이 글은 SRI 시험 합격 당시 정리한 수기를 바탕으로 재구성했습니다. 학습 참고용 답안이며, 실제 채점자의 기준과 일치하는지는 확인되지 않았습니다.
1. 문제
대표적인 천연 방사성 붕괴계열을 질량수의 4n 형식으로 구분하고, 같은 계열에서 이 분류가 유지되는 이유를 설명하시오.
2. 모범답안
① 토륨계열은 4n 계열이며 Th-232에서 시작해 Pb-208에 이른다. 우라늄계열은 4n+2 계열로 U-238에서 Pb-206에 이른다.
② 악티늄계열은 4n+3 계열로 U-235에서 시작해 Pb-207에 이른다. 계열 이름이 악티늄이라고 해서 최초 핵종을 Ac로 쓰지 않는다.
③ 알파붕괴는 질량수를 4만큼 줄이고 베타붕괴는 질량수를 바꾸지 않는다. 따라서 이들 붕괴로 이어지는 계열에서는 질량수를 4로 나눈 나머지가 유지된다.
④ 여기서 n은 정수이다. 4n 분류는 질량수에 관한 구분이며, 같은 계열의 모든 핵종이 동일한 원소이거나 동일한 반감기를 가진다는 뜻은 아니다.
3. 문제를 풀기 위해 알아야 할 내용
3.1. 출발 핵종과 종말 핵종을 한 쌍으로 연결한다
출처: EPA·ISCORS 보고서 부록 A: 자연 붕괴계열
세 계열을 외울 때는 이름만 나열하지 말고 Th-232→Pb-208, U-238→Pb-206, U-235→Pb-207로 연결한다. 화살표는 중간단계를 생략한 계열 전체의 흐름이며, 한 번의 붕괴로 바로 납이 된다는 뜻은 아니다. 실제로는 라듐·라돈 등 여러 중간 핵종을 거친다.
3.2. 4로 나눈 나머지로 검산한다
232와 208은 4로 나눈 나머지가 0이다. 238과 206은 2, 235와 207은 3이다. 알파붕괴를 여러 번 하더라도 4의 배수만큼 질량수가 줄어들고, 베타붕괴에서는 질량수가 그대로이므로 이 나머지는 변하지 않는다. 원자번호는 별도로 변한다는 점을 함께 적으면 질량수와 원자번호를 혼동하지 않을 수 있다.
3.3. 분류와 방사평형을 같은 뜻으로 쓰지 않는다
출처: EPA MARLAP 제14장: 자연계열과 방사평형
계열의 구성원이라는 사실만으로 시료 안의 모든 핵종이 같은 방사능을 가진다고 단정할 수는 없다. 화학적 분리나 기체인 라돈의 유출 등이 있으면 원래의 핵종 구성과 방사능 관계가 달라질 수 있다. 이 문제의 핵심은 붕괴경로의 분류이며, 방사평형의 성립 여부는 반감기·경과시간·핵종의 유출입을 추가로 확인해야 한다.
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