X선과 물질과의 상호작용

x선과 물질과의 상호작용에는 무수하게도 많고 아직 우리 인류가 발견하지 못한 미지의 작용들이 있다. 오늘은 그중에서도 방사선학에서 대표적인 간섭산란, 광전효과, 콤프턴산란, 전자 쌍생성, 광분해, 그리고 특성X선에 대해 포스팅해 보겠습니다.

 

1. 간섭산란

미 산란, 레일리 산란, 톰슨 산란 등이 있으며 저에너지 X선으로부터 궤도전자가 남은 에너지를 흡수하고선 외각으로 천이한 후 전자기파를 방출하고 기저상태가 되는 현상을 말한다. 에너지 손실이 없으며 파장이 같고 원자를 이온화시키지 않는다. 그리고 위상도 일정한 관계에 있다. 간섭산란에서 제일 중요한 것은 에너지 변화가 없다와 입사파장과 산란파장의 위상, 파장이 같아서 간섭한다라고 말할 수 있습니다. 에너지를 물질과 같이 주고받을 경우에는 비간섭성 산란(incoherent scattering)을 일으키는데 이는 입사파장과 산란파장 사이에 위상관계가 흐트러져 상관관계를 맺지 않는 것을 말합니다.

 

2. 광전효과

간단하게 말하면 높은 진동수의 빛이 온 힘을 다해 전자를 쳐내고 그 에너지를 다 줘버리는 현상입니다. 이 전자가 광전자로 방출되고 남은 에너지들은 특성방사선으로 방출하게 됩니다. 그리고 광전효과는 입사된 빛이 궤도전자보다 에너지가 약간 커야지 잘 일어납니다. 광전효과는 1887년 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠가 금속판에 빛을 쏘는 실험으로부터 광전효과를 찾아냈는데 진동수에 따라 결과가 달라지는 이유는 결국 찾아내지 못하고 1905년 아인슈타인이 광양자설을 발표하고 빛의 입자성을 이용하여 설명한 현상으로 유명합니다. 이로 인해 아인슈타인은 노벨상을 타게 되었고 이 효과를 이용한 것들로는 태양광발전, 광전관, 광전지(태양전지)를 개발하는데 획기적인 공헌을 하였습니다.

 

3. 컴프톤 산란

비탄성 산란으로 에너지가 비교적 높은 X선이 결합에너지가 낮은 외각전자와 충돌하여 에너지의 일부만 외각전자를 이탈시키는 데 사용하고 자기 자신은 전자에 의해 굴절되어 다른 방향으로 진행하는 것을 컴프톤효과라고 합니다. 우리가 흔히 촬영하는 일반 X-ray검사에서 자주 나타납니다(주로 100 kvp부근). 보통 실험은 x선광원, 스크린 그리고 흑연판으로 실험을 합니다. x선광원에서 전자기파가 방출되어 스크린을 통과하고 흑연판을 통과해서 산란된 X선과 산란되지 않은 X선(반도전자) 사이의 각도를 이용하여 이 두 에너지의 값을 구하게 됩니다. 그리고 역콤프턴효과(inverse Compton effect)라는 것이 있는데 높은 에너지의 전자기파가 고속의 전자와 충돌하여 에너지가 낮은 연속에너지를 가지는 파로 변화 되는 것을 역콤프턴효과라고 합니다.

 

4. 전자 쌍생성

쌍생성 또는 전자 쌍생성, pair Production이라고 한다. 전자 한 개의 질량은 0.51 MeV이므로 전자가 쌍(2개)이 되는데 필요한 에너지는 0.51 MeV*2이므로 1.02 MeV이상에서 일어나고 쿨롬장과의 상호작용으로 한쌍의 음전자와 양전자를 생성시키고 두 개의 소멸방사선을 방출하고 소멸하는 현상을 말한다. 전자쌍생성은 주로 방사선치료(암치료)를 할 때 많이 접할 수 있다. 전자 쌍생성을 이용한 기구로 전자쌍 스펙트로미터라는 것이 있는데 이는 3개의 신텔레이션 검출기를 일열로 두고 모든 검출기에서 형광이 발생한 경우에만 출력 파고를 측정하는데 간단하게 말해서 전자 쌍 생성에 의해 만들어진 감마선의 에너지를 측정하는 장치입니다.

 

5. 광분해&특성X선

우리가 말로만 들어봤던 핵폭탄이 폭발할 때 필요한 광분해는 사이클로트론이나 입자가속기에서도 볼 수 있고 핵력 이상의 X선이 입사될 때 원자자체가 붕괴되는 것을 말한다. 그리고 X선뿐만이 아니라 가시광선, 자외선, 감마선등 전자기파 모두 화합물에 영향을 끼칠 수 있습니다. 간단히 말해 빛에 의해 물질이 분해된다고 보시면 됩니다. 특성 X선은 양극 원자와 전자궤도 사이의 에너지 차이에서 일어나는 것이고 일정 관전압 이상의 X선에서 발생됩니다(여기 전압). 전자궤도의 각 K, L, M, N.... 등에서 K각에서 일어나면 이 특성 X선을 K계열이라고 말하고 또 표기하기 쉽게 Ka(케이알파), KB(케이베타)등으로 표시하고 L 각, M 각, N 각 등도 마찬가지입니다.