방사선

1) 방사선의 정의

방사선에 관한 지식을 정확히 이해하기 위해서는 정의부터 명확하게 알 필요가 있습니다.
방사선은 공간 및 물질을 통과하면서 에너지를 부여하여, 그 물질을 직접 또는 간접으로 전리하는 전자기파, 또는 운동에너지를 가진 입자선을 말합니다.

방사선이 물질에 입사하면 물질을 구성하는 원자와 상호작용하여 전리, 여기, 제동방사, 원자핵과의 탄성 및 비탄성충돌 등의 상호작용을 합니다.
전리는 궤도전자를 원자의 결합으로부터 자유롭게 하는 것을 말하며, 이때 전기적으로 중성이었던 원자는 양이온이 되고, 방출된 전자가 큰 에너지를 가지고 있는 경우에는 또다시 원자 또는 분자를 전리시키면서 점차 에너지를 잃고 중성인 원자나 분자에 붙어 음이온을 만듭니다. 일반적으로 전리하는 능력을 가진 방사선을 전리방사선이라고 하고 일반적으로 이 전리방사선을 방사선이라고 한다.
여기는 궤도전자를 좀 더 높은 에너지 상태로 올려놓는 것을 의미합니다. 자외선의 경우 여기 작용이 주로 일어나며 이처럼 전리 능력을 갖지 못한 방사선을 비전리 방사선이라고 합니다. 여기는 주로 최외각전자에게 에너지를 주어 더 바깥쪽의 궤도로 이동하게 하며 이동한 전자는 가시광선이나 열의 형태로 에너지를 방출하고 원래 상태로 되돌아온다. 원자핵과의 충돌은 알파입자와 같이 무거운 입자선에서는 중요하나 전자기파 방사선이나 전자와 같은 가벼운 입자선에서는 고려하지 않아도 됩니다. 그리고 전자와 같이 가벼운 입자는 원자핵 근처를 통과할 때, 원자핵의 전기적 인력에 의해 진로가 휘어지며 이때 제동방사선을 방출합니다.

2) 방사선의 분류
가) 형태에 따른 분류
자연방사선과 인공방사선으로 분류할 수 있습니다. 자연방사선에는 천연에 존재하는 칼륨과 우라늄, 토륨 및 이들이 붕괴하여 생긴 원소들이 있습니다.
이들은 적은 양이지만 우리 주위의 콘크리트와 토양 속에, 또한 우리 몸속에 이르기까지 존재하고 있다. 우주에서 쏟아지는 우주선이 있으며 1차 우주선의 87%는 투과력이 큰 양성자이고 12%는 알파입자, 나머지는 중입자입니다. 이 1차 우주선이 지구의 대기와 상호작용하면 공기를 구성하고 있는 산소, 질소의 원자핵과 핵반응을 일으켜 고에너지의 전자, 광자, 중성자 등을 만든다. 우리들이 지표면에서 받는 것은 2차 우주선입니다. 그 외에도 호흡하는 공기, 음식물 속에도 방사성물질이 포함되어 있습니다.
인공방사선에는 인간이 발명한 것으로서 의료용 방사선 발생장치나 핵분열생성물 등으로부터 방출되는 방사선이 있습니다.

나) 방사선의 전리 능력에 따라
전리방사선과 비전리방사선으로 분류할 수 있습니다.
전리는 중성인 원자로부터 전자를 떼어내는 것(이온화)을 말하며, 전리방사선은 다시 직접 전리 방사선과 간접전리방사선으로 분류됩니다. 직접전리방사선은 전기를 띠고 있어 물질 내에서 전자와 직접 충돌하여 전리를 일으킬 수 있는 입자선으로,

알파입자, 베타입자, 양성자선 등이 이에 속하며 간접전리방사선은 전기를 띄지 않는 중성자선이나 X선, 감마선으로서 이들은 물질 내에서 상호작용을 통해 2차적으로 생성된 입자(양성자, 전자)에 의해 전리를 일으킵니다.

다) 방사선의 물리적 성질에 따라
입자방사선과 전자기파방사선으로 분류할 수 있습니다.

-전자기파 방사선(전자기파의 에너지)
전자기파의 스펙트럼으로서 본질적으로는 모든 전자기파가 전기장과 자기장의 진동이라는 본질에 있어서는 동일하지만 주파수에 따라 다른 물리적 성질을 나타내는 여러 종류로 분류된다. 전자기파 중에서 에너지가 가장 낮은 것을 전파라고 하고 장파, AM 라디오 방송용 중파, FM 라디오 방송용 단파 등이 있습니다. 극초단파는 마이크로파라고도 합니다. 전파보다 에너지가 높은 것으로 적외선, 가시광선, 자외선이 있으며 가장 높은 에너지의 전자기파를 X선, 감마선까지를 모두 넓은 의미의 방사선이라고 부르기도 하지만 그 중 물질과 상호작용하여 전리시키는 능력을 가진 고에너지 전자기파인 x선 감마선만을 일반적으로 방사선으로 취급합니다.
전자기파의 에너지는 주파수에 비례하며, 파장에는 반비례합니다. 모든 전자기파의 속력은 전공에서 3*10^8m/s로 동일합니다. 파동이 속력은 주파수와 파장의 곱이므로, 주파수가 크면 전자기파의 파장은 짧아집니다.
전자기파는 공간 속에서 전파될 때는 파동으로서 행동하여 간섭, 회절, 편광 등의 현상을 나타내며, x선의 파동성을 증명하는 간섭무늬를 라우에 반점이라고 합니다.
한편 아인슈타인은 물질과 상호작용하는 전자기파는 그가 광자라고 부른 작은 알갱이로 행동하며 진동수를 가질 때의 에너지를 갖는다는 것을 증명하였습니다.
h는 플랭크 상수로서 6.6*10^-34J*s의 값을 가지며 자연계에 존재하는 기본상수로서 물질의 가장 작은 한계를 규정하였습니다. 빛의 파동성은 광전효과와 같은 상호작용을 설명할 수 없지만 간섭현상은 파동성을 입증하고 있습니다. 따라서 빛은 파동성과 입자성 두 가지 성질을 모두 가지고 있다고 할 수 있습니다.

-입자방사선(드브로이파동, 입자의 파동성)
입자방사선은 원자 또는 분자를 직접 또는 간접으로 전리시키기에 충분한 운동에너지를 가진 알파선,베타선 우주선, 전자선, 중선 자선 등을 말합니다. 따라서 전리를 일으킬 수 없는 정지상태 또는 저에너지 입자는 단지 입자일 뿐 입자방사선은 아닙니다. 입자방사선에는 전기를 띄고 있는 직접전리방사선과 전기를 띄지 않는 간접전리방사선이 있습니다.
한편 전자기파가 입자성을 갖는 것으로부터 드브로이는 물질 입자의 파동성을 제안하였습니다. 입자가 움직일 때 이를 인도하는 파동을 수반하여 드브로이파동 혹은 물질파라고 합니다. 드브로이파의 파장 λ는 다음식으로 주어집니다.

m은 물질 입자의 질량, v는 속도입니다. 이는 전자 선속을 이용하여 간섭무늬를 얻음으로써, 질량을 가진 물체가 파동처럼 행동하는 것을 확인하였습니다. 즉 모든 파동성과 입자성의 이중성을 가지며 실험의 종류에 따라 어느 하나의 성질로만 나타난다는 것을 알게 되었습니다.