방사선
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방사선(放射線, Radioactive ray)은 방사성물질(radioactive substance)이 붕괴하면서 방출하는 파동(wave) 또는 입자의 흐름이며 에너지를 전달한다. 투과력에 따라 알파선(alpha ray), 베타선(beta ray), 감마선(gamma ray)으로 이름 붙여졌으며 이 중 알파선은 투과력이 가장 약해 종이 한 장 정도로 막을 수 있을 정도이다. 알파선은 양전하를 띤 헬륨이온의 흐름이며 베타선은 음전하를 띤 전자의 흐름이다. 감마선은 전하를 띠지 않으며 전자기파이다. 보다 광범위하게는 방사성 물질로부터 나오지 않더라도 우주를 떠도는 에너지가 높은 입자의 흐름인 우주선(cosmic ray)과 이 우주선이 대기 중의 물질과 충돌하여 만들어지는 2차 우주선도 방사선이라고 할 수 있다.
방사선이 물질 속을 지날 때에는 원자나 분자를 이온화하여 화학적 결합을 끊는다. 이로 인해 물질의 구조를 바꾸어 물건이 부스러지게 하거나 기계장치가 제대로 작동하지 않도록 한다. 또한 세포를 죽게 하거나 유전자의 정보를 변형하여 암을 발생할 수 있으므로 생명체가 방사선에 노출되는 것은 치명적일 수 있다. 하지만 반대로 방사선이 세포를 죽이는 것을 이용하여 암세포를 죽이거나 음식물에 있는 세균을 죽이는 데 사용할 수 있다. 유전자 변이를 일으키는 것을 이용하여 새로운 종을 만들기도 한다.
목차
방사선의 발견[편집]
방사선은 1896년 베크렐(H. Becquerel, 1852-1908)이 최초로 발견하였다. 그는 우라늄 광석을 검은 종이에 싸서 암실에 두었는데 이것이 우연히 옆에 있던 사진건판을 부옇게 만든 것을 알게 되었다. 이것을 베크렐은 우라늄 광석으로부터 종이를 투과할 정도로 강한 빛이 나왔기 때문이라고 결론지었다. 이때 이미 뢴트겐(W. C. Röntgen, 1845-1923, 1901년 첫 번째 노벨 물리학상 수상)이 X-선을 발견했을 때이므로 검은 종이를 투과하는 강한 빛이 있을 수 있다고 생각한 것이다. 하지만 X-선은 높은 에너지의 전자를 금속에 쏘았을 때 나오는 데, 에너지를 공급하지 않아도 스스로 에너지를 가진 무엇인가가 계속 방출된다는 점이 달랐다.
당시 대학원생이었던 퀴리부인(M. Curie, 1867-1934)은 우라늄 광석에 들어 있는 특별한 원소만이 방사선을 낼 수 있다는 것을 밝혔고 남편 피에르(P. Curie, 1859-1906)와 함께 그 원소들을 추출하여 폴로늄과 라듐이라고 이름을 붙였으며 방사능(radioactivity)이라는 용어를 처음으로 사용하였다. 베크렐과 퀴리부부는 방사선 발견의 공로로 1903년에 노벨 물리학상을 받았다. 퀴리부인은 1911년에는 라듐과 폴로늄 원소 발견에 대한 공로로 노벨 화학상을 받았다.
1899년에 러더퍼드(E. Rutherford, 1871-1937)는 당시에 방사선원(radioactive source)으로 사용한 피치블렌드에서 나오는 방사선이 물질을 투과하는 능력이 다른 두 종류가 있다는 것을 밝혔다. 양의 전하를 띤 방사선은 종이 한 장으로도 막을 수 있었는데 러더퍼드는 이것을 알파선이라고 명명하였다. 다른 하나는 음의 전하를 띠고 있으며 종이는 뚫고 지나갈 수 있었지만 금속판을 뚫지는 못하였는데 이것을 베타선이라고 이름을 붙였다. 이것이 베크렐의 암실에서 사진건판을 감광시켰던 것이다. 베크렐은 이것이 전자의 흐름임을 밝혔다. 알파선이 헬륨이온의 흐름이라는 것은 러더퍼드와 그의 제자 로이드(T. Royds, 1884-1955)에 의해 밝혀졌다.
1900년에 비야르(P. Villard, 1860-1934)가 라듐으로부터 투과력이 좋으며 전기적으로 중성인 방사선이 방출된다는 것을 발견하였다. 러더퍼드는 1903년에 이것이 알파선과 베타선과는 다른 방사선이라는 것을 알아채고 감마선(gamma ray)이라고 명명하였으며 1914년에는 앙드레이드와 함께 감마선이 X-선처럼 전자기파이지만 파장이 더 짧다는 것을 밝혀냈다.
방사선의 종류[편집]
방사선은 크게 전리 방사선(이온화 방사선)과 비전리방사선(비이온화 방사선)으로 구분할 수 있다.
전리 방사선(이온화 방사선)[편집]
전리방사선(ionizing radiation)은 분자에서 입자를 분리시켜 전리(이온화)시킬 수 있는 방사선이다. 알파선 쪽 자외선, 알파선, 베타선, 엑스선, 감마선 등이 포함된다. 보통 방사선이라고 하면 이온화된 방사선(전리 방사선)을 말한다.
알파선[편집]
알파 입자는 높은 원자번호의 몇몇 방사성 핵종(radionuclides)에 의해 방출되는 빠른 속도의 헬륨핵이다(예, 플루토늄, 라듐, 우라늄): 낮은 투과율(0.1mm 미만)로 피부를 통과하지 못한다. 방사선원이 체내에 다량 유입(상처난 피부, 호흡, 경구섭취 등)하면 인체는 손상될 수 있다. 라돈가스(Rn-222)는 알파선을 방출하는 방사선원이다.
방사선 원소의 알파붕괴와 함께 나오는 알파입자의 흐름으로써 양성자 2개와 중성자 2개가 결합한 헬륨원자핵으로써, 스핀이 0이며, 보즈-아인슈타인 통계를 따르는 안정한 입자이다. 이온화작용이 강하고 물질을 통과할 때 그 경로를 따라 많은 이온이 발생한다. 투과력은 매우 약하며 500만eV의 알파선은 1atm(기압)의 공기속을 3cm만 통과해도 정지해버리며 신문지만으로도 이 알파선을 막을 수 있다는 것은 알파선의 투과력의 미약함을 보여주는 좋은 예이다.
베타선[편집]
베타 입자는 불안정한 원자의 핵으로부터 방출되는 고에너지 전자이다(예, 세슘-137, 아이오딘-131). 이들 입자는 피부를 투과할 수 있으나 알루미늄은 투과하지 못한다. 에너지가 클 경우 피부조직에 손상을 줄 수 있다.
감마선[편집]
세 종류의 전리방사선 중 투과력이 가장 강하다. 파장이 짧고 따라서 에너지가 높다. 투과력이 커서 밀도가 높은 납이나 콘크리트를 재료로 1m이상의 벽을 쌓아서 막아야 한다. X선과 마찬가지로, X선으로 투과할 수 없는 영역(건물 등)을 탐구하는 데 쓰인다.
중성자선[편집]
원자의 중성자가 빛처럼 나아가는 방사선의 종류 중 하나이다. 핵반응시에 나오므로, 원자로를 가동할 때나 중성자폭탄이 폭발할 때도 나온다.
엑스선[편집]
파장이 10 ~ 0.01 나노미터이며, 주파수는 3 × 10¹⁶헤르츠에서 3 × 10¹⁹헤르츠 사이인 전자기파다. 이는 자외선보다 짧은 파장의 영역이다.
비전리 방사선(비이온화 방사선)[편집]
전리(이온화)시키지 않는 방사선이다. 분자구조에 영향을 미치지 않는다. 가시광선쪽 자외선, 가시광선, 적외선, 원적외선, 마이크로파(레이다), 극초단파(이동전화), 초단파(TV), 단파, 중파(라디오), 장파(전력선, 가전제품) 등이 비전리 방사선이다.
방사능의 단위[편집]
'방사능'은 어떤 물질중의 어떤 방사성핵종이 단위시간내에 몇 번 붕괴를 일으키는 가를 나타내는 것으로서, 주목하고 있는 물질 중에 함유되어 있는 그 방사성핵종의 양과 반감기에 의하여 결정된다. 소위 발생원의 강도에 상당하는 것이다. 방사능량의 단위로서 종래엔 Ci(퀴리)가 사용되어 왔으나 국제도량형총회의 결의에 따라 Bq(베크렐)을 일본에서도 사용하게 되었다(1978년 5월). 종래의 Ci단위는 보조단위로서 사용할 수 있게 되어 있다. 기타 중성자원 등의 강도를 나타내는 단위에 입자방출률, 바꿔 말하면 단위시간에 방출되는 입자의 방출수(/s)로 나타내는 방법이 있다.
Bq(베크렐)[편집]
1초에 1번의 붕괴가 발생하는 것을 1베크렐(Becquerel:Bq)이라한다. 해당 핵종의 방사능을 단위시간당 붕괴하는 원자수로 표시하는 것이다. 국제단위로는 방사능의 발견으로 알려진 베크렐(Antoine Henri Bequerel, 프랑스, 1852-1908)의 이름을 딴 베크렐(Bq)로 하고, 매초 1개의 붕괴수(disintegration per second : dps)를 1 Bq로 했다. 1 Bq = 2.703 E-11 Ci = 27.0 E-1 2Ci =27.0 pCi 해수 및 대기오염의 정도를 표시할때 사용한다.
Ci(퀴리)[편집]
라듐을 발견한 물리학자 마리 퀴리의 이름을 따서 명명되었다. 현재 보조단위로서 사용되는 Ci는 역사적으로 1g의 Ra-226의 방사능량을 기준으로 해서 정해진 단위로서, 매초의 붕괴수가 3.7 E+10에 상당하는 방사능의 강도라고 정의된다. 1 Ci는 3.7E+10 Bq과 같다. 여기에는 mCi(3.7E+7 Bq), μCi(3.7E+4 Bq), pCi(3.7E-2 Bq)가 있다(통상, Ra-226의 방사능에는 그 딸핵종도 기여하고 있으므로 1 Ci는 3.7E+10 dps로 고쳐 정의하고 있다.) 1g의 백금(Pt)판속에는 천연방사성핵종인 Pt-190이 약 3.4 pCi(피코퀴리 0.125 Bq) 함유되어 있다. Pt-190은 α붕괴하는 핵종으로 1g의 백금은 매분 7∼8붕괴의 비율로 α붕괴하고 있는 계산으로 된다. 현재의 일본인 체내에는 0.1 μCi(3700 Bq)의 방사성칼륨(K-40)이 함유되어 있다. 1Ci = 3.7E+10 Bq = (3.710 Bq)
입자방출률[편집]
중선자원 등의 강도를 나타내는 단위에 입자방출률, 바꿔 말하면 단위시간에 방출되는 입자의 방출수(/s)로 나타내는 방법이 있다.
방사선의 단위[편집]
어떤 주목하고 있는 물질중의 어떤 장소를 통과하는 방사선의 수, 또는 방사선이 통과함으로써 그 물질이 흡수한 양(예를 들면 전리량, 발생이온쌍의 수, 흡수에너지 등)을 나타내는 것이다. 소위 방사선의 「장」의 강도, 혹은 방사선의 통과량에 상당한다. 따라서 방사선의 통과에 따르는 어떤 양에 주목하는가에 따라 많은 종류의 「방사선의 양」이 정의되어 있다.
입자플루언스[편집]
어떤 장소를 통과하는 단위면적당의 방사선 입자수. 입자 플루언스 「율」이라고 하는 경우는 단위시간당의 입자플루언스를 나타낸다.
조사선량[편집]
방사선의 통과에 의하여 발생한 전하량을 기준으로 하는 개념. 표준상태(0℃, 760 mmHg)의 건조공기 1cc 중에 1 esu의 전하를 발생한 경우를 구단위계에서는 1R(뢴트겐)으로 했다. 이것을 신단위계에서 나타내면 2.58E-4 C(쿨롬)/kg에 상당하는데 이미지가 잘 떠오르지 않기 때문에 많이 사용되고 있지 않다. 한편 조사선량은 공기에 대한 흡수선량과 같은 것이며, Gy단위란 1 R=8.7 m(밀리)Gy의 관계가 있다. 보통의 자연γ선 선량률은 수μ(마이크로=1.0E-6)R/시이며 이것을 Gy로 표시하면 수 10 n(나노=1.0E-9)Gy/시로 된다.
흡수선량[편집]
어떤 장소에서 어떤 물질중에 흡수된 방사선에너지양. 구단위계에서는 방사선의 통과에 의하여 주목물질 1g중에 100 erg가 흡수되는 것을 1 rad(라드)로 표시해 왔으나 현재는 Gy(그레이)를 사용한다( Gy=100 rad).
선량당량 및 실효선량당량(Dose equivalent)[편집]
신체의 일부 또는 장기(예를 들면 위)에 주목하여 그 부위가 받게 되는 흡수선량에 방사선의 종류와 에너지를 고려하여 결정한 선질계수 QF를 곱한 양을 선량당량이라 한다. 이것은 그 장기에 대한 방사선의 생물학적 영향을 나타내는 지표로서 방사선방호 분야에서 사용되고 있는 개념이다. 단위는 rem(렘: 구단위계)과 Sv(시버트:신단위계, 1 Sv=100 rem)를 사용하다. 실효선량당량 HE는 체내의 모든 장기 i에 대하여 방사선에 대한 감수성과 발암리스크를 고려한 가중계수 Wi를 정해 두고, HE=∑Di×Wi(Di는 장기선량)에 의하여 주어진 것으로, 신체 전체의 방사선영향을 나타내는 양으로 이용되고 있다. 최근에는 실효선량으로 불리고 있으나 정의는 거의 같은 것이다.
방사선의 이용[편집]
방사선 연구가 어느 정도 이루어진 이후부터 그 강력한 투과력과 에너지는 여러 방면에 이용되고 있다. 기본적으로 방사선은 뛰어난 살균효과를 보이는데, 방사선의 강력한 에너지는 DNA 사슬을 끊고 소기관과 효소 또한 파괴하여 죽일 수 있기 때문이다. 따라서 각종 멸균소독에 이용되고 있으며 특히 밀봉 후 멸균 처리에 효과적이다. 다만 식품의 영양소는 다소 감소하게 되고 분자구조의 파괴로 생기는 부수적인 물질들도 극소량이지만 생길 수 있다. 대표적인 사용례가 바로 감마선을 이용한 라면의 건더기의 살균. 우주식품이나 특수 환자용 식재료 살균에도 이용된다. 다만 대중들이 방사선이라고 하면 반사적으로 거부감을 가지는 경우가 워낙 많아서 요즘은 다른 살균 방식을 쓰는 경우도 많다.
같은 원리를 이용해서 사람의 체세포도 방사선으로 죽일 수 있는데, 마리 퀴리가 실제로 암세포가 있는 부위만을 선택적으로 조사하여 암세포를 제거하는 데 쓰이기도 한다는 것을 발견했다. 특히 항암제와 마찬가지로 암세포나 골수세포 등 빠르게 분열하는 세포들이 가장 쉽게 파괴되는데 이를 이용한 항암 치료인 방사선 치료는 오늘날 대부분의 암에 적용될 수 있는 일반적인 치료법이 되었다. 척추동물이 방사선에 노출되면 가장 먼저 훼손당하는 것 중 하나가 바로 적색골수로서, 조혈작용을 하는 골수가 가장 먼저 치명적 피해를 입는다. 이를 응용하여 백혈병 등의 혈액암의 경우 골수 이식 전에 병든 골수를 제거하기 위하여 집중조사하는 방법을 쓰기도 한다. X선은 방사선의 최초 발견이기도 했지만 동시에 의학적 이용 가능성도 보여주었는데, 사람을 직접 갈라 보지 않고서도 뼈의 구조와 모양을 알아볼 수 있게 하여 의료 발전에 크게 공헌했다. 지금은 더욱 발전하여 CT영상으로는 뼈 이외의 다른 장기까지 관찰할 수 있다. 핵의학과 분야에서는 방사성 물질을 주사해서 몸속에서 나오는 방사성 물질을 관찰해 정보를 얻는다. 몸에 좋은 것은 아니지만 방사능 홍차처럼 치명적이지는 않으니 걱정하지 말자.
이외에 산업 분야에서도 여러 곳에 걸쳐 절찬리에 이용 중이다. 삼중수소를 이용한 야광물질은 지금도 군사적 용도로 생산되고 있으며, 투과력을 이용해 비파괴검사를 수행한다든지 원자핵 구조를 분석하는 데에도 쓰이고 있다. 육종학에서는 돌연변이를 유발시켜 작물의 품종을 개량하는 데에도 이용한 적이 있다.
그 독성을 악용하여 암살용도로도 사용한다. 폴로늄 자체가 중금속이라 독성이 크고 내부 피폭, 그것도 알파선에 내부피폭 당하면 장기가 완전히 걸레짝이 돼버린다. 사실 한국에서도 살해 목적으로 이용된 사례가 있다.
담배에도 들어가 있다. 담배(식물)가 폴로늄을 축적하기 때문이다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
