X선 흡수 반응: 컴프턴 산란, 광전효과, 쌍생성, 톰슨 산란

미시세계에서 X선이 흡수되었을 때 어떤 현상들이 발생할까?

기본적으로 컴프턴 산란, 광전효과, 전자 쌍생성, 톰슨 산란이 나타난다. 

이번 포스팅에서는 각각의 반응 기저(원리)에 대해서 알아볼 것이다.

방사선에 노출되어 에너지를 흡수하게되면 어떤 생물학적 효과가 발생할까?

여기(Excitation)와 이온화(ionization)가 나타난다. 

여기(Excitation)는 전자가 다른 Energy Level로 이동하는 것이다.

여기 Excitation

여기(Excitation)가 발생하는 원리에 대해서 알아보자. 핵이 있고 핵 주위에는 궤도 전자가 있다. + 전하를 가지고 있는 하전입자가 원자 근처를 지나가면 인력(당기는 힘)이 생긴다. 그러면 전자가 L껍질로 이동한다. 그와 동시에 K껍질에는 빈 공간이 생긴다. 이러한 현상을 "여기(Excitation)"라고 한다. 

하전입자가 지나가면 여기되었던 전자는 다시 K껍질로 돌아온다. 이때 K껍질, L껍질 결합에너지(Binding Energy)만큼 전자기파(Electromagnetic wave) 형태로 방출된다. 방출되는 에너지를 특성 X선(Characteristic X-rays)이라고 한다. 

+) X-ray 혹은 γ-ray(gamma ray)는 전자에 직접 에너지를 전달해서 전자가 다른 궤도(껍질)로 이동하게 할 수 있음을 알 수 있다. 

이온화(ionization)

이온화(ionization)는 더 많은 에너지를 주어 전자가 완전히 원자에서 벗어나서 다른 곳으로 가버리고, 전자와 + 이온이 남게 되는 것을 의미한다. 이온화는 몇가지 특징이 있다.

1. 전기적 특성인 척력으로 나타난다.

2. X-ray 혹은 γ-ray(gamma ray)가 들어오면 전자에 직접 에너지를 전달해서 궤도에 있는 결합 에너지를 극복하고 밖으로 튀어나간다.

X선 흡수 반응으로 나타나는 현상에는 어떤 것들이 있을까?

방사선은 직접적으로 이온화를 시키는가지, 간접적으로 이온화를 시키는지에 따라서 분류할 수 있다.

직접적으로 이온화시키면 화학적, 생물학적 변화를 인체에 일으킨다.

간접적으로 이온화시키면 화학적, 생물학적 변화를 일으키지 않는다. 하지만 고에너지 전자를 발생시켜 결과적으로 화학적, 생물학적 변화를 인체에 일으킨다.

X-ray가 물질과 만났을 때 일으키는 반응에는 톰슨 산란, 컴프턴 산란, 광전효과, 쌍생성, 광핵반응이 있다.

1. 컴프턴 산란

가장 안쪽의 껍질부터 바깥쪽으로 K shell, L shell, M shell 순으로 이루어져있다. 핵 안쪽 껍질(Shell)로 갈수록 결합에너지(Binding Energy)가 크고 핵 바깥쪽 껍질로 갈수록 결합에너지(Binding Energy)가 작다.

입사 방사선이 원자에 들어와서 일부 에너지를 전자에 전달하여 전자를 궤도에서 이탈시키고,입사된 Photon은 에너지가 줄어드는 각도로 꺽이고 진행한다. 그러면 입사 방사선의 파장보다 산란된 입자의 파장이 더 길게 나타난다. 에너지가 줄어들어 파장이 더 길게 나타나는 것이다. 

컴프턴 산란에서 중요하게 보아야하는 포인트는 결합에너지가 작은 전자랑 반응해야 일부 에너지를 전달하고 입사 방사선은 산란된다는 것이다. 따라서 "외각 전자"와 잘 반응한다. 이러한 원리에 의해서 컴프턴 산란이 활발하게 나타나기 위해서는 전자 밀도가 높은 원자와 반응할 때 잘 일어난다.

2. 광전효과

광전효과는 간접반응 중에 하나이다. 입사된 광자가 자신의 모든 에너지를 궤도 전자에게 전달하고 입사된 광자를 사라진다. 입사되는 광자의 에너지가 모두 전달되어야하므로 결합에너지가 높은 전자와 만나서 전달하는 것이 광전효과가 나타나기 쉽다. 따라서 광전효과는 Z(원자번호)가 클수록 잘 나타나는 특징을 가진다.

결합에너지를 끊는 곳에 모든 에너지를 사용하고 입사된 광자는 사라지고, 에너지를 받은 전자는 운동에너지를 가지고 궤도를 이탈하게 된다. 광전효과는 결합에너지가 높은 껍질에 있는 전자와 반응할 확률이 높다. 따라서 가장 안쪽의 전자껍질에 빈 공간이 생기게 된다. 해당 껍질에 전자를 위치시키기 위해서 이후에 특성 X선(Characteristic X-rays)을 발생시키며 바깥쪽 껍질에 존재하는 전자들이 안쪽으로 내려오게 된다.

3. 쌍생성(Pair production)

쌍생성은 1.02MeV 이상의 에너지를 가질 때 나타난다. 

에너지가 매우 큰 방사선(광자)이 핵 주변을 지나가면 에너지가 입자로 변하는 일이 발생한다. 전자의 질량을 에너지로 환산하면 전자 1개는 0.511MeV으로 바꿀 수 있다. 전자 2개는 1.02MeV의 에너지로 변환될 수 있다.

높은 에너지의 광자가 핵 주변을 지나가서 사라지면 양전자와 전자를 발생시킨다. 양전자(Positron)는 하전입자로, 지나가면서 이온화 시킨다. 그러다가 운동에너지가 모두 소진되면 주변에 있는 전자와 결합하여 소멸한다. 질량-에너지 보존 법칙에 의해서 γ-ray(소멸 방사선)이 양쪽으로 나온다. 전자(Negatron)은 하전입자로 지나가면서 원자들을 이온화시키다가 운동에너지가 모두 소진되면 다른 원자에 흡수된다.

4. 톰슨 산란

톰슨 산란은 10KeV보다 작은 에너지에서 나타난다. 입사된 광자의 파장과 산란된 광자의 파장이 동일한 특징을 가진다.

산란만 나타나고, 어떤 변화를 일으키지 않았고 단지 에너지가 원자에 흡수되었다가 나가는 현상이다.