SRI 합격노트 | 베타 마이너스선과 가속 전자선의 공통점과 차이

이 글은 SRI 시험 합격 당시 정리한 수기를 바탕으로 재구성했습니다. 학습 참고용 답안이며, 실제 채점자의 기준과 일치하는지는 확인되지 않았습니다.

1. 문제

베타 마이너스선(β⁻선)과 가속기에서 만든 전자선을 입자의 성질, 발생 과정, 에너지 분포를 기준으로 비교하시오.

두 방사선의 입자는 모두 전자이다. 따라서 전하와 정지질량이 같고, 같은 에너지의 전자가 같은 물질에 입사할 때의 기본 상호작용도 같다.
β⁻선은 원자핵의 베타 마이너스 붕괴에서 전자 반중성미자와 함께 생성·방출된다. 가속 전자선은 전자원에서 얻은 전자를 전기장으로 가속하여 만든다.
통상적인 β⁻ 붕괴의 방출전자 에너지는 연속적으로 분포한다. 가속 전자선은 장치에 따라 에너지 폭이 좁거나 넓을 수 있으므로, 모든 전자선을 선스펙트럼이라고 단정하지 않는다.

β⁻ 입자는 전자 그 자체이다. 두 이름은 입자의 종류가 아니라 여기서 비교하는 발생 과정을 구분한다. 반면 β⁺ 입자는 양전자이므로 이 문제의 β⁻와 구별해야 한다.

전자의 전하는 −e이고, 정지에너지 mₑc²는 약 0.511 MeV이다. 정지질량을 MeV로만 쓰지 말고, 질량이면 약 0.511 MeV/c², 정지에너지이면 약 0.511 MeV로 구분한다.

같은 운동에너지와 같은 물질이라는 조건을 맞추면 두 전자의 전리·여기·산란·제동복사 등 기본적인 상호작용은 발생기원 때문에 달라지지 않는다. 다만 실제 선원과 가속기 빔의 에너지 분포·방향·세기는 다를 수 있다.

β⁻ 붕괴에서는 핵 안의 중성자가 양성자로 바뀌는 과정에서 전자와 전자 반중성미자가 생성된다. 원자 껍질에 있던 전자가 단순히 방출되는 과정과는 다르다.

가속 전자선은 먼저 전자원에서 전자를 얻고, 전기장으로 운동에너지를 높여 빔으로 사용한다. 이 글에서는 전자선이라는 넓은 말 전체를 β⁻선의 반대말로 쓰지 않고, 비교 대상을 가속 전자선으로 한정한다.

하나의 β⁻ 붕괴 갈래에서도 방출에너지는 전자, 반중성미자, 반동하는 딸핵 사이에 나뉜다. 각 붕괴에서 전자가 가져가는 몫이 달라질 수 있어 전자 에너지가 연속분포를 이룬다.

가속 전자선의 에너지 폭이 충분히 작으면 단일에너지 빔으로 근사할 수 있다. 그러나 실제 장치에는 에너지 폭이 있으며, 선형가속기의 빔은 넓은 에너지 분포를 보이기도 한다. 따라서 “β⁻선은 연속분포, 가속 전자선은 장치에 따른 에너지 분포”로 답하는 편이 정확하다.