물리학

반감기가 12억 5천만년인 칼륨-40은 자주 붕괴되지는 않지만 붕괴가 큰 영향을 미칩니다. 매우 흔한 금속(지각 질량의 2.4%)의 상대적으로 흔한 동위원소(전체 칼륨의 0.012%)인 칼륨-40은 우리가 일상 생활에서 접하는 방사능의 주요 원인 중 하나입니다. 붕괴는 대기의 거의 1%를 구성하는 아르곤-40의 주요 공급원이며, 이러한 붕괴에서 방출되는 엄청난 양의 열은 켈빈 경이 만든 지구의 나이에 대한 초기 추정치를 무너뜨렸습니다. 칼륨-40은 식품(예: 바나나)의 미량 방사능을 주로 담당하며 일부 매우 민감한 입자 물리학 탐지기에서 소음의 중요한 원인입니다. 이 동위원소와 그 붕괴 생성물은 또한 지구 역사의 초기 부분으로 거슬러 올라가는 암석과 지질학적 과정의 연대를 측정하는 데 유용한 도구입니다. 그러나 이러한 잘 연구된 붕괴에는 오랫동안 지속되어 온 불확실성이 있습니다. KDK 협력은 칼륨-40에서 아르곤-40까지의 희귀 붕괴 모드에 대한 최초의 직접적인 관찰을 제공했습니다[1, 2]. 측정된 감쇠율은 이전에 가정한 것보다 이 감쇠 모드의 확률이 더 낮다는 것을 의미합니다. 결과는 지구연대학 분야뿐만 아니라 이 편재적 요소의 붕괴 효과를 사용하거나 이를 피하려고 하는 다른 분야에 대해 제한적이지만 중요한 의미를 갖습니다.

칼륨-40은 다소 복잡한 붕괴 방식을 가지고 있습니다. 그것은 장수하는 자손의 사슬을 지닌 우라늄이 아닙니다. 그러나 칼륨-40 붕괴의 약 90%가 𝛽− 붕괴에 의해 칼슘-40으로 가고 나머지 10%의 대부분이 전자 포획에 의해 앞서 언급한 아르곤-40으로 가는 등 몇 가지 흥미로운 특징이 있습니다. 암석이 응고되면 일정량의 칼륨-40이 있지만 아르곤-40은 거의 없습니다(그림 1). 시간이 지남에 따라 칼륨-40은 붕괴되어 암석에 갇혀 있는 아르곤-40을 생성합니다. 지질학자들은 이러한 다양한 원소의 농도를 측정하여 암석의 나이를 추정할 수 있습니다. 이를 수행하는 한 가지 방법(소위 칼륨-아르곤 연대 측정)은 총 칼륨(주로 칼륨-39)을 측정하고 알려진 상대 존재비로부터 칼륨-40의 양을 계산하는 것입니다. 그런 다음 이 값을 아르곤-40 측정값과 결합하여 연령을 계산합니다.

요즘 더 일반적으로 사용되는 대체 연대 측정 방법은 암석에 있는 소량의 칼륨-39를 아르곤-39로 변환하는 것입니다. 이 아르곤-39는 칼륨의 양과 더 나아가 칼륨-40의 양을 대신하는 역할을 합니다. 따라서 지질학자들은 아르곤-39와 아르곤-40의 비율을 사용하여 암석의 나이를 결정할 수 있습니다. 이 아르곤-아르곤 연대 측정 기술은 질량 분석 측정이 동일한 원소의 동위원소를 대상으로 한다는 이점을 제공하며, 이는 다른 원소를 비교하는 것보다 더 빠르고 정확하게 수행할 수 있습니다. 칼륨-아르곤 변환은 원자로에서 중성자 활성화를 통해 발생하는데, 이는 연대 결정에 대한 수많은 추가 반응과 수정을 제공하는 다소 지저분한 과정입니다.

두 가지 방법의 아르곤 및 칼륨 존재비를 연령으로 변환하려면 칼륨-40의 전체 붕괴율과 각 자손에 대한 상대적 붕괴율(분지 비율)을 정량화해야 합니다. 이는 모 동위원소와 매우 희귀한 붕괴의 충분한 수를 모두 정확하게 측정해야 하기 때문에 놀라울 정도로 어려울 수 있습니다. KDK Collaboration의 작업은 전자 포획에 의해 아르곤-40으로 붕괴되는 칼륨-40의 약 10% 중 희귀한 부분 집합을 다루고 있습니다. 이 10% 중 약 99%는 아르곤-40의 들뜬 상태로 전환되는데, 이는 아르곤-40의 바닥 상태로의 후속(거의 즉각적인) 붕괴가 특징적인 감마선을 방출하기 때문에 유용한 기능입니다. 연구자들은 감마선을 측정하여 이 과정의 속도를 정량화하고 방사성 붕괴가 상당한 간섭을 일으키는 암흑 물질 관측소와 같은 다른 상황에서의 존재를 교정하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

그러나 칼륨-40의 전자 포획 붕괴의 아주 작은 부분은 아르곤-40의 기저 상태로 직접 이동합니다. 즉, 감마선은 없고 분리하기 어려운 저에너지 X선만 있음을 의미합니다. 각각의 전자 포획의 결과는 지질연대학에 관한 한 동일합니다. 두 붕괴 모두 안정적인 아르곤-40 핵을 생성합니다. 그러나 직접 바닥 상태 부분 집합의 비율은 측정하기가 훨씬 어렵습니다. 오랫동안 예측된 것은 아르곤-40 붕괴의 2% 정도라고 추정되어 왔지만[3, 4] 일반적으로 사용되는 일부 붕괴 모델에서는 완전히 생략되었습니다[5]. 농축된 칼륨 공급원([1]에 설명되어 있고 [2]에 자세히 설명되어 있음)에 의해 생성된 X선 및 감마선 스펙트럼을 주의 깊게 측정한 KDK 연구에서는 실제로 그 값의 절반에 가깝다는 것을 보여줍니다. 이 결과는 칼륨-40이 아르곤-40 바닥 상태로 붕괴하는 속도를 최초로 직접적으로 측정한 것이며, 다른 관련 붕괴 속도를 다시 결정해야 함을 의미합니다. 결과적으로 일부 칼륨-아르곤 연대는 1%에 가까운 보정이 필요할 수 있으며, 이는 일부 오래된 운석과 암석의 연대에 수천만 년 영향을 미칩니다.