X선 > 자유 게시판

대전입자의 감속이나 원자 내 전자의 전이에 의해서 생성되는 극히 짧은 파장의 전자기복사.


개요

X선의 파장은 0.05Å에서 수백 Å(1Å=10－10m)에 이른다(→ 옹스트롬). X선은 진공에서 다른 전자기복사(감마선·자외선·가시광선·적외선·전파)와 같은 속도(3×108㎧)를 가지며 간섭·회절·편광과 같은 파동성과 관련된 현상을 나타낸다.

X선은 1895년 11월 8일 독일의 뷔르츠부르크에서 빌헬름 콘라트 뢴트겐에 의해서 발견되었다. 뢴트겐은 저압의 기체를 통한 전기방전에 의해서 생기는 음극선(방전관의 음극에서 방출되는 전자들)의 효과를 연구하던 중에 X선을 발견하게 되었다. 많은 과학자들이 음극선의 특성을 연구했지만, 뢴트겐은 이들 이전의 연구자들이 지나쳤던 효과, 즉 방전관 밖의, 시안화 백금산 바륨이 얇게 입혀진 표면이 기체 방전관의 가시광선과 자외선으로부터 가려져 빛(형광)을 발하는 것을 발견했다. 그는 방전관에서 나오는 보이지 않는 복사가 공기를 통해 스크린에 닿아 형광을 발하게 한다고 추론했다. 그는 이 이상한 새로운 광선을 그 미지의 성격을 나타내기 위해 X선이라고 했다.


일반적인 X선 현상

X선의 빔이 물질을 지날 때 그 물질은 2차 X선과 전자의 생성원이 되며, 이러한 2차 과정 때문에 1차 빔의 일부분이 흡수된다. 2차 방출의 강도는 X선의 1차 빔에 비해 강도가 약하며 그 일부는 물질을 벗어나지 못한다. X선 빔이 물질에 조사(照射)될 때 두 가지 형태의 2차 X선이 생긴다. 이들은 거의 같은 에너지를 갖는 산란된 X선과 1차 빔보다 작은 에너지를 갖는 형광 X선이다. 산란된 X선은 물질을 지나면서 방향이(그리고 어느 정도 그 에너지까지) 바꾸어진 1차 X선이다. 형광 X선은 그 표적 물질의 특성을 나타내며 1차 빔의 파장이 형광을 일으킬 만큼 충분히 짧다면 1차 빔의 파장이 변화해도 형광 X선의 파장은 변하지 않는다. 산란된 X선의 기원은 1차 X선을 입자로 생각하면 이해할 수 있다. 광자(photon)라고 불리는 X선 입자는 전자에 가깝게 지나갈 때 산란된다. 이러한 산란과정이 여러 번 일어나면 X선은 그 에너지 일부를 전자에 잃게 된다.

형광 X선은 표적의 원자에서 전자가 튀어나오면서 원자들을 이온화한 상태, 즉 전자가 부족한 상태로 만들 때 생긴다. 원자가 다시 정상의 에너지 상태로 돌아가면서 형광 X선의 형태로 에너지가 방출된다. 대부분의 원소에서 여기 상태로 될 수 있는 2가지 중요한 형광 X선은 K특성 X선과 L특성 X선으로 알려져 있다. 특성 X선은 모든 원소에서 나온다. 이들 X선의 에너지는 원자번호순(핵의 전하순) 한 원소에서 다음 원소로 넘어갈 때 규칙적으로 증가한다. K특성 X선은 원자로부터 나오는 에너지가 가장 큰 특성 X선이며 원자에서 가장 강력하게 결합되어 있는 전자가 방출되어 나올 때 생긴다. 물질이 X선에 조사될 때 2차 X선의 방출 외에 2차 전자들도 방출된다. 이들은 되튐전자(recoil electron)와 광전자(photoelectron)로 분류된다. 되튐전자는 X선 산란의 입자론에서 주어지는 방법으로 1차 X선에서 에너지를 얻는 반면에 광전자는 빛의 광전효과에서 생기는 것과 같은 과정에 의해 방출된다. X선이 기체에 흡수될 때 X선은 기체로부터 광전자를 방출시킨다. 이 전자들은 다시 기체의 분자들을 이온화시킴으로써 1차 X선의 효과를 증폭시킨다. 이런 과정이 생체조직에서 일어나면 복잡한 유기분자에서 나오는 X선은 조직의 세포를 파괴한다.


X선의 이중성

X선의 초기 실험에서 X선이 파동으로 이루어져 있다고 생각하지 않으면 설명하기 어려운 현상들이 나타났다. 그런데 다른 실험은 X선이 입자로 이루어져 있음을 나타냈다. 이 이중성은 X선에 국한된 것이 아니며 사실은 모든 형태의 에너지와 물질의 일반적인 특성이다. X선은(그리고 전자기복사의 다른 형태도) 입자와 파동으로 생각해야 하며 양자, 즉 광자라고 불리는 전자기파의 작은 다발로 이루어져 있다고 보아야 한다.


파동으로서의 X선

고전 전자기 이론에 따르면 전자의 감속은 전파 안테나에서 가속된 전자가 전파를 발생시키는 것과 같이 전자기복사를 생성한다. 자기장이 X선을 편향시키지 못하는 것은 X선의 본질에 대한 이 고전적인 이론을 뒷받침하는 것으로 보인다. 파동이 존재한다는 결정적인 증거는 파동의 중첩원리에 의존하는 회절과 간섭현상을 관찰하여 알 수 있다. 그외에 편광효과가 관찰되면 파동이 횡파(진행방향에 대해 수직으로 진동함)라는 것이 증명된다. 이러한 효과들은 빛의 경우 X선이 발견된 1895년에 이미 잘 알려져 있었지만, 뢴트겐의 초기 실험에서의 이런 성질들이 X선에서는 발견되지 않았다.

1906년 영국의 물리학자인 찰스 글로버 바클라는 X선이 탄소 덩어리에 의해 어떤 방향으로 산란될 때 편광된다는 사실을 증명했다. 이 실험으로부터 X선은 파장만 다르고 빛과 똑같은 성질을 가진 횡파인 전자기파처럼 보였다. 많은 과학자들이 X선을 좁은 슬릿으로 통과시켜 회절무늬를 찾아 파동성을 보려고 시도했으며 이런 시도를 통해 X선의 파장이 약 1Å 정도인 증거가 나타났다. 1912년에 독일의 물리학자인 막스 폰 라우에는 X선의 파장을 측정하는 방법을 고안했다. 라우에는 결정 내에서 원자들이 약 1Å(10－10m)의 간격으로 규칙적으로 배열되어 있다는 사실을 이용하여 단결정의 원자들이 X선 회절의 원인이 되는 격자역할을 할 것으로 결론지었다. 라우에의 동료들은 가는 X선 빔을 황화아연의 결정에 향하게 하고 그 뒤에 사진건판을 두었다. 그결과 생긴 사진은 중앙의 어두운 점과 복잡하지만 대칭적인 무늬의 점들로 이루어졌다. 중앙의 점은 결정을 직접 통과하는 X선으로 말미암은 것이며, 반면에 주위의 점들은 황화아연 결정의 원자들로부터 회절하여 생긴 것이었다. 이 실험은 X선이 1Å 정도의 파장을 갖는 파동임을 증명했으며 또한 결정은 규칙적인 격자구조로 배열된 원자들을 지닌다는 것을 확인했다.

라우에의 실험 직후, 영국의 물리학자인 윌리엄 로렌스 브래그는 X선을 회절시키기 위한 또다른 기술을 개발했다. X선이 결정격자들의 원자들에 의해 어떻게 산란되는가를 고려함으로써, 그는 파장 λ의 X선을 결정격자면 사이의 간격이 d인 결정의 격자면에 대해 각도 θ로 조사할 때, 회절차수(回折次數)라고 불리는 정수 n과 파장의 곱이 격자면 간격과 회절각도를 곱한 값의 2배(nλ=2dsinθ)와 같으면 보강간섭이 일어난다고 결론지었다. 위의 방정식은 브래그 법칙이라고 알려져 있으며 X선 결정-회절 분광계의 기본이 된다. 이 이론을 이용하여 브래그는 검출기 안에서 각도의 함수로 이온화의 강도분포를 구했다. 이 분포는 X선이 표적물질의 특성을 나타내는 선 스펙트럼과 연속 스펙트럼의 2가지 형태로 이루어져 있음을 보여주었다. 브래그는 결정격자의 기하로부터 얻은 결정간격 d와 결정의 밀도, 그리고 단원자의 질량으로부터 특성 X선의 파장을 계산하고 이 파장이 흡수체의 원자량에 대략 역제곱으로 비례하여 변한다는 것을 보였다. 이 실험은 단파장의 X선이 장파장의 X선보다 덜 흡수된다는 사실을 이용하여 강도의 최고 값을 나타내는 두 영역을 발견한 바클라의 초기 결과를 확인했다. 1911년에 바클라는 장파장 쪽의 최대값을 L계열이라 하고 단파장쪽의 최대값을 K계열이라고 명했다.

1923년에 X선이 유리의 연마된 표면으로부터 반사된다는 것이 미국의 물리학자인 아서 홀리 콤프턴에 의해서 증명되었다. 그는 10분(10') 이하의 각도에서 강한 반사 빔이 거울반사법칙의 예측되는 방향에서 관측된다는 것을 알아냈다. X선의 파동성을 나타내는 마지막 증거인 눈금격자에 의한 회절이 1925년에 관측되었다. 눈금격자의 눈금간격은 정확히 알 수 있기 때문에 이 방법은 X선 파장의 절대값을 구하는 데 사용되었다.


입자로서의 X선

X선의 입자성은 광전효과와 콤프턴 효과에서 도식적으로 증명된다. 흑체(이론적으로 완전히 무반사, 즉 완전한 흡수체) 복사를 설명하기 위해서 막스 플랑크는 ν가 복사의 진동수이고 h가 상수(현재 플랑크 상수로 불림)인 hν로 주어지는 에너지를 가진 작은 덩어리인 양자로 복사된다는 것을 가정했다. 플랑크의 가정은 흑체복사를 설명한 것 외에 알베르트 아인슈타인의 광전효과 설명에 중요한 역할을 했다. 광전효과에서는 흡수된 전자기복사가 흡수체로부터 전자를 방출시킨다. 아인슈타인의 광전방정식에 의하면 방출된 전자의 운동 에너지 Ek는 입사광자의 에너지 hν에서 시료 밖으로 전자를 방출하는 데 필요한 일 W0를 뺀 값과 같다. 즉

Ek=hv-W0

이 방정식은 처음에는 금속표면에 흡수된 광자에 대해서 유도되었지만, W0가 원자의 속박상태에서 전자를 방출시키는 데 필요한 일일 경우 X선 광자에 대해서도 성립한다.

X선의 입자성을 증명하는 일련의 실험 중 2번째는 1922~23년에 콤프턴에 의해 행해졌다. 그는 X선 분광계를 사용하여 가벼운 원소로부터 산란된 X선의 파장을 측정했다. 그는 1차 선속과 같은 파장을 갖는 산란된 X선 외에 장파장 쪽에서 2번째 또는 '변경된' 피크(peak)를 발견했다. 이 2번째 피크의 강도와 파장은 시료로부터의 산란각의 함수였다. 현재 콤프턴 효과로 알려져 있는 이 효과는 콤프턴이 설명했으며, 네덜란드의 과학자인 피터 드베이어에 의해서도 독자적으로 설명되었다. 그들은 1차적인 X선 광자가 서로 다른 질량을 갖는 2개의 매끄러운 탄성체 공들의 충돌과 유사한 방법으로 산란물질 내에서 전자와 충돌하는 작은 공으로 간주될 수 있다고 제안했다. 광자는 그후 되튐전자에게 그 에너지의 일부를 잃으며 더 긴 파장의 광자로 된다. 그들은 에너지와 운동량(질량과 속도의 곱)의 보존법칙이 광자와 전자 사이의 충돌에서 성립한다고 가정함으로써 더 높은 피크를 나타내는 산란 X선의 파장변이를 유도할 수 있었다.


X선의 검출과 측정

X선은 강도와 분광(에너지) 분포로 특성을 나타내며, 이들 특성을 측정하는 많은 방법들이 개발되었다. X선을 검출하는 데는 일반적으로 2가지 방법이 있다. 첫번째 방법은 X선이 사진 감광유제(減光乳劑)에서 광화학 변화를 일으키는 것을 이용한 것이다. 필름의 흑화(黑化)는 노출과 관련되며, X선의 강도와 노출시간의 길이와의 곱으로 정의된다. 필름에서 흑화의 위치와 정도는 광학적 방법으로 결정된다.

X선을 검출하는 2번째 방법은 X선이 기체나 고체를 이온화시키거나 결정 내에서 형광을 만들어낼 수 있다는 사실에 의존한다. 이들 현상을 이용하는 검출기를 전자검출기라고 부른다. 전자검출기는 이온화상자·섬광계수기·고체검출기 등 다양한 형태들이 있다. 이 장치들은 각 흡수된 광자에 대해 전압신호를 발생한다. 전압신호의 개수를 셈으로써 광자의 수를 알 수 있다. 게다가 모든 장치들로부터 나오는 전압신호는 분광학적 분포를 얻기 위해 신호들의 개수를 세고 그들의 에너지에 따라 분류하는 전자장비인 파고분석기(波高分析器)에 연결하여 쓸 수 있다. 여기에 소개된 각종 계수기들은 X선 회절분광계의 검출기로서도 사용되었다. X선 분광계는 기본적으로 X선 생성원·회절시료·검출계로 이루어져 있다. 이미 파장을 알고 있는 X선을 사용하면 결정구조(結晶構造)를 연구하는 데 쓰일 수 있다. 또 알려진 구조의 회절결정을 사용하면 X선 분광계는 X선 스펙트럼을 측정하는 데 쓰일 수도 있다.


X선의 응용

X선의 여러 다양한 특성 때문에 X선은 의학·산업·과학 등 여러 분야에서 응용되었다. 이들 중에는 미분적 흡수, 흡수의 정량적인 측정, 결정에 의한 회절, 특성 복사의 형광, X선에 의해 생긴 생물학적 효과 등이 있다. X선이 최초에 응용되었던 분야는 의학이었으며 진단과 치료에 사용되었다(→ 치료학). 진단학은 골절, 체내의 이물질, 충치, 암 같은 병든 상태의 조직을 검사하는 것이다. 반면 치료요법에서 X선은 악성종양이 퍼지는 것을 막는 데 쓰인다. 산업에서 X선 방사사진은 주조물 내의 결함을 비파괴적으로 검사하는 데 이용되며 물질의 두께를 측정하는 데 쓰인다. X선은 물질의 특성을 양적으로 분석하는 문제에 광범위하게 응용된다. 구성비를 알고 있는 시료의 흡수량을 정량적으로 측정함으로써 두께를 알 수 있다. 반대로 시료의 두께를 안다면 X선 흡수는 그 물질이 2개의 원소를 포함할 경우 그 구성비를 정확히 측정하는 데 쓰일 수 있다.

시료로부터 나오는 X선의 형광은 물질의 정량 및 정성 분석을 하는 여러 종류의 계측장치에 이용된다. 1차 빔은 X선·감마선·전자 또는 다른 하전입자일 수 있다. 형광 X선의 에너지는 시료 내에 있는 물질의 특성을 나타낸다. 적당한 표준시료를 사용하면 정량적인 결정이 가능하다. 이 원리는 전자 미세 탐침(electron microprobe)에 사용되는데, 이는 좁은 전자 빔(지름 약 0.0001cm)을 이용하여 시료의 주어진 영역에서 구성원소들을 알아내는 것이다. X선은 시료의 전자분포에 대한 '그림'을 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscopy)에도 쓰인다. 또 실리콘(리튬)다이오드 검출기는 빠른 물질 판별을 위한 에너지 분석검출기로 쓰이기 위해 형광생성원과 결합할 수 있다.

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