통해서만 안정화됩니다. 감사합니다.