[대항목] 방사선 이용
[중항목] 방사선 이용의 기초
[소항목] 방사선과 물질의 상호작용
방사선의 물질과의 상호작용 ( 08- 01- 02- 03)
번역자 :김덕승 (1998-03 갱신년월, 2001-01 번역년월)

개요

    하전입자가 물질을 통과할 때 원자를 여기 또는 전리시키든지 원자핵의 클롬전장에 의하여 급히 휘어지며 감속되어 제동방사선을 방출함으로써 그 에너지를 잃는다. 전자는 원자와의 충돌 때마다 그 운동방향이 크게 휘어지게 되는데 하전중입자는 전자와의 충돌에 의하여 그리 많은 에너지를 잃지 않으며 휘어지는 영향도 받지 않기 때문에 거의 직선적으로 진행한다. 하전중입자에서는 제동방사손실을 거의 무시할 수가 있다. 양전자와 음전자가 합체가 되어 0.51 MeV의 2개의 광자로 변하는 것을 전자쌍소멸이라고 한다. 광자의 물질에의 투과력은 파장이 짧을수록 크다. γ선광전효과, 컴프턴효과 등에 의하여 그 에너지를 잃는다. 또 1.02 MeV이상의 광자는 음전자와 양전자 한쌍의 전자쌍을 생성한다. 원자핵반응에 의하여 원자핵은 중성자를 흡수해서 γ선, 양성자, 중양자, α입자, 중성자 등 여러 가지 입자를 방출한다.



본문

1. β선, 전자선과 물질의 상호작용
1.1 에너지손실
    고에너지의 β선(베타선:전자선 및 양성자선)이 물질의 층을 통과할 때 다음 두 가지 과정에 의해 그 에너지를 잃게 된다.
(a) 클롬의 힘에 의해 원자가 여기되거나 전리된다.
(b) 물질이 원자핵근처를 통과할 때 원자핵의 강한 클롬전장에 의해 β선이나 전자선이 급히 휘어지면서 감속되어 그 에너지손실에 상당하는 제동복사가 이루어진다.
β입자나 전자는 그림-1에 나타내는 것과 같이 원자와 충돌할 때마다 그 운동방향이 크게 구부러져 지그재그 운동을 한다. 또 물질속에서의 β선 흡수는 대체로 지수법칙에 따른다. 전자의 에너지가 수 MeV이상으로 되면 원자핵을 여기시킬 가능성도 있으나 그 확률은 극히 적다. (b)의 과정은 물질의 원자번호(Z)의 자승과 전자의 에너지(E)에 비례하기 때문에 E가 크게 되면 중요하게 되지만 (a)의 과정에 의한 에너지 손실과 (b)의 과정에 의한 에너지손실이 같게 되는 것은 E와 Z의 곱이 약 800정도(E의 단위은 MeV)이므로 방사성핵종으로부터의 β선은 거의 전리 및 여기에 의하여 그 에너지를 잃는다고 생각해도 좋다.
1.2 저지능
    일반적으로 하전입자가 물질내의 단위길이를 통과하고 잃게되는 에너지를 「선저지능」 (S)이라고 한다. S는 전리 여기에 의한 분(선충돌저지능, S col)과 제동방사손실에 의한 분(제동방사저지능, S rad)의 합으로 표시된다. S와 물질의 밀도(S)와의 비를 「질량저지능」 (Sm=S/S)라고 하며 단면적 1 cm2의 물질 1 g의 에너지손실을 의미한다. Sm는 물질이 달라도 별로 변화하지 않으므로 β선 또는 같은 정도의 에너지 전자선의 질량저지능은 근사하며 물질의 종류에 따라 달라지지 않는다고 할 수 있다.
1.3 흡수곡선과 비정
    그림-2에 P-32 β선의 알루미늄에 의한 흡수곡선을 게시한다. 입자가 그 운동에너지를 전부 잃어버릴 때 까지 진행하는 거리를 「비정」이라고 하며 흡수곡선에서 제동복사선에 의한 부분을 무시하고 곡선을 연장한 두께로부터 구한다.
1.4 산란
    β입자의 산란은 산란물질의 원자핵 및 궤도전자와의 상호작용에 의하는 것이므로 산란을 적게하기 위해서는 원자번호가 작은 물질을 이용할 필요가 있다. 또 β선의 방사능을 측정하는 경우 β선의 선원을 지지하는 물질에 의하여 후방산란된 β선이 여분으로 들어와 측정치에 영향을 준다. 이 증가의 비율을 「후방산란계수」라고 한다. 후방산란계수는 지지물질의 원자번호, 두께 및 β선의 에너지 등에 따라 변화하지만 두께를 충분히 두껍게하면 일정한 값으로 되며 이것을 「포화후방산란계수」라고 한다. 포화후방산란계수와 지지물질의 원자번호와의 관계를 그림-3에 게시한다.
1.5 전자쌍 소멸
    양전자와 물질의 상호작용에 관하여, 음전자와 꼭 같이 그 운동에너지를 잃는다. 운동에너지를 잃은 양전자는 음전자와 합체해서 서로 반대방향으로 나오는 두 개의 광자로 변한다. 이것을 「전자쌍 소멸」이라고 한다. 이 경우는 전자쌍의 모든 질량이 광자의 에너지로 되기 때문에 2개의 광자에너지는 각각 0.51 MeV이다.
2. 하전중입자와 물질의 상호작용
    전자 이외의 하전입자를 하전중입자라고 부른다. 하전중입자가 물질을 통과할 때에는 전자와 마찬가지로 원자를 전리 또는 여기시키는데 그 질량이 전자보다 크기 때문에 전자와의 충돌에 의해 그리 많은 에너지를 잃지 않고 크게 편향하는 영향도 받지 않기 때문에 거의 직선적으로 진행할 수가 있다 (그림-1) 또 하전 중입자에서는 일반적으로 제동방사손실을 거의 무시할 수 있기 때문에 그 질량 저지능은 물질과 무관하게 된다.
    하전중입자인 α입자는 물질중을 통과할 때 속도의 감소와 함께 비전리가 증가해서 370 MeV의 에너지 즉 공기중이면 비정의 끝에서 3 mm정도 앞서는 곳에서 최대의 비전리(比電籬)를 나타낸다. 그림-4와 같이 α선의 진로에 따르는 비전리를 나타내는 곡선을 「Bragg곡선」이라고 한다. 이 현상은 양자선, 중양자선 등 하전입자선에 대해서도 같은 것이다.
3. 광자와 물질의 상호작용
3.1 감쇠계수
    γ선 또는 X선이 물질을 통과하면 원자와 상호작용을 해서 약해진다. 상호작용에 의한 감쇠란 광자의 에너지 또는 방향이 그것에 의해 변화를 받는 과정을 말하는 것이다. 광자가 길이 1 cm의 물질층에서 감쇠되는 비율을 「선감쇠계수」(μ)라고 한다. 선감쇠계수는 일반적으로는 광자의 에너지가 클수록 크다. 즉 광자의 물질에의 투과력은 파장이 짧을수록 크다.
    선감쇠계수는 물질이 정해져도 그 밀도에 따라 변하기 때문에 그 값을 밀도로 나눈 것을 「질량감쇠계수」(μm)라고 부른다. 질량감쇠계수는 정해진 물질에 대해서는 광자의 파장만이 관계되는 값이며 단면적 1 cm2, 질량 1 g에 대해서 광자가 감약되는 비율이다. 그림-5에 납에 대한 광자의 감쇠를 나타낸다.
3.2 광전효과
    γ선(감마선)이 물질에 입사해서 그 원자의 궤도전자를 원자로부터 튕겨나가게 해서 에너지를 잃는 현상을 「광전효과」라고 한다. 이때 개방된 전자를 「광전자」라고 부르며 그 운동에너지는 γ선의 에너지로부터 궤도전자의 전리에너지를 차감한 것이다. γ선의 에너지가 작을 때에는 광전자는 입사방향에 대해 직각방향으로 많이 나오지만 에너지가 증대하면 동시에 전방으로 많이 방출하게 된다.
  이론적으로 원자핵과의 결합이 큰 전자일수록 광전효과가 일어날 확률이 크기 때문에 K전자에서 광전효과의 약80%가 일어나는 것으로 된다.
3.3 컴프턴효과
    광자가 전자와 충돌해서 그 에너지가 전자의 운동에너지와 산란된 광자의 에너지로 되는 현상을 「컴프턴효과」라고 한다. (그림-6)광자의 에너지가 크고 거기에 대해 궤도전자의 속박에너지가 무시할 수 있는 것과 같은 궤도전자에서도 컴프턴효과는 일어날 수도 있다. 따라서 전자는 그림-6에 게시하는 바와 같이 자유전자로서 취급되며 충돌전과의 에너지와 운동량이 보존된다. 즉 광자와 전자는 완전탄성출동을 하는 것으로 된다.
컴프턴효과의 감쇠계수는 반조전자의 운동에너지로 되는 비율과 산란광자의 에너지로되는 비율의 합으로 나타낼 수가 있다. 컴프턴효과에 의한 감쇠계수는 물질의 원자번호(Z)에 비례한다.
3.4 전자쌍 생성
    원자핵 근방을 통과하는 1.02 MeV이상의 광자는 원자핵에 의한 강한 전장의 영향으로 음전자와 양전자의 한 쌍을 만들어 완전히 소멸한다. 이 현상을 「전자쌍 생성」이라고 한다. 전자의 질량을 에너지로 환산하면 0.51 MeV이다. 그러나 광자가 전자로 되는 경우에는 전하의 보존법칙으로부터 음전자와 양전자의 한 쌍이 되는 것이 필요하며 따라서 최저 1.02 MeV의 에너지를 가지는 광자가 아니면 전자쌍 생성은 일어나지 않는다. 광자의 에너지로부터 1.02 MeV를 차감한 에너지가 음전자와 양전자의 운동에너지로서 분배된다. 이 1.02 MeV를 전자쌍 생성의 문턱값이라고 한다. 전자쌍생성에 의한 선감쇠계수는 광자의 에너지증가와 함께 증가하며, 한편 물질의 Z(Z+1)에 거의 비례한다. 광전효과, 컴프턴효과 및 전자쌍 생성의 합계를 광자의 에너지흡수계수라고 한다. 그림-5에 납에 대한 광자의 흡수계수가 게시되어 있다.
4. 중성자와 물질의 상호작용
    중성자는 전하를 가지고 있지 않기 때문에 일반적으로 광자와 마찬가지로 물질중을 이동하는 거리가 하전입자에 비해 길다. 또 높은 에너지가 아니더라도 쉽게 원자핵속으로 들어갈 수가 있기 때문에 원자핵과의 상호작용에 중요한 역할을 수행한다. 중성자에 의한 원자핵반응에서는 원자핵이 중성자를 흡수한 후에 γ선, 양성자, 중양자, α입자, 중성자 또는 이런 것들로 편성된 복수의 입자 등 여러 가지 입자가 방출된다. 또 두 개의 원자핵으로 분열시키는 핵분열반응도 있다. 일반적으로 원자핵반응의 단면적은 중성자의 에너지가 적을수록 크다.
    500 MeV이하의 중성자에서는 중성자탄성산란과 중성자포획이 일어나 이들 반응에도 특정의 에너지에 대해 공명산란 및 공명포획이 보여진다. 중성자의 에너지가 극히 적을때에는 포획단면적은 중성자의 속도의 역수1/v에 비례한다(1/v법칙).
500 KeV∼10 MeV의 영역에서는 탄성산란이나 포획 외에 비탄성산란이나 핵변환이 가능하게 된다. 10 MeV∼50 MeV영역에서는 2개 이상의 입자방출이 가능하게 된다.
탄성산란에서는 중성자에너지의 일부는 원자핵의 운동에너지로 주어진다. 잃어버린 중성자에너지는 원자핵의 질량수가 적을수록 크다. 따라서 수소의 원자핵에 의하여 가장 효율이 좋게 중성자는 그 에너지를 감소할 수가 있다.



그림/표

그림-1 하전입자와 물질의 상호작용
그림-2 P-32 β선의 알미늄에 의한 흡수곡선
그림-3 P-32 β선에 대한 포화후방산란계수
그림-4 Rac로부터의 α선에 의한 Bragg곡선(공기중)
그림-5 납에 대한 광자의 감약
그림-6 컴프턴효과


관련 타이틀
08-01-01-01,08-01-01-02,08-01-02-02,08-01-02-04,08-01-02-05


참고 문헌
(1) 石川 友淸(編) : 放射線槪論, 通商産業硏究社, 平成3年4月
(2) 江藤 秀雄外 : 放射線의 防護, 丸善, 昭和57年 12月
(3) 久保 亮五外 : 理化學辭典 第4版, 岩波書店, 1989年 12月
(4) 田島 英三外 : 放射線과 物質과의 相互作用, 山崎文男 (編) 實驗物理學講座 26卷 放射線, 共立出版, 昭和52年


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