방사선 종류

방사선은 에너지의 흐름이다. 갖고 있는 능력(에너지의 크기)으로 구분하는데 방사선이 물질과 반응했을 때 물질의 원자를 전리(電離)시킬 수 있으면 전리(이온화)방사선, 그렇지 못하면 비(非)전리방사선으로 구분한다. 전파(단파, 중파, 초단파), 적외선, 가시광선, 자외선 등은 비전리방사선이고 이들도 눈이나 피부 등에 에너지를 전달하여 손상을 준다. 대개 방사선이라 하면 전리방사선을 일컫는다. 전리방사선의 경우도 그 종류가 다양하나 크게 구분하면 입자(粒子, particle)방사선과 전자기방사선(電磁氣放射線, electromagnetic radiation)으로 구분한다.

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전자기방사선(電磁氣放射線, electromagnetic radiation)의 구분

입자방사선은 전자선과 중(重)입자선으로 구분한다. 이들은 전기를 띈 하전입자일 수도 있고 전기적으로 중성일 수도 있다. 전자선(電子線)은 일반적으로 (-)전기를 띄나 (+)전기를 띈 양전자(陽電子)도 있다. 알파입자, 양성자, 반도(反跳, 튕긴)핵 등이 하전입자이고 중성자는 전기를 띄지 않는다.(‘0’전기)

1. 알파입자

알파입자는 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 헬륨(He) 원자핵이다. 정지질량이 4.0028u(=3728.6 MeV/C² = 6.646 x 10^-27 kg) [u: 원자질량단위, unified atomic mass unit, 약 1.66 x 10^-27 kg]이고 (+)2 기본 전하(elementary charge, e)를 갖는다. 원자가 붕괴하면서 알파입자를 방출할 때, 그 운동에너지는 약 5 MeV 내외이다.

2. 베타입자, 전자선
베타입자는 음(-)전자 또는 양(+)전자이다. 전자의 정지질량은 9.1094 x 10^-31 kg(=5.4858 x 10^-4 u=0.511 MeV)이고 전하의 크기는 1.602 x 10^-19 C(쿨롱)이다. 원자핵에서 전자가 나오면 이를 베타선이라 하고, 원자핵 외곽의 궤도전자가 튀어나오면 그 발생기원에 따라 광전자(광전자, photoelectron), 컴프턴전자(Compton electron), 오제전자(Auger electron), 내부전환전자(conversion electron) 로 구분한다. 베타입자의 에너지는 수 keV ~ 수 MeV에 이르며 양전자는 발생되면 주변의 (-)전자와 결합하여 소멸하면서 2개의 광자(소멸방사선, annihilation radiation)를 방출한다. 가속기에서 가속된 전자가 전자선이다. 전자를 1 MeV(10⁶ eV)로 가속하면 1 MeV의 전자선이 된다.

3. 중성자

중성자의 질량은 1.0087 u(=939.57 MeV/C²=1.6749 x 10^-27 kg)이고, 전기를 띄지 않아 쉽게 양(+)전기를 띈 원자핵 안으로 들어갈 수 있기 때문에 원자핵반응을 일으킬 수 있다. 원자핵 외부에 있는 자유중성자(free neutron)는 불안정하기 때문에 붕괴하여 양성자와 전자가 된다.

4. 광자

광자(방사선)는 파장이 짧은 빛으로 에너지(E)와 그 파장(λ)의 관계는 E(eV) = 1.24/λ(μm)로 주어지며, 광자의 정지질량은 없다.(질량은 0 u) 자외선와 연엑스선(soft x-rays)사이의 경계는 분명하지 않고, 엑스선과 감마선의 경계도 그러하다. 일반적으로 엑스선과 감마선으로 구분하며, 이때 엑스선은 원자핵 외곽 전자궤도에서 나오는 광자이고 감마선은 원자핵 내부에서 나오는 광자이기 때문에 엑스선은 에너지가 작고 감마선은 크다고 했으나, GeV 급의 엑스선 발생장치가 있음을 고려하면 이 구분은 이제 정확하지 않다.

5. 반도핵

고에너지의 중성자나 양성자가 원자핵과 충돌하면, 원자핵이 튕겨 나가면서 궤도전자의 일부 혹은 전부를 잃고 (+)이온이 된다. 결국 중(重)하전입자가 된다. 고속중성자가 수소 원자핵과 충돌하여 양성자가 튕겨 나오면, 이 양성자는 반도핵이다.

6. 소립자

우주선 혹은 고에너지의 가속기 환경에서는 다른 방사선이 나온다. 파이온(π중간자)나 뮤온(muon)등을 특수 방사선이라고도 한다. 파이온은 (+), (-), (0) 의 전하를 가질 수 있고, 하전입자일 경우 정지질량은 139.6 MeV(전자의 약 237배), 중성인 경우 135.0 MeV(전자의 약 264배)이다. 주로 이들은 생성된 후 수십 ns(~10^—8 초) 이내에 뮤온과 중성미자로 붕괴한다. 뮤온은 (-)전하이고 전자보다 무거운(정지질량 1.885 x 10^-28 kg으로 전자의 약 207배, 에너지는 105.6 MeV)의 단수명(2.2 μs) 입자이다. 뮤온은 중성미자와 전자로 붕괴한다. (+)전기를 띤 반뮤온(anti-muon)은 수명이 뮤온보다 10,000 배 길고 붕괴하여 양전자와 중성미자로 된다.

참고(발췌)

이재기, 방사선방호원론 V.1 제1장 방사선과 방사선피폭, 한국방사선진흥협회(2016)

이 자료의 최초 작성 및 등록 : 김봉환(KAERI) bhkim2@kaeri.re.kr