방사선 관찰을 위한 안개상자 만들기 실험

이 페이지의 내용은 유튜브 동영상을 캡쳐한 것입니다.

방사선 관찰을 위한 안개 상자를 만들어 봅시다. 안개 상자는 영국의 윌슨 이라는 사람에 의해서 개발되었으며 윌슨은 이 공로로 노벨상을 수상하였습니다.

안개상자를 만들기 위한 준비물은 아래 사진에 나와있습니다.

방사선원(납 210), 손전등, 이소프로필 알콜, 드라이아이스, 샬레, 검은색 종이, 스펀지 등입니다.

시중에서는 보통 70% 의 이소프로필 알콜을 구할 수 있고, 실험에 사용된 99.5% 의 이소프로필 알콜은 따로 주문해야 한다고 합니다. 70% 짜리로도 실험이 가능합니다. 

동영상에서는 납 210을 $35에 구매했다고 나옵니다. 바늘 끝에 아주 미량의 방사성 원소가 달려있습니다. 바늘 끝을 절대로 만지지 말라고 합니다. (아래사진)

샬레의 아래쪽에 검은색 종이를 깐 다음, 벽 부분에는 양면테이프를 붙인 스펀지같은 것을 붙여줍니다. (아래사진)

이 스펀지 같은 물체에 알콜을 뿌려서 충분히 젖도록 해 줍니다. 그 다음 방사선원을 내부에 위치시키고 샬레 뚜껑을 덮습니다. (아래사진)

알콜 증기가 샬레 내부에 가득 차도록 손으로 온기를 공급해줍니다. (아래사진)

손으로 온기를 가했던 샬레를 드라이아이스 위에 올려놓습니다. 

일반 조명에서는 내부에서 무슨 일이 일어나는지 잘 보이지 않지만, 조명을 끄고 밝은 손전등을 비추면 신비한 현상을 목격할 수 있습니다. 

마치 비행기가 지나간 것 처럼 실 모양으로 안개같은 것이 생겨납니다. 

안개가 생겨나는 원리는, 따뜻한 온도에서 알콜이 증발하여 알콜 증기가 내부에 가득 차게 되는데, 샬레를 드라이아이스에 올려주면 온도가 떨어져서 내부의 알콜 증기는 과포화 상태가 됩니다. 하지만 응결핵이 없으면 과포화 상태로 계속 있게 되는데, 이 곳에 방사선 입자가 지나가게 되면, 알콜 증기를 이온화시키게 되고, 이온화 된 알콜 증기는 방사선 입자에 달라붙어서 응결되기 때문에 가느다란 구름처럼 보이게 됩니다. 

알파선의 경우 비교적 굵고 짧은 선이 나타나고, 베타선은 가늘고 긴 선이 나타납니다. 하지만 납 210 방사선원은 베타선을 방출하는 방사성 원소입니다. 그렇다면 알파선은 어디서 나왔을까요?

납 210 이 베타붕괴를 하면 비스무트 210 이 되고, 비스무트 210 또한 베타붕괴를 하는 원소입니다. 비스무트 210 이 베타붕괴를 하면 폴로늄 210 이 되는데 폴로늄 210 은 알파붕괴를 하는 방사성 원소입니다. 따라서 납 210을 방사선원으로 하면 3가지 원소가 존재하게 되고, 알파선과 베타선을 모두 관찰할 수 있게 됩니다. 

아래는 캡쳐한 원본 동영상입니다. 

http://youtu.be/pewTySxfTQk

안개상자 실험에서는 알파선과 베타선만 관찰할 수 있습니다. 

한국에서는 보통 라돈가스를 방사선원으로 사용해서 실험하는 일이 많습니다. 라돈은 자연계에 라돈 222 로 대부분 존재하는데, 라돈 222는 알파 붕괴를 거쳐서  폴로늄 218 이 되고, 폴로늄 218은 알파 붕괴를 거쳐서 납 214가 되는데, 납 214는 베타붕괴를 하여 비스무트 214가 되므로 라돈가스를 넣으면 알파선과 베타선을 모두 관찰할 수 있습니다. 

비스무트 214는  반감기가 약 20분으로 베타붕괴를 거쳐서 폴로늄 214가 되고, 폴로늄 214는 알파 붕괴를 거쳐서 납 210 이 됩니다. 

납 210은 베타붕괴를 하는 방사성 동위원소(동영상에서 사용된 방사선원)이므로 비스무트 210으로 되고, 비스무트 210도 베타붕괴를 하여 폴로늄 210 이 됩니다. 

폴로늄 210은 알파 붕괴를 거쳐서 납 206 이 되고, 납 206 은 안정되어 더 이상 방사능 붕괴를 하지 않습니다. 

라돈 222는 라듐 226이 알파붕괴를 해서 생성됩니다. 이후 붕괴되어 생성되는 물질들은 초창기에 라듐 A,B,C,D.. 등으로 불리었는데, 라듐A 는 폴로늄 218 이었고, 라듐 B 는 납 214, 라듐 C 는 비스무트 214, 라듐 C' 는 폴로늄 214, 라듐 D 는 납 210, 라듐 E 는 비스무트 210, 라듐 F 는 폴로늄 210 이었습니다. 

이 과정을 역추적한 퀴리부인은 참 대단한 사람인 듯 합니다.