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박사 학위의 의미는, 공부할 줄 아는 사람이라는 뜻이라고 생각한다. 물론 박사 학위가 없다고 공부할 줄 모르는 사람이라는 뜻은 아니다.



<sup>[각주:

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http://arxiv.org/abs/1101.4134

정식 논문 주소는 다음과 같다.


http://prd.aps.org/abstract/PRD/v83/i5/e056013

Physical Review D에 투고했는데 통과되었다고 한다.

교수님 두분과 내가 쓴 거라 사실 내가 기여한 비중이 크지는 않지만, 그래도 좋은 학술지에 실리는 거니까 기분 좋다.

http://tes.or.kr/bbs/board.php?board=tes1&command=body&no=798&&category=6

안개상자라…

만들면 재밌을 것 같은데…

나중에 시간 나면 한번 해봐야지.

첫번째 글에서 빼먹고 소개하지 않은 방사선이 하나 있다. 바로 알파선이다. 전자로 이루어진 베타선과 광자로 이루어진 감마선이 있으니 당연히 그 앞에 알파선이 있었어야 한다.

알파선의 정체는 헬륨 원자핵이다. 헬륨은 원자번호 2번, 통상적으로 질량수는 4인 원자이다. 수소 다음으로 가볍고 기체이기 때문에 풍선에 많이 넣는다. 물론 이건 방사선으로서의 성질을 갖고 있지는 않다.

보통은, 알파붕괴를 하는 입자들이 원자번호가 2개, 질량이 4개 줄어들면서 알파선이 방출된다. 알파선은 베타선보다 대략 8000배 정도 무겁다. 따라서 우리 몸에 미치는 영향도 엄청나다. 손가락 하나로 찌르는 것과 주먹으로 때리는 것의 차이랄까. 다행인 점은, 알파선은 무거운만큼 차단시키기도 쉽다. 그냥 종이 한장으로도 웬만해서는 다 막힌다. 따라서, 알파선은 옷만 입고 있어도 문제가 없고, 피부에 맞더라도 열심히 때를 벗겨내면 괜찮은 수준이다. 단, 알파선을 방출하는 동위원소를 모르고 먹었다면 문제가 심각해 진다. 이건 핵폭탄을 뱃속에 넣었다고 보면 된다. 내장은 피부와 다르게 연약하기 때문에 알파선이 파괴하게 되면 피해가 막심하다. 먹지는 말자.

알게모르게 우리 생활에 깊숙히 이용되고 있는 방사선이 알파선이다. 화재경보기에는 방사성 동위원소 중 하나인 아메리슘이 들어간다. 아메리슘의 아메리- 는 바로 그 아메리-다.

화재경보기에는 아메리슘이 들어가 있는데, 아메리슘 조각과 전극 사이에 약간의 거리가 있다. 아메리슘에서 일정 비율로 알파선이 방출되기 때문에 계속해서 전류가 흐른다. 간단히 말해서, 연기 때문에 알파선이 제 갈길을 못가면 전류가 약해지고, 약해진 전류를 감지해서 경보를 낸다. 화재경보기는 온도를 감지하는 것이 아니라 연기를 감지한다는 점을 알아두자.

아무튼, 그 외에 알파선이 활용되는 분야는 다양하겠지만 나는 잘 모르겠다.

입자 가속기에서는 알파선을 주로 가속시키지는 않는다. 일단 헬륨 자체가 화학적으로 안정적이기 때문에 다른데 붙이기도 어렵고, 뭘 하기가 힘들다. 수소나 리튬같은 비슷한 원자로도 충분히 실험을 할 수 있으므로 매력적인 입자는 아니다.

헬륨이 매력적인 이유는 방사선과 전혀 관련 없는, 헬륨3과 헬륨 4의 이상한 성질 때문이다. 바로 “초유체(Superfluid)”현상인데, 내가 그것에 관한 얘기를 수업에서 들은지 벌써 5년이 지났다는 사실이 기억나는 바람에 그것에 관한 이야기는 기억에서 사라졌다. 초유체 얘기는 언젠가 하게 될 날이 올 것 같다.

알파선을 방출하는 원자는 겁낼 필요가 없다. 옷만 입고 있으면 된다. 예쁘다고 가까이 들여다보지는 말고. 또한 먹지도 말고.

다른 글들도 내용이 보강되면 새로 갱신할 계획이다. 내용이 부실하다고 완성될 때 까지 기다리다간 아무것도 쓸 수 없다.

중성자는 물질 입자(fermion)지만 중성이라서 뭔가 특이하다. 일단, 대전된 입자에서 보이는 브래그 피크 현상이 없다. 브래그 피크는 하전입자가 물질 속을 통과할 때, 특정 깊이에서 완전히 흡수되는 현상을 말한다. 특정 깊이는 에너지에 따라 달라지는데, 에너지가 클수록 깊어진다. 중성자는 빛과 마찬가지로 지수함수적으로 감소하는 특징을 보인다. 흡수율이 지수함수적으로 감소하는 특징은 예전에 쓴 글에서 얘기한 적이 있다.


http://snowall.tistory.com/1619

아무튼 중성자는 빛도 아니고 하전입자도 아니기 때문에, 매우 독특한 피폭 특징을 갖는다. 우선, 깊이 침투한다. 아무리 에너지가 낮더라도 같은 에너지의 양성자보다 깊이 들어간다. 우리 몸에서도 피부는 그나마 자외선같은 방사선에 항상 노출되기 때문에 회복이 빠르다. 그리고 계속 벗겨지므로 어느정도 피폭은 문제가 되지 않는다. 하지만 중성자는 그걸 무시하고 깊이 들어가서 내장을 피폭시키므로 문제가 된다. 또한, 중성자는 원자의 핵종 자체를 바꿀 수가 있다. 에너지가 작다고 하더라도 전자기력의 영향을 받지 않으므로 핵 근처에 가서 핵과 달라붙거나, 핵을 깨트릴 수 있게 되는데, 그 결과 2차적인 방사선이 방출된다. 그리고 화학 결합 자체가 달라지므로 분자 구조가 망가지게 된다. 만약 그 망가지는 분자가 DNA거나 세포의 다른 중요한 단백질이라면, 무시할 수 없는 영향을 주게 된다.

그래서 중성자 폭탄은 한때 매우 깨끗한 폭탄이라고 부르기도 했다. 핵폭탄을 만들면서, 핵폭탄의 껍데기에 방사선을 받고 중성자를 많이 방출하는 물질로 싸면 중성자 폭탄이 완성된다. 그럼 중성자탄이 투하되면 그 자리에는 대량의 중성자가 방출되는데, 앞서 말했듯이 중성자는 건물 벽을 쉽게 뚫고 지나갈 수 있기 때문에 피할 방법이 없다. 그냥 핵폭탄이라면, 중성자 말고도 다른 종류의 방사선으로도 에너지가 많이 방출되므로 건물 안에 있으면 그나마 조금 나을 수도 있지만, 중성자탄의 폭격에서는 피할 장소가 없다. 그럼 중성자는 영향을 받는 장소 전체의 생명을 없앤다. 이른바, “멸균”이라고 부를 수 있는 것이다. 인간은 물론이고 세균 1마리도 살아남기 힘든 장소가 된다. 물론 폭발 자체가 강력한 것은 아니기 때문에 건물에는 영향이 없다. 정확히 그라운드 제로



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의 근처가 아닌 한 대부분의 건물은 그대로 살아남는다. 그리고 중성자의 반감기는 대략 13분이다. 13분정도 후면 중성자 자체는 모두 사라진다고 봐도 된다. 물론, 다른 핵이랑 결합해서 방사선이 계속 방출되기는 하겠지만, 그 양은 크지 않을 것이다. 따라서 투하 후 대략 1시간 정도 후에 걸어 들어가서 깃발 꽂으면 된다. 물론 집집마다 쓰러져 있는 시체 치우는 삽질을 해야겠지만…



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이번에 일본 원자력 발전소의 사고 현장 근처에서 중성자가 검출되었다고 해서 엄청 난리가 났던 것도 이와 같은 특징 때문이다. 다른 방사선은 일단 옷 입으면 저에너지 방사선은 막을 수 있다. 그러나 중성자는 에너지에 상관 없이 막을 방법이 없다. 중성자를 차단하려면 핵력으로 차단해야 하는데, 당구와 볼링을 쳐본 사람은 잘 알겠지만 큰 덩어리에 작은 덩어리가 부딪치면 에너지가 거의 교환되지 않는다. 질량이 비슷해야 에너지를 잘 잃어버리는데, 중성자와 질량이 비슷한 것은 알다시피 양성자 뿐이다. 따라서, 수소가 많아야 중성자를 멈출 수 있다. 그리고… 우리 몸의 70%는 물이다. 수소가 많이 함유되어 있다는 바로 그 물.

따라서 중성자의 습격을 피하려면 수영장이나 바닷물에 들어가 있으면 된다. 그럼 중성자는 많이 산란되어 인체에 도달하기 힘들어 진다. 물론 중성자 피하려다가 익사하는 일은 없도록 주의해야겠지만.

원자번호가 5번인 붕소는 우리가 “백반”이나 “명반”이라고 부르는 물질에 많이 들어 있다.



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그리고 붕소는 중성자를 잘 흡수한다. 따라서 핵반응을 조절할 때 사용하는 물질이다. 붕소가 왜 중성자를 잘 흡수하느냐는 묻지 말자. 길어진다.

다만, 붕소가 중성자를 막아준다는 것이 몸에 좋다는 뜻은 아니다. 함부로 먹지 말자.

아무튼, 이 중성자는 핵변환을 잘 시켜준다는 특징이 있기 때문에, 방사성 동위원소를 만드는데 사용할 수 있다. 그리고 옛날에는 방사선 치료에도 쓰였다고 한다. 물론, 주로 사용되는 곳은 원자력 발전소에서 핵분열의 연쇄반응을 일으키는데 사용된다.

사실 난 방사선이나 핵물리 전공자가 아니다. 그냥 물리학 학사학위를 받은 사람들보다 입자물리학에 대해서 조금 더 알고 있을 뿐이다.



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그러므로 그냥 아는대로 적고 있고, 궁금한 내용이나 틀린 내용은 댓글로 달아주면 보충하도록 하겠다.

전자는 우리가 “물질”이라고 부르는 페르미 입자 중에서 네번째로 가벼운 입자이다.



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전자 역시 빠른 속도로 달려가게 되면 다른 물질의 전자를 떼어내거나 충격을 줄 수 있기 때문에 화학 반응에 가담하게 되고, 따라서 고에너지 전자선은 방사선으로 취급된다.

맥스웰의 전자기학에 따르면, 전자를 가속시키는 방법은 두가지가 있다. 하나는 전기장이고, 다른 하나는 변화하는 자기장이다. 전기장을 이용해서 전자를 가속시키는 것이 선형 가속기이다. 선형 입자 가속기는 전자가 가는 길의 앞에는 +전위, 뒤에는 -전위가 되도록 계속해서 전기장의 방향을 바꿔준다. 선형 가속기의 장점은, 싱크로트론 복사로 잃어버리는 에너지가 적어서 효율적인 가속이 가능하다는 점이다. 단점은, 싱크로트론 복사가 안나온다는 거…

변화하는 자기장을 이용한 가속은 레이저를 사용한 가속인데, 이건 사실 강한 전기장과 강한 자기장으로 휙 밀어버리는 것과 같다. 이 내용을 다루려면 따로 긴 글을 써야 하므로 자세한 내용은 생략한다.

또는, 방사성 핵종이 붕괴할 때 베타 붕괴를 하면 전자가 방출된다. 베타 붕괴란 중성자가 양성자와 전자와 전자 중성미자로 붕괴하는 경우인데, 이때 전자가 튀어나오는 것이다.

전자는 다 똑같으므로 이놈이나 저놈이나 고에너지 전자선이라면 비슷한 작용을 한다. 대표적으로 전자선을 사용하는 장치가 브라운관이다. 이른바 CRT(Cathod-ray tube)라고 부르는 그것인데, 쉽게 설명하자면 옛날옛날 LCD가 나오기 전에 널리 사용되던 모니터나 TV의 화면 표시 방식이다.

전자선은 물질을 잘 뚫고 지나가지를 못한다. 입자도 가볍고, 상대적으로 큰 전하를 띄고 있기 때문에(즉 비전하가 크다) 에너지가 크더라도 다른 물질과 상호작용을 잘 한다. 상호작용을 잘하면 결국 이리저리 잘 흩어진다는 뜻이다. 다시말해서, 몸에 맞게 되면 표면쪽에 큰 영향을 주고 깊은 곳에는 영향이 적다. 물론, 베타 붕괴를 하는 물질을 먹게 된다면 내부에서 피폭되므로 아주 안좋다.

전자선을 피하려면 일단은 옷을 두껍게 입으면 된다. 금속판을 대는 것이 좋긴 한데, 그럼 제동복사 때문에 엑스선이 방출되므로 더 안좋을 수 있다. 안전하게 하려면 일단 가장 겉에 옷을 두겁게 입고 안쪽에 금속 성분의 보호대를 착용하면 된다.

전자빔을 이용하면 화학 반응의 속도를 가속시킬 수 있는데, 그래서 나온게 이런 거다.


http://article.joinsmsn.com/news/article/article.asp?total_id=2791276&ctg=16



http://www.icons.or.kr/boards/view/cooper445/2977/page:1


전자빔으로 오/폐수의 독성과 악취를 줄인다고 한다.

시간이 없어서 다음 시간에…

이번엔 감마선에 대해서 알아보자. 감마선은 엑스선보다 더 파장이 짧은 빛이다. 아무튼 빛이다. 파장이 짧아서 빛의 입자성이 가장 잘 드러나는 빛이다. 빛이기 때문에 감마선을 만드는 방법 역시 두가지가 있는데, 하나는 전자를 가속시키는 것이고 하나는 핵의 에너지 준위를 떨어트리는 것이다. 그러나 전자를 가속시켜서 감마선을 만들려면 엽기적인 가속도가 필요하기 때문에 실용적이지 못하고, 보통은 핵의 에너지 준위를 떨어트려서 얻어낸다. 그럼, 핵의 에너지 준위란 무엇인가?

알다시피 핵은 양성자와 중성자들로 이루어진 녀석이다. 양성자와 중성자 사이에는 핵력이 존재하는데, 이것은 전자기력과 조금 비슷하다. 아무튼, 원자핵 주변에 전자 껍질이 있어서 전자들이 층층이 쌓여있듯이, 양성자와 중성자들도 원자핵 내부의 에너지 준위에 층층히 쌓여있는 형식으로 존재한다. 어떻게 보면, 물방울 같이 생각해도 된다. 물방울이 공중에 둥둥 떠 있는 경우, 물방울을 툭 건드리면 표면에 파동이 생기는데 그런 것들이 핵 내부의 에너지 준위랑 비슷하다고 볼 수 있겠다. 물론 근원은 다르지만.

핵 내부의 에너지 준위를 올리는 방법은 다른 핵자가 와서 때리거나, 내부적으로 핵이 붕괴하는 경우이다. 양성자나 중성자가 달려와서 핵을 때리면, 마치 퐁당퐁당 돌을 던지면 냇물이 퍼져서 나물을 씻는 누나의 손등을 간질여 주듯이 물결이 생기는데, 그 물결이 바로 에너지가 한칸 위로 올라가서 생긴 것이다. 또는, 불안정한 핵이 붕괴하면서 조금 안정적인 두세가지 종류의 핵으로 변할 때, 딸핵종이 완전히 바닥 상태로 내려가지 못하고 높은 에너지 준위에 머물러 있는 경우이다. 어느쪽이든, 핵 자체가 들뜬 상태이다. 핵이 들뜬 상태에서 바닥상태로 툭 떨어질 때, 그 바스락 거리는 소리가 감마선으로 방출된다.

감마선은 엑스선보다 파장이 짧아서 투과력이 더 좋다. 그리고 더 강력하다. 그래서 비파괴 검사나 암치료에 주로 사용된다. 비파괴 검사는 건축물을 위한 엑스선 촬영이라고 생각하면 된다. 내부를 들여다보고 싶은데 뜯어보면 안되는 경우, 한 편에 감마선을 방출하는 물질을 놓고 다른 편에 필름을 놓고 사진 찍듯이 잘 찍으면 된다. 그럼 벽이나 파이프에 균열이 있는지 멀쩡한지 알 수 있다. 물론 감마선은 빛이기 때문에 건축물의 결합에 큰 영향을 주지는 않고, 그것이 바로 비파괴 검사이다. 감마선이 암치료에 사용되는 이유는 투과력이 좋고 파괴력도 좋기 때문이다. 지나간 곳을 초토화시킨다고나 할까. 물론, 그렇게 초토화 되어버리면 멀쩡한 세포들도 영향을 받기 때문에, 돌려가면서 감마선을 쪼여준다. 그게 감마나이프 기법이다.



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감마선을 이용한 영상장비도 있는데, 그게 말로만 듣던 PET장비이다. PET는 양전자 방출 토모그래피(Positron emission tomography)의 약자이다. 양전자 방출인데 왜 감마선을 이용한 것이냐는 질문이 나올 것이다. PET에서는 양전자를 방출하는 방사성 동위원소를 약에 섞는다. 그리고 그 약을 사람이나 동물에 주사한다. 그럼, 약 성분에 따라 다르지만 특정 위치에 가서 약 성분이 모이게 되는데 그때부터 방사성 동위원소가 일을 한다. 방사성 동위원소에서 일어나는 과정중, 양전자 방출 과정은 양성자가 양전자와 중성자와 전자 중성미자를 방출하는 경우이다. 여기서 “붕괴”라는 말 대신에 “방출”이라는 표현을 쓴 것은, 양성자가 중성자보다 가볍기 때문에 위에서 아래로 내려가는 느낌의 붕괴 보다는 방출이 좀 더 어울리기 때문이다. 아무튼, 양성자 측면에서는 위로 올라가는 것이지만 핵 전체에서는 에너지가 낮아지는 효과가 있는 경우라서 이런 일이 발생한다. 그리고 여기서 방출된 양전자는 열심히 달려가다가 전자랑 만난다. 전자랑 만나면, 양전자는 전자의 반입자이므로 둘 다 우주에서 존재 자체가 사라지는 쌍소멸이 일어나는데



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이 과정에서 빛이 방출된다. 그리고 그때 나오는 빛이 감마선이다. 이 빛은 운동량 보존 법칙 때문에 정확히 반대 방향으로 나온다.



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따라서, 감마선 검출기를 한바퀴 빙 둘러놓고 빛이 동시에 들어온 검출기를 조사하면 빛이 어디서 나왔는지 알 수 있다. 그게 바로 PET의 원리이다.

감마선이 우주에서 날아오는 경우도 있는데, 초신성 폭발같은 특수한 상황에서는 엄청나게 많은 핵 변환이 일어나고, 따라서 흥분한 핵들로부터 대량의 감마선이 방출된다. 이것을 감마선 폭발GRB(Gamma-ray burst)이라고 한다. 물론 가까운 별이 초신성 폭발을 하지 않는 한 사람이 죽을 정도로 많이 쏟아지지는 않고, 심지어 그런 일이 있다 해도 일단 대기가 한번은 막아주기 때문에 걱정할 필요는 없다. 그리고 사람이 죽을 만큼 쏟아진다고 해도 지구 자체가 막아주는 것도 있어서 반대편은 사람이 살아있을 수 있다. 그런 일이 있을 때 당신이 어디에 있느냐는 복불복이므로 겸허히 받아들이도록 하자. 물론 초신성 폭발 자체가 보기 드문 현상이라 그 전에 다른 이유로 사망하겠지만.

물론 태양으로부터도 감마선이 나온다. 그러나 지구에 도달해서는 공기 때문에 많이 약해지므로 걱정할 필요 없다.

감마선이 위험한 경우는 감마선을 주로 방출하는 방사성 동위원소 근처에 있는 경우이다. 감마선 자체는 빛이기 때문에 거리의 제곱에 반비례해서 세기가 약해지고, 따라서 방출하는 원천이 근처에 없으면 안전하다. 그리고 감마선은 방사성 동위원소에서만 나온다고 보면 된다.

감마선은 뭔가 막을만한 방법이 별로 없다. 워낙 투과력이 좋아서 뭘로 막아도 안 막히기 때문이다. 납이나 철을 이용하면 막을 수 있긴 하다. 엑스선까지는 납으로 대면 다 막힌다고 보면 되는데, 감마선은 납으로 두껍게 대야 어느정도 약해지는 수준이다. 아무튼 감마선의 위협으로부터 벗어나는 가장 좋은 방법은 안 만나는 것이다.



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다음에는 전자…

질량 순서대로.