방사선과 물질과의 상호작용

방사성물질에서 방출되는 방사선은 운동에너지를 가지므로 방사선이 물질의 원자 또는 원자핵과 서로 반응하게 되면 방사선이 가진 에너지의 전달에 의해 방사선과 물질의 상태가 변하게 된다. 이를 방사선과 물질의 상호작용이라 한다. 방사선과 물질의 상호작용은 우리에게 편익과 불편을 주는데 산업적·의학적 활용이 대표적인 편익분야이며 방사선의 대량 피폭은 위험을 야기하는 불편 분야이다.

방사선의 종류

방사선은 전자기파방사선과 입자방사선으로 구분한다. 물질과의 상호작용으로 인간과 환경에 매우 부정적인 영향을 끼치는 방사선은 전자기파의 감마()선과 엑스(X)선, 입자방사선에서 하전입자인 알파(α)선, 베타(β)선, 그리고 전기적으로 중성인 중성자이다. 그러나 이들 방사선을 유익하게 활용하는 경우도 매우 많다.

알파(α)선과 물질의 상호작용

α선은 $_2^4{He}$ 원자의 원자핵이다. 원자핵은 전기적으로 양전기(+)를 뛴다. 따라서 α선이 물질과 충돌하면 물질 원자의 궤도전자(음전기)와 반응하여 다음과 같은 물리적인 현상을 일으킨다.

• 여기(勵起, Excitation)작용 : α입자의 운동에너지 일부가 물질의 궤도전자에 전달되어 전자가 궤도를 옮기면서 원자의 에너지 상태가 높아지는 현상으로 불안정한(흥분된) 상태이다. 여기상태의 원자는 때로 X선을 방출하면서 다시 안정한 상태로 되돌아간다.
• 전리(電離, Ionization) 작용 : α입자의 에너지(운동에너지)가 크면 물질 원자의 전자가 궤도에서 이탈하여 튀어나가는 현상으로 원자는 양전기를 뛰는 하전입자가 된다.

α선의 이와 같은 물질과의 상호작용 현상으로 인해 사람이 α선에 노출되면 세포가 전리되어 파괴되므로 위험에 처할 수 있다. 그러나 α선은 무거워 충돌 당 에너지 손실이 커서 공기 중에서 비정거리가 매우 짧으므로 종이 한 장으로도 막아낼 수 있다.

베타(β)선과 물질의 상호작용

β선은 원자핵이 β 방사성 붕괴를 할 때 나오는 하전입자로 본질은 전자이다. β선도 물질을 통과할 때 여기 또는 전리작용을 일으키면서 에너지를 잃는다. β입자는 매우 가볍고(α입자 무게의 1/1,840) 광속에 가까운 속도로 움직이므로 물질의 원자나 원자핵과 충돌할 확률이 낮아 전리작용 확률도 낮지만 충돌 당 잃는 에너지가 작아서 비정거리는 길다.

감마(γ)선과 물질의 상호작용

원자핵이 α 또는 β 방사붕괴 후에도 에너지 준위가 높으면 γ선을 추가로 방출하기도 한다. γ선은 전자파인 동시에 입자적인 성질을 지닌다. 따라서 γ선을 광자(光子)라고도 한다. γ선은 α선 및 β선과는 달리 경우에 따라 물질과 단 한 번 충돌에 에너지 전부를 잃어버리고 사라지기도 한다. γ선은 물질의 궤도전자와 상호작용하며 대표적인 작용으로 다음 세 가지가 있다.

• 광전효과(光電효과, Photoelectric Effect) : γ선의 광자가 금속표면에 부딪히면 원자의 궤도전자 튀어나오면서 γ선은 사라지는 현상을 광전효과라 한다. 튀어나온 전자는 γ선의 에너지를 일부 전달받아 움직이며 광전효과 현상을 이용하여 전기를 흐르게 할 수 있다. γ선의 에너지가 낮을 때 광전효과 현상이 일어난다.
• 콤프톤 효과(Compton Effect) : γ입자가 물질과 충돌하여 일부 에너지를 궤도전자에 전달하고 산란되는 현상을 말한다. 산란된 γ입자는 에너지가 줄어들고 진행방향도 바뀐다. γ선의 감소한 에너지는 충돌한 전자의 운동에너지가 된다. γ선의 에너지가 증가하면 콤프톤 효과가 일어나기 시작한다.
• 전자쌍생성(電子双생성, Pair Production) : γ입자의 에너지가 전자쌍의 질량에너지 합(2mc²=1.02 MeV, c는 빛의 속도)보다 클 경우 물질의 원자핵과 반응하면 γ입자는 사라지고 양전자와 음전자 전자쌍이 생성되는 현상이다.

γ선은 다른 방사선과 달리 물질과의 상호작용이 다양하고 그 영향도 크다. 또한 전자파 중에서 파장이 가장 짧아(10^-10~10^-12cm) 물질을 뚫고 나가는 투과력이 대단히 커서 수십 cm 철판도 통과할 수 있다. 따라서 γ선의 차폐는 매우 중요하다.

X선과 물질의 상호작용

X선은 γ선과 같은 전자파로 물질과 유사한 상호작용을 하지만 γ선에 비길 바가 못 된다. 파장은 γ선 보다 약 1,000배 정도 길어서 물질 투과력은 매우 약하다. 병원 등에서 검사와 진단 목적의 의료용과 물질특성 분석 등의 연구개발과 산업분야에서 널리 사용되고 있다.

중성자와 물질의 상호작용

전기적으로 중성인 중성자는 물질과 충돌할 때 하전입자처럼 궤도전자와 반응하여 원자를 여기 또는 전리시키지 않고 쉽게 원자핵에 도달하여 원자핵과 반응한다. 핵분열을 일으킬 때 중성자를 이용하는 이유이다. 중성자와 원자핵의 반응은 원자핵에 의한 중성자의 산란과 흡수로 구분한다. 산란은 탄성산란과 비탄성산란, 흡수는 핵분열반응과 포획반응으로 나눈다.

• 탄성산란(Elastic Scattering) : 중성자와 원자핵의 산란충돌 전·후에 전체 에너지와 운동량이 보존되는 산란이다. 산란 후 중성자는 진행방향이 바뀌며 원자핵도 중성자의 에너지 일부를 전달 받아 운동에너지를 가지면서 움직인다(recoiling). 중성자가 물질과 충돌하면서 에너지를 잃는 대표적인 반응이다.
• 비탄성산란(Inelastic Scattering) : 산란 전·후에 운동에너지 합이 보존되지 않는 산란이다. 충돌된 원자핵은 중성자의 에너지를 전달받아 여기상태로 변하고 여기된 원자핵은 다시 안정된 에너지 상태로 돌아가면서 여기에너지를 방출(보통 γ선)한다.
• 분열(Fission)반응 : 원자핵이 중성자를 흡수하여 일시적으로 에너지상태가 불안정한 복합핵(compound nucleus)을 만든 후 즉시 질량이 서로 다른 두 개의 원자핵(핵분열파편)으로 분열되는 반응이다. 이 때 중성자 2~3개가 같이 방출된다.
• 포획(Capture)반응 : 원자핵이 중성자를 흡수한 후 질량이 1만큼 늘어난 원소가 만들어지는 반응으로 중성자가 과다하여 β선을 방출하면서 다른 핵종으로 변한다. 예를 들어 $_{92}^{238}{U}$이 중성자를 포획하여 $_{92}^{239}{U}$가 만들어진 후 β붕괴를 하여 $_{93}^{239}{NP}$ 이어서 $_{94}^{239}{Pu}$로 변해가는 반응이 대표적이다.

중성자는 매우 빠른 속도로 움직이므로 α선 또는 β선에 비하여 물질을 뚫고 가는 투과력이 매우 크며 γ선과 비슷한 수준이다.