6. 베타선이 방출되는 원리

전번에는 원자핵 속의 양성자와 중성자의 수가 특수한 비율을 이루어야 그 핵이 안정해지고 그 비율은 Z-N 커브로 나타낼 수 있다고 설명하였다. 그리고 그 비율은 벗어나면 Z-N 커브 바깥에 있고 불안정하여 방사선을 방출하면서 붕괴를 하게 된다. 그러면 Z-N 커브를 벗어나는 핵종은 어떠한 방사선을 방출하는 것일까?



Z-N 커브를 벗어나서 존재하는 핵종도 대체로 <그림>의 A, B, C, D, E와 같이 5부류로 나눌 수가 있고, 그 부류에 따라 방사성 붕괴의 양상도 달라진다.

A와 B 부류는 양성자에 비하여 중성자가 많은 부류이다. 이는 어떻게든 양성자(p)수를 늘이고 중성자(n)수를 줄이는 핵반응을 일으키고 싶어 한다. 따라서 핵 속에서 중성자가 전자(e)를 하나 방출하고 양성자로 변하게 된다.

Z-N 커브를 벗어나는 핵종의 존재

 n → p + e


그 결과 중성자는 하나 줄어들고 양성자는 하나 증가하여 Z-N 커브 쪽으로 움직이게 되어 원자핵이 더 안정해진다. 이때 생성된 전자가 원자핵 밖으로 튀어 나오게 되는데 이 것이 바로 베타선이다. 이러한 반응은 원자핵이 더 안정해지는 반응이므로 그 에너지 차이만큼을 베타선이 운동에너지로 모두 가지고 나오기도 하고, 일부 에너지를 전자기파 형태로 방출하기도 하는데 이렇게 방출되는 전자기파 형태의 방사선이 감마선이다. 베타선이 방출될 때 중성미자(뉴트리노)라는 것도 방출이 되는데 이에 대한 설명은 방사성의약품과는 관계가 없으므로 생략한다.

그리고 다음 번에 설명하겠지만 감마선은 베타선이 방출될 때만 나오는 것이 아니고 원자핵이 에너지가 높은 상태에서 낮은 상태로 떨어질 때는 항상 나올 수가 있다.

<그림>에서 A 부분은 대체로 베타선을 방출할 때 그 에너지를 베타선이 모두 가지고 나오지 못하여 감마선도 방출하는 핵종이 많다. 자연계에 존재하는 요오드는 I-127인데 이보다 중성자가 많은 I-131이 그 대표적인 예이고, 앞으로 치료에 널리 사용될 것으로 기대되는 Re-188(레늄)도 여기에 속한다. 그러나 위치가 A라도 베타선만 방출하는 핵종도 있는데 원자력연구소에서 한국 신약 2호라고 개발한 'Ho-166(홀뮴)'은 베타선만 방출한다. 이러한 베타선 방출 핵종은 처음에 설명했지만 치료용 동위원소이다.

<그림>에서 B 부분은 에너지가 안정화되는 정도가 낮아 베타선이 모든 에너지를 가지고 나올 수 있으므로 감마선은 방출되지 않는 핵종이 주로 분포한다. H-3(삼중수소), C-14(탄소), P-32(인), S-35(황) 등을 예로 들 수가 있다. 이들은 생체내 구성원소가 많아 생화학이나 유기화학 또는 분자생물학 연구에 널리 사용되었다. 생화학이나 분자생물학을 배운 사람들은 DNA, RNA 등에 P-32를 표지하여 Southern blotting, Northern blotting 등의 방법을 써서 특정 유전자의 존재나 발현을 연구하는 것을 배운 것을 기억할 수 있을 것이다.

2004년 4월 20일