제9권 · Chapter 1 · 1절

1-4. 방사성 붕괴 (알파, 베타, 감마)

돌멩이가 저절로 변한다?

일상의 물체는 가만히 놓아두면 변하지 않는다. 돌멩이는 내일도, 내년에도, 천 년 뒤에도 같은 돌멩이일 것이다. 적어도 우리의 경험은 그렇다.

그런데 1896년, 프랑스의 물리학자 앙리 베크렐(Henri Becquerel)은 기이한 현상을 발견했다. 우라늄 광석을 서랍 속에 넣어두었는데, 같이 넣어둔 사진 건판이 빛을 비추지 않았는데도 감광되어 있었던 것이다. 우라늄이 눈에 보이지 않는 무언가를 스스로 내뿜고 있었다.

이 발견에 이어, 마리 퀴리(Marie Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie)는 우라늄보다 훨씬 강한 방사성 물질인 폴로늄과 라듐을 분리해냈다. 마리 퀴리는 이 현상에 "방사능"(radioactivity)이라는 이름을 붙였다.

그런데 곰곰이 생각하면 이것은 놀라운 일이다. 원자핵이 저절로 변한다는 뜻이기 때문이다. 외부에서 에너지를 공급하지도, 힘을 가하지도 않았는데, 핵이 스스로 무언가를 방출하며 다른 핵으로 변신한다. 안정한 줄 알았던 원자가, 사실은 불안정한 상태에 있었다는 것이다.

핵심 질문: 불안정한 원자핵은 어떤 방식으로, 왜 저절로 변하는가?

이전 절에서 배운 결합 에너지의 관점에서 답을 예감할 수 있다. 불안정한 핵은 핵자당 결합 에너지가 상대적으로 낮은 상태에 있다. 이 핵은 무언가를 방출하면서 더 안정한 상태(핵자당 결합 에너지가 더 높은 상태)로 이동하려 한다. 이것이 방사성 붕괴(radioactive decay)이다.

자연은 세 가지 주요한 방법을 발견했다: 알파(α) 붕괴, 베타(β) 붕괴, 감마(γ) 붕괴. 이 이름들은 20세기 초 물리학자들이 정체를 모르고 단순히 그리스 문자로 순서를 매긴 데서 유래한다. 이제 하나씩 그 정체를 밝혀보자.