베타붕괴의 부호를 외우다 보면 “마이너스인데 왜 원자번호는 커질까?”라는 질문이 생깁니다. 부호는 방출되는 베타입자의 전하이고, 원자번호는 핵 안의 양성자 수입니다. 오늘은 β−·β+·전자포획에서 A와 Z가 어떻게 달라지는지, 핵자 수를 세며 이해해 봅니다.
1. 먼저 세어야 할 것은 핵 안의 입자
원자번호 Z는 양성자 수, 중성자 수 N은 중성자 개수, 질량수 A는 두 수의 합입니다.[1]
A = Z + N
A, Z, N은 입자 개수를 세는 정수이므로 kg이나 g 같은 질량 단위를 붙이지 않습니다. 여기서 A는 방사능을 나타내는 기호가 아니라 질량수입니다. 원소의 종류는 Z가 정하므로 양성자가 하나 바뀌면 다른 원소가 됩니다.
아래 세 과정에서는 핵자 하나의 종류가 양성자와 중성자 사이에서 바뀝니다. 핵자가 하나 빠져나가는 것이 아니므로 A는 그대로입니다. 단, “질량수가 같다”가 “붕괴 전후 실제 질량도 똑같다”는 뜻은 아닙니다. 실제 붕괴의 가능성과 에너지는 별도의 에너지 조건으로 판단합니다.
2. β−붕괴: 중성자가 양성자로
핵 안의 중성자 하나가 양성자로 바뀌면서 전자와 전자 반중성미자가 방출됩니다.[2]
n → p + e− + 전자 반중성미자
n은 중성자, p는 양성자, e−는 전자입니다. 양성자가 하나 늘고 중성자가 하나 줄기 때문에 Z는 1 증가하고 N은 1 감소합니다. 두 수의 합인 A는 변하지 않습니다.
β−의 ‘−’를 원자번호에서 빼면 안 됩니다. 이 부호는 방출된 전자의 음전하를 뜻합니다. 이 전자는 원자껍질에서 떨어져 나온 전자와 구별해야 합니다. 단순히 궤도전자가 이탈하는 이온화에서는 핵의 Z가 바뀌지 않습니다.
3. β+붕괴와 전자포획: 결과는 같아도 과정은 다르다
β+붕괴에서는 핵 안의 양성자 하나가 중성자로 바뀌고 양전자와 전자 중성미자가 방출됩니다. 양전자는 전자와 질량이 같고 전하 부호가 반대인 입자입니다.[2]
p → n + e+ + 전자 중성미자
e+는 양전자입니다. 핵 안의 Z는 1 감소하고 N은 1 증가하므로 A는 그대로입니다. 이 식은 해당 붕괴가 에너지적으로 가능한 핵 안의 변환을 나타냅니다. 자유 양성자가 저절로 이 과정으로 붕괴한다는 뜻은 아닙니다.
전자포획(EC)은 원자핵이 궤도전자 하나를 포획하여 양성자가 중성자로 바뀌는 과정입니다.[2][3]
p + e− → n + 전자 중성미자
따라서 EC도 Z가 1 감소하고 N이 1 증가합니다. β+는 양전자를 밖으로 방출하지만 EC는 전자를 받아들인다는 차이가 핵심입니다. 딸핵의 A·Z 변화가 같다고 두 과정이 같은 것은 아닙니다.
그림 1. β−·β+·전자포획의 핵자 수 변화. A는 모두 일정하며, 전자는 핵자 수에 포함하지 않습니다. 실제 입자 크기나 공간적 배열이 아닌 자체 제작 개념도입니다.
4. 적용 예제: 부호보다 양성자를 먼저 센다
어떤 핵의 Z가 20, N이 20이며, 문제에서 β−붕괴가 일어난다고 주어졌다고 합시다. 특정 핵종의 실제 붕괴 경로를 주장하는 예가 아니라 변화 규칙을 적용하는 가상 조건입니다.
붕괴 전: A = 20 + 20 = 40
β−붕괴 후: Z = 21, N = 19, A = 21 + 19 = 40
중성자 하나가 양성자로 바뀌었으므로 합은 그대로이고 원소는 달라집니다. 같은 출발 조건에서 β+ 또는 EC가 일어난다고 주어지면 Z = 19, N = 21, A = 40입니다.
시험에서는 ‘붕괴 종류 확인 → Z와 N 변화 → A 합계 확인’ 순서로 검산하면 됩니다. A·Z 계산만으로 그 붕괴가 실제 가능한지, 반감기가 얼마인지, 어느 경로가 더 많이 일어나는지까지 결정할 수는 없습니다.
5. 확인 퀴즈
문제 1. β−붕괴 후 질량수가 같으므로 원소도 같다는 말은 맞을까요?
정답: 아닙니다. A는 같지만 Z가 1 증가하여 다른 원소가 됩니다. 원소를 구별하는 기준은 질량수가 아니라 양성자 수입니다.
문제 2. β+붕괴와 EC는 모두 Z가 1 감소합니다. 두 과정에서 전자 또는 양전자는 어느 방향으로 움직일까요?
정답: β+에서는 양전자가 방출되고, EC에서는 궤도전자가 포획됩니다. 결과 숫자만 외우지 말고 방출과 포획을 함께 구별해야 합니다.
오늘의 핵심: β−는 Z + 1, β+와 EC는 Z − 1. 세 과정 모두 핵자 수의 합 A는 그대로입니다. ‘질량수 보존’과 ‘실제 질량 동일’을 혼동하지 않는 것이 서술형 답안의 마무리입니다.
공식·학술 참고자료
[1] KINS–IAEA, Atomic and Nuclear Physics, BPTC 2024, 슬라이드 17 및 28–29.
https://gnssn.iaea.org/main/ansn/Activity%20Documents%20%20Public/IAEA%E2%80%93KINS%20Basic%20Professional%20Training%20Course%20on%20Nuclear%20Safety/D1_3_2024%20BPTC%20-%20Atomic%20and%20Nuclear%20Physics.pdf
[2] A. L. Nichols, Decay data: review of measurements, evaluations and compilations, Applied Radiation and Isotopes 55 (2001), 23–70, §2.2.1–2.2.2. IAEA Nuclear Data Services 제공본.
https://www-nds.iaea.org/workshops/smr1939/Reports/Nichols_A/05F-DecDatReview.pdf
[3] Brookhaven National Laboratory, National Nuclear Data Center, NuDat 3 Guide: Beta decay.
https://www.nndc.bnl.gov/nudat3/guide/betadecay.html
자료 확인: 2026년 10월 19일(한국시간). 기초 핵물리 개념을 다룬 글이며, 인용 자료의 발행연도와 확인일은 구분했습니다. 법령·선량한도나 특정 핵종의 최신 평가값을 제시하는 글은 아닙니다.
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