[작성자:] snowall

엑스선을 만들기 위해서는 간단히 두가지 방법이 있는데, 하나는 전자를 급하게 가속시키는 것이고 다른 하나는 원자가 가진 전자 중에 가장 안쪽에 있는 전자를 떼어내는 것이다. 전자기학으로부터 알려진 사실중 하나는 속도가 변하는 하전입자는 가속도에 수직인 방향으로 전자기파를 방출한다는 점이다.

전자를 급하게 가속시키는 방법은 주로 두가지 방법이 있는데 가장 흔하게 쓰이는 방법은 빠르게 달리는 전자를 금속판에 충돌시켜서 급격히 멈춰 세우는 것이다.



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이것은 제동복사(Bremstrahlung)라고 하는데, 흔히 정형외과 병원에서 볼 수 있는 엑스선 방전관이 이 원리를 사용하여 엑스선을 만든다. 다른 하나는 빠르게 달리는 전자의 방향을 바꾸는 것이다. 알다시피 등속 원운동은 가속운동이다. 몰랐으면 지금부터 알아두자.



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전자의 방향을 바꾸는 방법은 자기장을 통과시키거나 전기장을 통과시키면 되는데, 그중 좀 더 편리한 쪽은 자기장을 통과시키는 쪽이다. 전기장을 사용해서 속력을 빠르게 하고 자기장을 통과시켜서 빛을 얻어내는 방법이 흔히 쓰인다. 이 방법을 사용한 엑스선 발생장치가 바로 포항에 있는 가속기이다. 이 방식으로 얻어지는 엑스선을 싱크로트론 복사(Synchrotron Radiation)라고 부르는데, 여기서 나오는 빛은 제동복사로부터 얻어지는 빛과 구별할 수 있는 조금 특별한 특징이 있다. 고등학교 다니면 배우는 지식중의 하나가 빛은 횡파라는 점이다. 횡파란, 진행방향과 진동방향이 수직인 빛이다. 빛은 여러 종류의 파동 중에 종파 성분이 전혀 없는 유일한 파동이다.



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우리가 사는 공간은 방향이 3개가 있는데, 그중 진행 방향을 빼면 2개의 방향이 남는다. 그럼 빛이 진동할 수 있는 방향은 2개 방향 성분을 조합한 매우 다양한 방향이 가능하다. 횡파에서 진동할 수 있는 방향을 편광이라고 부르고, 아무 방향으로나 진동하는 빛은 편광되지 않은 빛이라고 부른다. 앞서 얘기한 제동 복사로부터 나오는 엑스선은 편광되지 않은 빛이다. 그러나 싱크로트론 복사에서 나오는 엑스선은 정확히 회전 면에 평행한 방향으로 방출된다. 한쪽 방향으로만 진동하는 빛을 편광된 빛이라고 부른다.



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편광된 엑스선을 사용하면 방향성을 가진 현상을 조사할 수 있다. 싱크로트론 복사가 중요한 또다른 물리 현상중 하나는 중성자별이다. 중성자별은 말 그대로 중성자로 가득찬 별인데, 중성자는 전하를 갖고 있지 않지만 자기장을 갖고 있어서 중성자별은 매우 강력한 자기장을 그 주변에 펼치고 있다. 만약 이 강력한 자기장 안에 빠른 속도로 돌아다니는 전자가 진입하면 앞서 말했듯이 자기장 때문에 계속해서 빙빙 돌게 되고, 그 결과 싱크로트론 복사가 방출된다. 이 싱크로트론 복사는 중성자별의 자기장 방향에 수직인 방향으로 방출되고, 만약 회전하는 중성자별의 회전축이 자기장의 축과 다른 방향이라면 싱크로트론 복사는 계속해서 방향을 바꾸게 된다. 마치 계속해서 빛을 방출하지만 배에서 보기에는 깜빡이는 등대처럼 이런 별은 깜빡거리는 싱크로트론 복사를 방출한다. 이런 중성자별을 천문학자들은 펄서(Pulsar)라고 한다. 펄서에 대해서도 재밌는 얘기들이 많지만 지금은 방사선 시간이므로 다음에 하도록 하자.

전기장과 자기장을 적절히 조합하면 입자의 속도와 가속도를 마음대로 조절할 수 있으므로 가속으로부터 방출되는 엑스선은그 파장이 다양하게 변한다. 이것을 연속 엑스선이라고 부르는데, 불연속 엑스선도 있다. 물론 불연속 엑스선에는 특성 엑스선(Characteristic X-ray)이라는 멋진 이름이 붙어 있다. 특성 엑스선은 원자의 스펙트럼 중, 가장 안쪽 껍질로 전자가 추락하면서 방출된다.물론 웬만해서는 그런 일이 벌어지지 않는데, 몇가지 경우가 있다. 앞서 얘기한 제동복사에서, 전자가 멈출 때 그냥 멈추지 못하고 다른 전자를 때리면서 마치 당구공 치듯이 빗겨가는 경우가 있다. 즉, 만약 정면충돌해서 하나가 튕겨나갔다면 하나가 그자리에 그대로 있기 때문에 그냥 지나간 것 처럼 보이지만, 옆으로 살짝 각도를 줘서 스쳐지나가면 하나가 튕겨나가지만 다른 하나도 여전히 튕겨나가므로 빈자리가 생기게 된다.



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그럼 그 빈자리가 안쪽에 있는 경우, 그곳으로 바깥에 있던 전자가 떨어지면 엑스선이 나온다. 다른 경우는, 핵 변환 중 전자포획(Electron Capture)이라는 현상이 벌어지는 경우이다. 중성자가 양성자보다 조금 무겁기 때문에, 보통의 경우에는 중성자가 양성자와 전자 중성미자와 전자로 붕괴한다. 그런데, 어떤 경우에는 양성자가 전자와 충돌해서 전자 중성미자를 방출하고 중성자로 변하는 경우가 있다. 이 경우, 핵에서 가장 가까운 녀석이 끌려들어가기 때문에



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가장 안쪽에 빈자리가 생긴다. 이렇게 해서도 특성 엑스선이 방출된다.

특성 엑스선의 특징은 파장이 정해져 있다는 점이다. 따라서 파장을 알고 다른 물리적인 현상을 조사할 때 유용하게 사용할 수 있다.

그 외에도 고차조화파 발생으로부터 엑스선을 만들 수도 있는데, 이건 나도 잘 모르므로 넘어가도록 하자. 또한, 초고출력 레이저를 이용해서 엑스선 레이저를 발생시키는 것도 있는데, 역시 잘 모른다.

사실 엑스선은 가장 먼저 방사선으로 인식된 녀석이라 연구가 많이 되어 있다. 어느정도는 물질을 통과하고 어느정도는 물질에 흡수되기 때문에 물질의 특성을 조사하는데 널리 사용된다.(그런 특징 때문에 뼈의 골절 검사에도 사용된다는 점.) 그리고 파장이 짧아서 원자 수준의 특징을 알 수 있다. 가령, DNA의 이중 나선형 구조를 밝혀내는데 엑스선 분광학이 결정적인 역할을 했다.



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자외선은 인체에 쬐였을 때 깊이 침투하지 못하기 때문에 체내에 큰 영향을 주지는 않는다. 그래서 가장 취약한 부위가 피부이고 자외선을 많이 받으면 피부암에 걸릴 가능성이 높아진다. 그러나 엑스선은 깊이 침투하기 때문에 엑스선을 많이 받으면 몸 안쪽에 암이 발생할 가능성이 높아진다. 그러나, 우리가 “화학”이라고 부르는 현상의 거의 대부분은 원자의 가장 바깥쪽 전자와 관련이 많고, 엑스선은 가장 안쪽 전자와 관련이 많기 때문에 화학적으로 아주 큰 영향을 주지는 않는다. 아무튼, CT촬영이나 골절 진단을 위한 엑스선 촬영 등은 1년간 수십번을 받아도 이상이 생길 만큼 많이 받지는 않으므로 안심해도 된다. 수백번 받으면 조금 위험할 것 같긴 하지만.

다음에는 감마선을…

알다시피, 방사선이 다른 물질과 상호작용하는 방식은 두가지이다. 하나는 전자기적인 상호작용이고, 다른 하나는 핵력에 의한 상호작용이다. 전자기적인 상호작용은 화학적인 방식으로 작용하고, 핵력에 의한 상호작용은 핵의 종류를 바꾸는데 그 결과 물질의 화학적인 조성이 달라질 수 있다.

방사선의 종류는 크게 네가지로 나눌 수 있는데, 빛, 전자, 핵자, 중성자이다.

빛에서 방사선이라고 한다면 보통 자외선, 엑스선, 감마선을 말한다. 물론, 우리가 잘 알고 있는 “전자기파”이며 “빛”과 같은 특성을 갖는다. 하지만 파장이 짧은 영역에 한정하여 방사선이라는 이름을 붙인다. 자외선은 방사선 중에서는 파장이 긴 편에 속하고, 보통은 원자나 분자의 가장 바깥쪽에 있는 전자를 떼어내는 정도의 영향을 미친다. 물론 이것만으로도 세포 내부에 있는 DNA의 구조가 깨진다거나 단백질이 변성된다거나 하기 때문에 세포의 생명활동에 치명적인 영향을 분다. 자외선 살균기가 대표적인 응용 분야이며, 남자들이 좋아하는 해변에서 썬탠하는 여성들도 자외선을 활용하는 것이다. 물론 많이 쬐면 DNA와 단백질의 구조가 많이 깨지기 때문에 피부암이나 눈에 백내장의 위험이 높아진다는 점을 유의해야 한다. 우리 실험실에서 일하시는 분들 중에도 레이저에 의해 발생되는 2차적인 자외선 때문에 수정체의 혼탁도가 높아져서 백내장의 위험도가 높은 분이 몇분 있다. 그리고 자외선은 반도체 제조 공정에서 자주 사용되는데, 반도체에 아주 미세한 회로를 새겨 넣을 때 자외선으로 쪼여서 새겨넣는다. 최근 어딘가의 반도체 회사에서 20나노미터 공정이 개발되었다는 소식을 들은 것 같은데,



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그 말은 곧 파장이 20나노미터보다 짧은 빛을 사용하고 있다는 뜻이다. 빛의 회절 현상 때문에 파장보다 더 작은 회로는 새길 수 없기 때문이다. 아무튼 자외선은 방사선 중에서 가장 친숙하고 주변에서 흔히 마주치는, 어쩌면 방사선같지 않다고 느껴지는 녀석이다. 주의할 점은, 자외선 컵 살균 소독기 중에 고장난 것들은 문이 열렸을 때 자외선 전등이 꺼지지 않는 경우가 있는데, 자외선 전등을 눈으로 직접 바라보지 않는 것이 좋다. 자외선 전등을 직접 바라보는 것은 태양을 직접 바라보는 것과 비슷한 효과를 갖는다. 태양을 직접 바라볼 때는 “밝다”는 느낌이 있기 때문에 홍채가 작아지기라도 하지만, 자외선 전등은 그런 느낌도 없어서 홍채가 열린 상태에서 자외선을 받게 된다. 한두번 정도야 괜찮겠지만, 자외선을 눈에 많이 쪼여서 좋은 영향이 있기를 기대하는 것은 어려우므로 눈을 감거나 다른 곳을 보거나 하자. 불이 꺼진다면 괜찮다. 물론 그정도의 자외선은 피부에 쪼이는 건 별 영향이 없으므로 뭘 꺼낼 때 안심하고 꺼내도 된다.

친구가 불러서 잠시 중단. -_-; 엑스선은 다음 시간에…

우선, 요오드 성분이 많이 함유된 해조류를 추천하는 이유는 다음과 같다. 일본에서 유출된 방사성 물질 중 하나가 방사성 요오드인데, 요오드 자체의 생화학적 특성 때문에 인체에 흡수되면 갑상선에 주로 모이게 된다. 따라서 갑상선이 방사선에 노출되면서 안좋은 영향을 미친다. 이런 상황을 방지하기 위하여 방사성을 갖지 않는 요오드를 많이 먹으면 방사성 요오드의 흡수를 방해하여 우리 몸에 안좋은 영향을 주지 않는다는 것이다. 그러나 그럴 필요가 없는 이유는 양 때문이다.

방사선에 피폭되지 않았는데 요오드를 많이 먹는 것은 위험하다. 요오드 자체가 갑상선에 주는 영향이 있고, 갑상선에 있는 요오드의 양이 적정 수준일 때 갑상선이 제기능을 한다. 방사성 요오드의 흡수를 막으려면 방사성 요오드가 체내에 들어오기 전에 요오드를 먹는 것은 아무 의미가 없다. 체내에 들어온 후에 흡수되기 전 대량의 요오드를 투여하여 방사성 요오드의 흡수를 방해하는 것이 효과적이다. 따라서, 방사선 피폭의 예방을 위해 요오드를 섭취하는 것은 멍청한 짓이다. (멍청하다는 표현에 부족함이 없을 정도로 멍청한 짓이다.) 사실 피폭 예방이란 다른데로 피해 있는 것이지 음식을 먹어서 조절할 수 있는 것이 아니다. 물론 해조류는 몸에 좋은 여러가지 영양소를 갖고 있으므로 먹지 말라는 뜻이 아니다. 단지, 방사선의 위험을 걱정하여 일부러 더 먹을 필요가 없다는 뜻이다.

만약, 방사성 요오드가 이미 체내에 들어와서 흡수되기 시작했다면? 그 경우에는 요오드가 많이 함유된 해조류가 도움이 되지 않을까? 그러나 해조류에 포함된 요오드는 방사성 요오드의 흡수를 방해하는데에는 많이 부족하다. 해조류만으로 배부를 정도로 먹어야 필요한 양 만큼 섭취할 수 있을 것이다. 게다가, 음식으로 먹는 경우에는 정확한 양만큼 섭취하기 힘들기 때문에 필요 이상으로 과다 섭취할 수도 있다. 따라서, 실제로 피폭이 일어난 후에 의사의 지시에 따라 요오드 제제를 복용하거나 음식으로 먹는 것이 더 안전하다.

방사선 요오드에 대해서는 다음의 글을 읽어 보는 것이 좋을 것 같다.

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