2. 방사선 과 물질 간의 상호작용

2. 방사선 과 물질 간의 상호작용 앞에서 다룬 바와 같이 방사선은 빠른 속도로 날아가는 입자 또는 높은 에너지를 가진 전자파이다. 방사선이 물질 속을 뚫고 지나갈 때에는 그 물질의 원자를 전리(이온화)시키거나 들뜨게 하는 등 그 물질에 변화를 준다. 또한 물질은 방사선과 작용하여 그 에너지와 진행방향을 변화시킨다. 이러한 상호작용이 일어나는 형태는 방사선의 종류와 에너지 및 물질의 종류에 따라 다르다. 방사선과 물질의 상호작용 메커니즘(“기구”라고도 함)에 대해 충분히 이해할 때에 비로소 여러 가지 방사선의 측정, 방사선의 이용, 방사선 방호 등을 효과적으로 수행할 수 있다. 그림 11. 방사선의 작용은 다채롭다. 2.1 전리작용과 들뜸(여기)작용 방사선은 물질 속을 지날 때에 그 지나는 길에 따라 주변의 원자나 분자에 에너지를 주어 전리(또는 이온화)나 들뜸(또는 여기)을 일으킨다. 알파선과 베타선 등 전하를 가진 알갱이(입자)는 물질을 통과할 때에 그 지나는 길(경로)에 직접적으로 많은 전리나 들뜬 상태를 만든다. 이러한 전리나 들뜸작용의 정도가 큰 것부터 나열해 보면 알파선- 베타선- 감마(엑스)선의 순위이다. 전리작용과 들뜸작용은 방사선의 물질에 대한 작용 중에서 가장 기본적인 것이며 방사선에 의한 형광작용, 사진작용,화학작용 등은 모두 전리나 들뜸 으로 인해 일어나는 작용들이다. 전리로 인해 생겨난 양이온이나 전자를 전기적으로 검출할 수 있어서 방사선검출기를 만들어 쓰고 있으며 그 검출방법에 따라 각각 전리상자(이온챔버), 가이거 뮐러 계수관(GM 카운터), 비례계수관, 반도체 검출기 등으로 부른다. 그림 12. 전리상자(이온 챔버)의 방사선검출원리와 단위 길이 당 생성되는 이온밀도 방사선에 의해 기체가 이온화하면 양이온은 음극에, 전자는 양극에 각각 끌려가므 로 전류를 흐르게 한다. 방사선의 종류에 따라 작용하는 물질 내에서 발 생되는 이온의 밀도(왼쪽 그림)는 다르다. 2.2 형광작용 물질에 방사선을 쬐면 그 물질의 종류에 따라 독특한 파장의 빛(형광)을 내는 현상이 있다. 들뜬 원자, 분자, 물질 등은 여분의 에너지를 빛 형태로 내보내고 본래의 안정상태로 되돌아간다. 이 때 내는 빛을 형광이라고 하며 형광을 내는 물질을 형광물질① 이라 한다. 형광등은 필라멘트에서 방출된 전자가 유리관 벽에 발라놓은 형광물질에 부딪쳐 밝은 빛을 내도록 한 것이다. 형광작용을 이용하는 방사선검출기로는 유화아연(ZnS) 분말(α선용), 요오드화나트륨(NaI) 단결정(γ선용), 형광물질을 포함시켜 만든 플라스틱(β선용, γ선용) 등을 사용하는 신틸레이션 카운터(섬광검출기)② 또는 낮은 에너지 β선 측정용의 액체신틸레이션 카운터 등이 있다. 불화리튬(LiF), 불화칼슘(CaF), 황산칼슘(CaSO4) 등의 분말에 방사선을 쬔 다음 가열하면 빛이 나온다. 그 나오는 빛의 양은 쬔 방사선량에 비례함으로 이 현상을 이용하여 열 형광선량계, TLD)를 만들어 개인 별 받은 방사선량을 재는 데에 이용한다. 1) 형광물질을 결정(結晶)형태로 만들어 쓰기 때문에 가끔 결정이라고 부르기도 한다. 2 ) 신틸레이션(섬광) 카운터 ; 방사선에 의해 발생되는 형광을 특히 섬광 또는 신틸레이션이라 한다. 신틸레이션은 대개 매우 미약함으로 광전자증배관을 이용하여 전류로 변화시켜 이용하는 것이 많다. 그림 13. 형광작용에 의한 “나비”의 γ선 검출원리. 2.3 사진작용 방사선을 사진필름 또는 사진건판에 쬔 다음 현상하면 방사선을 받은 부분이 검게 되는데 그 검게 되는 정도에 따라서 쬔 방사선량을 알 수 있다. 또한, 입자방사선을 받은 필름이나 건판을 현상하여 현미경으로 보면 입자방사선이 지나간 길에 따라 지나간 자국(비적)을 알아볼 수 있다. X선 진단은 인체의 여러 다른 조직(뼈, 근육 등)에 X선을 투과시켜 필름을 감광시킴으로서 영상을 얻고 그것을 보고 진단하는 것이다. 인체를 촬영하는 X선 진단법이나 공업 분야에서 자주 사용하는 비파괴검사법은 검사대상이 다를 뿐, 원리는 같다. 그림 14. 가슴 X선 촬영 사진 및 X선 단층촬영기술(CT)로 촬영한 뇌종 양의 횡단면 사진. 2.4 투과하는 성질 방사선은 물질을 투과하는 성질이 있으며 그 종류와 에너지에 따라 투과력이 다르다. 특히, 높은 에너지의 감마선은 투과력이 강하다. α선은 물질과의 상호작용이 다른 방사선들보다 강하여 물질 투과 과정에서 빠른 속도로 에너지를 잃음으로 뚫고 지나가가는 힘(투과력)은 매우 약하다. 공기 중에서도 수 cm 정도 밖에 날아갈 수 없으며 종이 한 장 정도로도 α선을 정지시킬 수 있다. 이에 따라 알파선을 안전하게 취급하기 위해 차폐(투과하여 안전을 해치지 않도록 막는 일)하는 일은 그리 중요하지 않게 된다. 그림 15. 비행기 엔진 터빈 날개의 균열검사. 금속의 피로에 의해 생긴 틈을 알아보기 위한 비파괴 검사. β선은 알파입자 무게의 약 1840분의 1 밖에 안 되며 전하량도 알파선의 절반이어서 알파선보다 투과력이 강하다. 베타선은 그 최대에너지에 따라 공기 속에서 수 10 cm에서 수 m 거리까지 날아간다. 따라서 베타선은 특히 그 최대에너지가 클 경우 잘 차폐해야 한다. 베타선을 방출하는 방사성물질과 방사선 계측기 사이에 얇은 알루미늄 판 여러 겹을 겹쳐가며 방사선을 측정할 경우 방사선 측정값은 알루미늄 두께가 두꺼워 질수록 줄어들어 이들 사이에 독특한 관계곡선을 얻을 수 있다. 알루미늄 두께가 어느 정도 두꺼워지면 베타선은 더 이상 계측되지 않는다. 이러한 곡선을 베타선 흡수곡선이라고 하며 베타선에너지와 흡수체의 종류에 따라 모양이 다소 달라진다. 베타선을 어떤 흡수체(또는 차폐체)로 어느 정도 두텁게 하여 막느냐하는 것은 방사선 방호 상 중요하다. 알루미늄 판이나 플라스틱판이라면 수 mm에서 1 cm 정도 두께의 것을 써서 β선을 정지시킬 수 있다. 그림 16. 베타선의 흡수곡선 한편, γ(X)선은 전자파로서 질량이 없고 전하도 없기 때문에 물질과의 상호작용은 다른 방사선보다 약하여 물질 속을 지날 때 에너지 손실이 적으며 먼 거리를 뚫고 지나갈 수 있다. 즉, 투과력이 강하다. 감마선원과 방사선 계측기 사이에 얇은 납판을 하나씩 겹쳐가면서 방사선을 측정할 때 측정값은 지수함수적①으로 약해진다. 감마선은 베타선과 달리 물질 속에서 완전히 흡수되어 없어지지 않으나 원래 세기의 수십만 분의 1 등 매우 약하게 되도록 막을 수 있다. 1) 방사선이 물질 속을 직선으로 통과할 때 그 방사선이 흡수되거나 산란되어 감소되는 정도는 다음 식이 표시하는 것처럼 지수함수에 따라 감소된다. I=I0e-μx 여기서 I; 물질 속의 거리 x에서의 방사선 량, I0; 입사 방사선량, μ; 물질의 방사선에 대한 감쇠계수( cm), x; 물질의 두께(cm) 그림 17. 감마선의 흡수곡선 예를 들어 Co에서 나오는 γ선의 세기를 1/10로 줄이는 데는 약 4 cm 두께의 납판이 필요하다. 그림 18. 방사선의 종류에 따른 투과력. 같은 방사선이라도 그 에너지에 따라 투과력이 다르다.