이 글은 SRI 시험 합격 당시 정리한 수기를 바탕으로 재구성했습니다. 학습 참고용 답안이며, 실제 채점자의 기준과 일치하는지는 확인되지 않았습니다.
1. 문제
전자포획의 원리와 핵 및 원자껍질에서 일어나는 변화를 설명하라.
2. 모범답안
1. 핵 안의 양성자가 궤도전자를 포획하여 중성자로 바뀌고 전자중성미자가 방출된다.
2. 질량수 A는 유지되며 원자번호 Z는 1 감소하고 중성자 수는 1 증가한다.
3. 포획으로 생긴 원자껍질 빈자리의 완화에서 특성 X선이나 오제전자가 나올 수 있다.
4. β⁺붕괴와 원자번호 변화는 같지만 양전자를 방출하는 과정은 아니며 에너지 조건도 구분한다.
3. 문제를 풀기 위해 알아야 할 내용
3.1. 포획되는 것은 궤도전자이다
전자포획은 p + e⁻ → n + 전자중성미자의 관계로 나타낼 수 있다. 핵의 양성자 하나가 중성자로 바뀌므로 핵자 총수는 같지만 원소의 원자번호가 달라진다.
β⁺붕괴처럼 양전자를 내보내는 과정과 구별한다. 중성 원자질량으로 β⁺붕괴를 판단할 때의 약 1.022 MeV 문턱을 전자포획에 그대로 붙여서는 안 된다.
출처: BNL NNDC NuDat, Beta Decay의 전자포획 설명
3.2. 원자껍질의 빈자리가 완화된다
안쪽 껍질 전자가 포획되면 빈자리가 생길 수 있고 다른 전자가 그 자리를 채우면서 에너지가 방출된다. 이때 특성 X선처럼 광자가 나오거나 오제전자처럼 비복사 과정으로 에너지가 전달될 수 있다.
NIST의 Fe-55 측정 해설은 이런 원자 완화 과정의 실제 예이다. 모든 전자포획 뒤에는 반드시 X선 하나만 나온다고 단순화하지 않는다.
출처: NIST, Radionuclidic Assays Compendium, 1.2
3.3. 하나의 선과 하나뿐인 에너지는 다르다
특정 포획 껍질과 딸핵 준위가 정해지면 중성미자 에너지는 선 형태로 정해진다. 하지만 여러 껍질이나 준위로의 전이가 가능하므로 모든 전자포획이 동일한 에너지 한 개만 낸다는 뜻은 아니다.
딸핵이 여기되었다면 추가 핵전이가 가능하다. 원자껍질의 완화와 핵의 탈여기는 다른 과정이며 감마방출을 모든 전자포획의 필수 결과로 넣지 않는다.
출처: J. Sato, Monoenergetic Neutrino Beam for Long Baseline Experiments
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