공부하고 정리하고

소개할 사건의 이름은 고이아니아 사건입니다.

사건의 배경은 브라질의 고이아니아 지방에서 일어납니다. 시기는 1987년 9월이군요. 이 지방의한 보건소에서 의료기기 도난사고가 발생합니다. 이 의료기 안에는 불행히도 Cs-137이 보관되어 있었습니다. 세슘-137은 반감기 30년을 가졌고 베타선과 감마선을 방출하는데 제가 저번시간에 소개한 비파괴검사용 선원으로도 사용이 됩니다. 어쨌든 위험하기 때문에 관리 대상입니다.

그런데 이 Cs-137이 든 의료기기를 훔친 도둑들은 분해를 하다가 이 세슘이 든 캡슐을 깨뜨리게 되었고 이를 고물상에다가 팔아 버렸습니다. 이것이 비극의 시작입니다.

이 고물상의 주인은 방사선이라는 것을 모르는 상태이며 설사 알았다 하더라도 인지하지 못한 상태입니다. 이때 고물상의 주인은 어두울 때 이 캡슐을 보고 맙니다. 이 캡슐에서는 세슘이 붕괴를 하며 감마선을 내고 있었고 푸른빛이 나고 있었죠. (이 푸른빛은 체렌코프효과라 하여 원자로에서 나는 푸른빛과 동일한 원리로 발생합니다.) 이를 본 주인은 가족과 친구들에게 이 푸른빛이나는 세슘 분말 가루를 선물로 나눠주었습니다.
이것을 선물 받은 사람들은 밤에 빛이 나라고 얼굴이나 팔에 발랐으며 어린아이는 이 푸른 빛이 범벅된 손으로 간식을 집어 먹기도 했습니다.
그 후 며칠이 지나자 위장장애를 호소하는 증상이 나타나기 시작하였습니다.
이러한 증세를 보이자 결국 9월 28일 병원을 찾아갔고 의사는 피폭 증세임을 알아차립니다.
9월 29일 브라질 당국은 비상대책위원회를 구성하여 방사능 물질 유출과정을 조사를 하였으며 오염상태를 확인하였습니다.
10월 3일 약 11만명을 대상으로 올림픽 스타디움에서 오염검사를 실시합니다.
이 사건은 IAEA에 복구를 지원할 정도의 대규모 재해로 판단되었습니다.

이 사건으로 3500제곱미터의 토양을 제거하고 하수의 오염을 통제하게 됩니다. 그리고 2천만 달러라는 금액이 복구비로 사용이 되게 됩니다. 이 정도로 끝났을까요? 아닙니다. 가장 중요한 사람들이 있습니다. 249명이 내외부가 오염이 되었고 이 중 20명이 급성방사선증후군에 걸립니다. 이 급성방사선증후군은 매우 위험한 상태를 나타냅니다.
(여기서 자세히 설명해놓았습니다-> https://steemit.com/kr-science/@chosungyun/4-3)
그리고 28명이 국소피폭을 받았고 4명이 신체 절단을 하였으며 적어도 5000명이 급성 스트레스 증후군을 호소했습니다.
피폭된 사람들은 그저 방사선을 맞은 것으로 끝난 것이 아니라 온몸이 오염되었기 때문에 이 피폭으로 사망한 사람들 또한 자체적으로 방사선을 내는 선원이 되어버렸습니다. 그래서 사람들이 사망하여 장례식을 치룰 때 600kg이 넘는 납으로 관을 차폐하여 매장을 하였고 생존한 사람들은 패닉에 걸렸다고 합니다. 상업의 판매량은 60% 감소하였고 이 도시에서 생산한 물건은 피폭이 두려워 팔리지 않았다고 합니다.

이 당시에 브라질 당국 또한 이 오염된 구역에 대한 대책이 안되어 있었으며 사람들또한 오염에 대한 이해가 부족하여 추가 피폭자도 발생시켰다고 합니다. 이 사례를 읽으면서 느낀 것이 정말 교육이라는 것이 중요하구나라는 생각을 하였습니다. 그래서 정부입장에서 안전에 대한 교육, 방사선에 대한 교육, 방사선을 떠나서 지진에 대한 교육이라던가 등 사회전반적으로 위험성이 있는 부분에 대해서는 교육이 절실하게 필요하구나를 느꼈습니다.

-이미지 출처-

1. https://www.psychologytoday.com/blog/conceptual-revolution/201408/how-do-you-deal-despair
2. http://operationmeditation.com/discover/8-things-you-can-do-to-increase-your-intelligence/
3. https://namu.wiki/w/
4. http://m.cafe.daum.net/gentlemoon/IiRj/934?q=D_2ahpwu1huOo0&
5. http://tachisme.blogspot.kr/2011/06/cesium-137-and-bitter-harvest.html
6. http://unicpress.com/2017/09/18/61st-iaea-general-conference-kickoff-vienna/
7. https://namu.wiki/w/

방사성동위원소의 산업적 이용방법이라고 하면 아무래도 가장 많이 활용되는 방법은 비파괴검사방법인 것 같습니다. 그래서 오늘은 비파괴검사에 대해 소개하려고 합니다. 비파괴검사는 음향, 초음파, 와전류, 액체 침상, 자기 탐상 등등 많지만 RI 이용에 관한 소개인 만큼 방사선투과법만 소개하겠습니다. 그리고 산업 현장에서도 방사선투과법을 가장 많이 사용하기도 한답니다.

비파괴검사

우선 비파괴검사란 무엇일까요? 검사라는 것은 물질 내부를 들여다보고 결함이 있는지를 확인하고자 하는 것인데 이를 온전히 나두고 검사를 하는 방법입니다. 즉 파괴를 하지 않는 검사법입니다. 당연히 검사만 할 것인데 파괴를 하면 검사할 필요가 없겠죠? 그래서 비파괴검사방법은 다양한 산업현장에서 많이 쓰이게 됩니다.

혹시 X-ray 안 찍어보신 분 계신가요? 아마도 다 찍어보셨겠지만 X-ray와 방법은 동일합니다. 방사선을 우리몸에 쏘아주고 뼈가 금이 간 것인지 부러진 것인지 확인하는 것처럼 확인하고자 하는 물체에 방사선을 쏘아주고 내부구조에서의 결함을 찾아 냅니다.

원리

알파선 베타선은 투과율이 나쁘기 때문에 X-선 발생장치를 이용하여 만든 X-선 또는 감마선을 내는 물질을 소스로 사용합니다.
대표적인 사용 동위원소로는 이리듐-192, 세슘-137, 코발트-60 등이 있습니다.
이 소스를 사용해서 방사선을 물체에 투과시키면 물체를 투과하면서 방사선의 세기가 감쇠하게 됩니다. 이 감쇠된 방사선은 필터 또는 디지털 탐지기로 수신을 하게 됩니다.
필터의 경우는 이 방사선을 맞으면 형광을 하는 물질이 발라져 있고 형광 하는 정도의 차이에 따라 2D 영상이 얻어집니다.
디지털 탐지기는 들어온 방사선을 전자로 바꾸어 개수를 카운트하여 들어온 차이로 영상을 표현해냅니다.

자세한 탐상 방법에 대한 소개는 생략하겠습니다.

선원 보관

비파괴 검사에 사용될 정도면 높은 방사능을 내야 합니다. 그래서 옆에 있다가는 고선량에 피폭이 될 수도 있습니다. 그래서 소스를 넣어서 들고 다닐 차페함이 필요합니다. 이 차폐함에 넣어놓고 사용시에 앞에 나와 있는 노즐로 선원을 내보내 탐상 대상 방향으로만 방사선을 조사하도록 하고 검사 후에 다시 노즐에서 함안으로 이동시켜서 안전하게 보관합니다. 이때 근처에 가는 것은 위험하기 때문에 조작원을 비롯한 모든 사람은 뒤쪽으로 떨어져 있어야 하며 멀리서 이 모든 것을 조작합니다.

이 방법의 장점은 모든 재질에 사용이 가능하며 검사결과를 영구적으로 기록을 보존할 수 있습니다. 그리고 명확하게 영상으로 결함 형상을 볼 수 있어 분석 능력이 우수합니다.
하지만 방사선 안전관리를 엄격히 해야 하며 나타난 현상을 판독해야 하며 방사선 조사 방향에 대해 15도 이상 기울어져 있는 균열은 검출이 안되는 단점이 있습니다.

-이미지 출처-

1. http://www.customlaseraccents.com/
2. https://www.nde-ed.org/GeneralResources/MethodSummary/MethodSummary.htm
3. https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Radiography/
4. http://www.techcorr.com/radiography.php
5. http://www.wndti.gr/en/training-of-ndt/viomixaniki-radiografia-rt/

사용 원소

241Am이라는 원자 번호 95인 초우라늄원소를 사용합니다. 우라늄의 원자 번호가 92이고 이보다 양성자가 우라늄보다 3개 더 많은 상태입니다. 생성되는 방식은 플로토늄에 중성자 두 개를 받은 상태에서 베타 마이너스 붕괴를 하면 생성이 됩니다.

반감기는 432.2년으로 한 번 제작해서 넣으면 방사능이 떨어져서 교체할 일은 죽을때까지는 없습니다.

원리

241Am이 붕괴 시 알파입자가 발생합니다. 이 알파입자는 두 전극 사이의 공기를 지나게 되는데 지나가면서 주변 공기에 산란을 하며 공기를 이온화 시키게 됩니다. 이온화가 되면서 생긴 전자는 전극에 의해 이동하게 되며 전기가 흐르게 됩니다. 그래서 알파선에 의해 연기감지기에는 지속적으로 전류가 흐르는 상태입니다. 하지만 만약 연기가 들어오게 된다면 이 알파선의 이온화를 방해하게 되고 흐르는 전류 값이 줄어들게 됩니다. 이러한 변화가 생기면 경보를 울리는 방식을 사용합니다.

아메리슘을 사용한 방식은 가격이 저렴한 편이며 감도도 좋다고 합니다. 그래서 실제 가정 연기감지기중에 가장 많이 사용된다고 합니다.

위험한가요?

아메리슘-241은 아마 가정용으로 사용된 방사성동위원소 중에 유일한 존재일 겁니다. 사용을 하고 있다는 점은 그만큼 무해하다는 것인데요. 실제로 아메리슘 자체의 방사능은 높지만 사용하는 소스 자체의 양이 매우 적습니다. 대략 1g의 산화 아메리슘-241로 300만대를 만들 수 있다고 하니 들어가는 양이 얼마나 작은지 생각되실 겁니다. 게다가 사용되는 동위원소 자체가 적절하게 차폐되어 밀봉된 상태로 연기감지기에 들어가 있다고 합니다. 또한 가정내에 있지만 알파선은 종이로 막아질 만큼 멀리 가지 못하기 때문에 걱정안해도 될 것 같습니다.
한 사례로 미국에서 어떤 사람이 이 연기감지기에 들어가는 소스가 방사성동위원소인지 어떻게 알고는 이것을 먹고 자살을 시도했었다고 하는데요. 병원에 실려 가서 이것을 빼내고 살았다고 합니다. 만약 정말 심각하게 위험했다면 아마 죽었겠죠?
하지만!!! 알파소스인 만큼 섭취는 정말 조심해야 합니다. 섭취시에 가장 위험한 방사선원이 알파선을 내는 물질이기 때문이죠. 알파선은 멀리 가지 못하는 만큼 그 이동한 짧은 거리에 자신의 모든 에너지를 다 잃어버립니다. 이를 저지능이 크다고 하는데요.
어쨌든 밖에 있으면 무섭지 않지만 먹게 된다면 알파선은 정말 무섭다는 것을 알아두시길 바랍니다.!!

-이미지 출처-

1. http://www.solutionsunlimited.co.ke/smoke-detectors-in-kenya/
2. http://www.chemistrylearner.com/americium-241.html
3. https://physics.stackexchange.com/questions/318397/
4. 
5. http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/eason1/
6. http://atomstory.or.kr/p/43681/?print=1

여러분들은 뉴트리노에 대해서 들어본 적이 있으신가요? 오늘 소개할 연구는 뉴트리노 검출에 관한 연구입니다. 일단 뉴트리노를 한 번 알아보고 시작하겠습니다.

기본입자의 표준모델

이 세상을 이루는 가장 작은 물질이 무엇이라고 생각하시나요? 그 옛날 아리스토텔레스 시절에는 자연의 물, 불, 공기, 흙 등이 가장 기본입자라는 방식으로 생각하였습니다. 육안으로 관찰할 수 있는 가장 기본 단위로 보이기 때문이죠. 하지만 그 후 시간이 흘러 사람들은 분자, 원자라는 존재를 알게 되었고 돌턴에 이르러서는 원자의 모델을 제시합니다. 이후 이 구조가 더 자세히 구조화가 되어 결국 보어의 모델에 이어 현대 물리학에서 생각하는 표준 모델까지 이릅니다. 여기서 중요한 점은 원자라는 것이 Atom으로 그리스어에서 파생된 단어입니다. 그리스어로 더 이상 나뉠 수 없는 이라는 뜻인데 실상은 그럴까요? 원자를 들여다보면 원자를 이루는 구성물질들이 존재합니다. 이 물질들은 아래 그림과 같습니다.

위 그림에 나오는 쿼크, 렙톤, 보존을 각각 설명하는 것은 여기서는 한계가 있기에 다음에 기회가 되면 따로 포스팅을 하도록 하겠습니다.

여기서 눈여겨볼 것은 렙톤에 속한 전자, 뮤온, 타우입니다. 이러한 것들이 발생할 때는 보통 각각의 뉴트리노가 동반으로 발생합니다. 제가 오늘 소개하는 연구는 전자 뉴트리노입니다. 이를 검출하는 연구가 있습니다.

뉴트리노 검출

뉴트리노는 반응을 잘 안 합니다. 즉, 주의의 매질과 상호작용을 안 한다는 말인데 기본적으로 현재 우리가 사용하는 검출기라는 장비들은 검출기에 상호작용을 하는 대상을 찾아내는 것입니다. 하지만 반응을 안한다면 찾기에 어려움이 있을 겁니다.
그래서 뉴트리노를 검출할 수 있는 방법은 두 가지가 있습니다. 하나는 우주선(cosmic ray)으로부터 찾아내는 것이고 하나는 뉴트리노를 내는 인공 방사성 동위원소를 활용하는 방법입니다. 첫번째 방법은 아주 거대한 계측기를 만들어야 하며 신호대 잡음비가 클 것입니다. 하지만 두번째는 인공 방사성 동위원소가 규칙적으로 만들어내는 뉴트리노를 검출합니다. 제가 소개하는 방법은 두 번째 방법입니다.

방사성 동위원소를 이용한 뉴트리노 검출

우선 사용하는 방사성 동위원소는 중성자가 원래 안정 핵종보다 많은 중성자 과잉 핵종이어야 하며 보통 두 번 정도 베타 붕괴를 하는 더블베타 붕괴핵종을 사용합니다. 즉, 붕괴를 하면서 베타선을 내는 핵종입니다. 그리고 베타선과 뉴트리노가 동반 방출됩니다.

이러한 실험을 위해 방사성 동위원소를 우선 만듭니다. 연구용 원자로나 사용 후 핵연료에서 이 물질이 많이 들어 있습니다. 바로 방사성 폐기물안에 말하는 것입니다 . 그대로 들고 가서 사용하면 알파선 감마선 등등 실험에 불필요하며 방해되는 잡음이 많으므로 최대한 농축된 순순한 한 선원만 사용하기 위해 재처리와 농축을 실시하며 순수한 방사성 동위원소를 만듭니다. 이 실험을 위해 사용하는 물질은 100MO 이라는 물질이며 더블 베타 붕괴를 하게 됩니다.
자 그럼 뉴트리노를 내는 물질을 만들었으면 바로 실험을 하면 될까요? 아닙니다. 만약 지상에서 실험을 하게 된다면 잡음이 나오게 됩니다. 그리고 말했듯이 뉴트리노는 반응을 거의 안 합니다. 그러므로 잡음보다 약한 신호를 내기 때문에 잡음을 없애기 위해 지하 깊숙한 곳으로 들어가서 이 동위원소와 검출 장비를 두고 검출을 시도합니다. 뉴트리노는 빛의 속도로 날아오고 확률은 극히 미미하지만 0은 아닙니다. 가끔 검출기에 부딪혀 에너지를 발산하는데 이때 빛으로서 방출됩니다. 이 빛은 체렌코프 복사라 하는데 원자로에서 보면 푸른색 빛이 나오게 되는데 이 빛과 동일한 원리입니다.

뉴트리노를 왜 찾으려 하나?

뉴트리노를 떠나서 기본 입자의 성질을 명확히 파악하는 일은 중요한 일입니다. 적을 알아야 적을 이길 수 있는 것처럼 기본 입자 모델에 대한 명확한 이해가 있어야 결국 응용 분야도 더 발전할 수 있을 것이고 또한 우리가 모르는 새로운 물리이론을 발견하거나 우주 탄생의 기원의 비밀을 알게 될지도 모릅니다. 전에 포스팅하였던 암흑물질과 암흑에너지도 직접 검출을 위해 노력하고 있습니다. 

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1. https://www.symmetrymagazine.org/article/is-the-neutrino-its-own-antiparticle
2. https://www.visionlearning.com/en/library/Chemistry/1/
3. https://phys.org/news/2015-05-particle-physics-discovery-theory.html
4. https://www.wired.com/2012/03/strange-neutrinos-experiments/
5. http://photonterrace.net/en/photonlab/ohsuka/02/
6. http://www.rogerarm.freeuk.com/Pages/NeutrinoLessDblBetaDecay.htm
7. http://cerncourier.com/cws/article/cern/68795

만약 인간이 방사선을 맞게 된다면 결정적 영향은 바로 증상이 발현하고 확률적 영향은 암이나 유전자 변이가 확률적으로 일어난다고 소개해드린 적이 있습니다. 이러하듯 방사선을 맞게 되면 DNA 기준으로 변화가 생기게 됩니다. 그런데 만약 인간이 아닌 식물에게 조사하여 변하는 것을 컨트롤해본다면 어떻게 될까요?

새로운 품종이 탄생할지도 모릅니다. 그러한 연구를 방사선 육종 연구라 합니다. 한 번 알아보죠

방사선 육종 연구란?

방사선을 조사하여 유전체에 변이가 일어나고 이러한 변이가 일어난 세포로부터 개체가 발생하면 돌연변이체가 생기게 됩니다. 이 돌연변이체를 여러 세대에 걸쳐 선발하여 육성하는 것을 방사선 육종이라고 합니다.

변이

방사선은 직접작용과 간접작용으로 DNA를 공격합니다. 이 공격으로 유전자는 변이가 일어납니다. 보통의 변이는 회복이 일어나나 이 회복과정에서 재조합에 문제가 생길 수 있습니다. 변이가 일어나는 방식에는 중복, 결실, 역위, 전좌 등의 방법이 있습니다.

-중복 : 유전자 재조합 과정에서 레트로트랜스포존이 오류를 일으켜 염색체의 일부 구간이 중복되는 현상. 여기서 레트로트랜스포존은 유전체 내에서 이동하는 전위인자라고 합니다.

-결실 : 염색체 일부가 유전자 재조합 과정에서 누락되는 현상입니다.

-역위 : 유전자 재조합과정에서 염색체 일부 구간이 뒤집혀 일어나는 현상입니다.

-전좌 : 한 염색체의 일부가 다른 염색체로 옮겨지는 현상입니다.

유전자 변형작물 GMO

유전자 변이하면 바로 떠오르는 GMO와는 무엇이 다를까요? 방사선육종은 방사선 작용으로 식물자체의 유전자가 새로운 형질을 가지게 되는 점과 다르게 GMO는 다른 생물의 유전자를 생명공학적 방법을 이용해 주입하여 새로운 특성을 발현하는 방법입니다. 즉, GMO는 인위적인 방법으로 자연에서는 절대로 이루어질 수 없지만 방사선 육종의 경우는 자연계에 방사선이 존재하여 일어나는 변이를 컨트롤하여 빠르게 선별하는 작업이므로 차이가 있습니다.

연구 방향?

보통 1~2개의 유전자의 개량에 유리하여 기존 유망한 품종의 단점인 유전자를 개량하는데 뛰어난 장점이 있습니다. 이러한 점에서는 GMO와 유사한 육종 효과를 가지고 있다고 합니다.
한국원자력연구원에 찾아본 결과 국내에서는 주로 연구하는 분야는 다음과 같습니다.
-고부가가치 화훼, 원예작물 개발
-고 기능성 식∙의약용 식물 유전자원 개발
-친환경 바이오산업 소재용 생물자원 개발
-돌연변이 유전자원을 활용한 유전체 및 대사체 연구
-이온화에너지 특이반응 유전자 검정 및 유전체 반응 네트워크 연구
-유용 돌연변이 유전자원 은행 구축
-다양한 방사선원을 활용한 신 방사선육종기술 개발

이러한 방법 말고도 연구주제는 다양할 것으로 생각이 됩니다. 그리고 방사선을 조사하면 방사선이 남아 있지 않을까 걱정하실 수도 있는데요. 밀봉된 선원을 사용하기 때문에 방사선만 맞게 되고 방사성 물질로 오염되는 것은 아닙니다. 그렇기 때문에 이런 걱정은 괜찮을 것 같습니다!

(Co-60 선원)

-이미지 출처-

1. https://www.thoughtco.com/chromosome-mutation-373448
2. http://scienceon.hani.co.kr/331453
3. https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9C%A0%EC%A0%84%EC%9E%90_%EC%A4%91%EB%B3%B5
4. https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9C%A0%EC%A0%84%EC%9E%90_%EA%B2%B0%EC%8B%A4
5. https://openwiki.kr/chromosomal_inversion
6. http://leeseokt.tistory.com/35
7. https://www.emaze.com/@AQCIFOOL/ALL-ABOUT-GMO%27S
8. http://blog.khnp.co.kr/blog/archives/11393
9. http://www.periodictable.com/Items/027.9/index.html

앞으로 방사성 동위원소를 Radioactive Isotope에서 따온 RI로 표현을 하겠습니다.
RI의 사용 분야 중에 가장 친숙한 분야 중 하나는 탄소 연대 측정법입니다. 고대 시대의 책자나 옷감 혹은 화석의 연대를 예측할 수 있는 고고학에서는 정말 중요한 측정 방법입니다. 그래서 오늘은 탄소 연대 측정법으로 어떻게 나이를 예측할 수 있는지 알아보겠습니다.

우주로부터 날라오는 우주선(cosmic ray)가 지구상에 C-14를 만듭니다. 그리고 일정하게 붕괴를 합니다. 즉, 생성=붕괴 정도의 비율로 존재하여 항상 일정하게 탄소 C-14는 지구상에 존재해왔습니다. 이는 옛날 조선 시대에서도 고려 시대에서도 또는 석기시대에도 C-14의 존재 비율은 일정하였다는 말입니다.

그럼 탄소에 대해 알아보겠습니다. 탄소는 원자번호 6번으로 지각을 구성하는 원소들 중 15번째로 풍부하고 우주에서는 4번째로 풍부한 원소입니다. 그중에 흔히 알고 있는 탄소라는 존재는 원자량 12의 C-12입니다. 전체 탄소 중에 98.9%를 차지합니다. 거의 다라고 볼 수 있습니다. 그리고 나머지 대부분을 차지하는 것이 C-13입니다. 그럼 C-14는 없나요? 아닙니다. 아주 극소량 존재합니다. C-14의 비율은 탄소 전체 비율에 1.2×10-12입니다. 이것은 1조분의 1이라는 양입니다. 없다고 봐도 될 정도의 양입니다. 하지만 우리는 이 작은 양에서도 비율이 달라짐을 확인할 수 있습니다. 대단하지 않나요? 그럼 원리를 알아보겠습니다.

원리

여기서는 방사능 개념이 나와야 합니다. 방사능은 단위 시간당 붕괴한 정도인데 방사능을 구하기 위한 과정을 따라가 보겠습니다.
처음에 N개의 C-12가 있었다고 생각합니다. 그리고 C-12는 5730년이라는 반감기를 가지고 붕괴를 합니다. 반감기는 N개가 N/2개로 줄어드는데 걸리는 시간을 말합니다. 그러면 어떤 관계식을 세울 수 있을까요?

라는 관계를 가집니다. N개의 변화량은 λ(붕괴 상수)라는 비율로 원래값에서 감소하는데 걸린 시간을 곱한 값을 말합니다. 이 식을 적분하게 되면 최종적으로 방사능식을 구할 수 있습니다.

마지막식이 최종식이며 아래 그래프와 같이 붕괴를 하게 됩니다.

여기서 시료마다 크기나 질량이 다른 점을 고려해서 비방사능 즉, 단위 질량 당 방사능으로 방사능을 확인합니다. 확인하는 방법은 자세히 소개하지는 않으나 방사선 검출기나 입자가속기를 이용하여 질량을 분석합니다.

확인방법

방사능 공식에서 t에 관한 식으로 고칠 수 있습니다.

라고 쓸 수 있습니다. 그렇다면 어떻게 확인을 할까요? 우선 알고 있는 값을 확인합니다. 반감기는 5730년으로 알 고 있습니다. 그리고 초기값인 A0, N0를 알고 있습니다. 어떻게 알까요?
반감기는 시료를 두고 일정 시간이 지난 뒤 붕괴한 정도를 파악해서 모든 방사성 동위원소의 반감기를 알아두었습니다. 그러니깐 C-14의 반감기가 5730년임을 알고 있는 것입니다.
그럼 초기값을 어떻게 알까요? C-14는 태초부터 거의 일정하다고 했었죠? 이 C-14를 생명체는 호흡이라는 활동을 통해 주기적으로 순환시킵니다. 인간, 동물, 식물들이 그래서 체내 C-14의 양이 일정합니다. 그렇기에 초기값을 공기 중 C-14값으로 정합니다. 그리고 여기서 생명체가 죽게 되었다고 합시다. 화석이 되거나 나무는 책이나 집 타고난 재 또는 가구가 되어집니다. 그럼 죽게 된 생명체는 호흡을 할까요? 호흡이 멈추게 됩니다. 그 시점부터 생명체 내 C-14는 순환이 되지 않습니다. 즉 생성은 없고 감소만 있는 상황이 온 것이지요. 그렇게 시간이 흘러 현재 계측하는 시점에 왔습니다. 그럼 t라는 시간이 흐른 지금 초기값보다 감소를 하였습니다. 이를 계측하여 확인합니다.
자 그럼 우리가 모르는 값은 무엇일까요? 바로 시간입니다. 이 시간 말고 구한 모든 값들을 넣게 되면 시간 값을 구하게 됩니다. 이러한 방식으로 고대의 물건들 또는 미라의 연대를 예측하는 것이지요.

(1900년대에 들어 C의 방사능이 요동치는 모습)

마지막으로 한계점은 없을까요?

있습니다. 앞에서부터 쭉 C-14의 농도가 일정하다는 말을 해왔습니다. 하지만 사실 일정하다고 말하기에는 편차가 존재합니다. 태양의 힘이 주기적으로 강해졌다가 약해지는데 지구에 오는 대부분의 우주선(cosmic ray)이 태양임을 생각해보면 이런 편차가 생김을 이해할 수 있습니다. 하지만 이 편차는 매우 작은 편입니다. 이것보다는 더 고려될 만한 변수가 산업혁명과 핵실험입니다. 산업혁명으로 탄소 배출량이 급격히 증가했습니다. 이것은 기존의 탄소 순환의 균형을 깨트린 것입니다. 또한 핵실험시 다량의 인공적인 C-14가 추가된 영향이 있습니다.
이러한 근현대에 들어와 일어난 변화들로 현재의 탄소 비율이 과거와 정확히 같다고 말하기는 힘들 것입니다. 하지만 이러한 편차들을 고려하더라도 연대측정이라는 것이 가능하기에 적어도 어떤 시대의 물건인지는 확실히 알게 될 것입니다.

-이미지 출처-

1. http://www.yac-uk.org/news/dinosaur-isle
2. https://www.linkedin.com/
3. http://legacy.sciencelearn.org.nz/
4. http://www.daveschultz.com/2012/12/new-element-found/radioactive-decay/
5. http://totl.eu/fundamentals-of-radiocarbon-dating/
6. http://www.irsn.fr/EN/Research/

오늘은 우주선(cosmic ray)에 관해서 이야기를 해보려고 합니다.

-갈릴레오 갈릴레이-

과거에 하늘에 떠 있는 달 별들을 보기 위해 육안으로 관찰을 했었죠. 그러다가 1608년 한스 리퍼세이에 의해 처음 굴절 망원경이 발명되었고 그 이후에 반사 망원경이 개발되었죠. 그 후에 전자기파 관측을 위해 1931년에는 칼 잰스키에 의해 전파망원경이 개발되었습니다. 이렇게 사람들은 우주의 비밀을 풀기 위해 망원경을 개발했고 그동안 수많은 의문점을 해결했습니다. 한가지 예로 갈릴레오 갈릴레이나 케플러가 지구가 둥글다는 말을 했을 때 이러한 망원경이 없었다면 주장할 근거를 찾기 어려웠을 겁니다.

하지만 이렇게 관측하는 것은 한계가 있습니다. 이제 우리가 알고자 하는 것은 더욱더 멀리 있는 우주의 일입니다. 현재의 우리의 힘으로 갈 수도 없는 곳에서 일어나는 일을 규명하고 싶어합니다. 그래서 이를 알아내기 위해 우리는 지구를 이용하게 됩니다.

지구는 두꺼운 공기층으로 되어있습니다. 우주선(cosmic ray)이 여기를 지나면서 반응을 하게 되고 여기서 발생하는 입자를 검출하여 역으로 들어온 우주선의 에너지를 예측하는 것입니다.

-2차 입자 생성-

우선 우주선(cosmic ray)은 95% 정도가 양성자 4% 정도가 헬륨인 알파선입니다. 이를 1차 입자라 하고 반응을 하게 되면 핵력을 매개하는 파이온 중간자가 발생하며 또 파이온으로부터 감마선, 전자, 뉴트리노가 발생합니다. 이를 2차 입자라 합니다. 그런데 이렇게 1차에서 2차로 반응하여 변하는 것이 꼭 샤워기에서 물 틀면 나오는 것처럼 연쇄반응으로 퍼져 나가기 때문에 에어샤워라고 합니다.
결론적으로 이 에어샤워로 나온 2차 입자를 검출하게 됩니다. 검출된 입자를 처음 들어온 우주선일때의 에너지를 역추적해서 알 수 있고 어디서 날라오는 것인지 추측할 수 있습니다.

-에너지당 들어오는 우주선속-

이 우주선(cosmic ray) 중에서 아주 높은 에너지도 있습니다. 유럽 입자 물리 연구소에서 지은 CERN이 13TeV정도 라고 하는데 가장 높은 에너지의 가속기입니다. 이보다 높은 에너지가 우주에서 옵니다. 테라는 1012 이고 1015, 1020의 에너지를 가진 입자도 들어옵니다. 이를 검출함으로써 이 에너지가 어디서 왔으며 어떻게 발생했을지를 알 수 있게 해줄지도 모릅니다. 하지만 문제점이 하나 있습니다. 이런 초고에너지의 우주선의 경우는 지구 도달 확률이 매우 낮습니다. 1016eV에너지의 입자인 경우는 1m2의 면적에 1년에 하나 들어온다고 합니다. 그리고 1018인 경우는 1km2에 1년에 하나 들어온다고 합니다. 이렇게 관측하기 힘들기 때문에 관측기의 면적은 거대해지고 있습니다.
이렇게 엄청난 에너지를 만들어내는 근원은 무엇일까요? 현재 기술로 만든 CERN도 비교적 매우작은 13TeV인데… 바로 은하 간 충돌이나 블랙홀을 가진 은하들에서 나오게 됩니다. 이를 통해 우주의 신비를 푸는 실마리를 제공해주고 있습니다.
언젠가는 우주의 비밀을 푸는 날이 기대하며… 다음에는 기회가 되면 암흑물질에 대해서도 소개해볼까 합니다.

-출처-

1. 
2. https://medium.com
3. http://www.conniemah.com
4. http://physicsopenlab.org/2016/01/02/cosmic-rays-coincidence/
5. http://personal.psu.edu/nnp/cr.html
   6.http://astronomy.nmsu.edu/tharriso/ast536/ast536week10.html

이번 시간에는 피폭을 줄이기 위해서는 어떻게 해야 할까? 라는 주제로 이야기하겠습니다.

가장 큰 요인은 무엇일까요?

우선 방사선을 적게 맞는 것이 중요하겠죠? 그래서 가장 중요한 인자는 흡수 선량입니다.
흡수 선량을 많이 맞으면 결정적인 영향 입장에서는 심각도가 증가하고 확률적 영향으로는 증상이 발생확률이 증가합니다.

그다음 고려해야 할 것이 피폭되는 범위입니다.
같은 선량을 받더라도 전신으로 나눠 받는 것이 집중적으로 받는 것보다는 장해 발생 확률이 더 낮습니다. 반대로 장해 발생 확률이 높은 선량을 전신에 받는 것보단 일부분에 집중해서 받으면 증상이 그 부분만 나타나겠죠. 그래서 적게 맞을수록 좋은 것이고 선량분포를 고려해 피폭 범위를 조절해야 할 것입니다.
다음 고려대상은 선량률입니다.
같은 선량을 하루 동안 나누어 받는 것과 1초 만에 받는 것 중 어떤 것이 타격이 클까요? 딱밤을 100대 맞는 것보다 야구방망이로 한대 맞는 것이 훨씬 아프겠죠? 그래서 받는 시간이 중요한 요인 중 하나입니다.

또 다른 고려대상은 방사선의 종류입니다.
알파선이냐 감마선이냐 베타선이냐 중성자선이냐 엑스선이냐 등에 따라 각각의 선질이 내는 에너지가 다르기 때문에 위험도가 다릅니다. 그래서 어떤 방사선을 맞았는지 아는 것이 중요합니다.
자 여기까지 말한 흡수 선량, 피폭 범위, 선량률, 방사선 선질은 우리가 미리 준비할 수 있을까요? 사고 전에 이러한 대비는 불가능합니다. 사고는 예기치 못한 곳에서 발생합니다. 그렇다면 피폭을 받고 난 후에 피폭 받는 양에 대한 방호조치에 관해서 알아보겠습니다.
여기에는 산소, 온도조작과 함께 방호물질이 기여합니다. 무엇에 기여하느냐면 방사선 감수성을 낮추는 역할을 합니다. 방사선감수성은 인체조직이 방사선을 조사받았을 때 민감하게 반응하는 정도를 말합니다. 그러니까 감수성이 낮으면 방사선이 들어와도 에너지흡수가 더 적어 피해량을 줄일 수 있습니다.

(저산소 세포는 더 높은 선량까지 살아 있음을 알 수 있다)

먼저 산소에 대해서 이야기 하겠습니다.
산소가 많으면 감수성이 올라가고 산소가 낮게 되면 장해가 감소된다고 합니다. 그렇기 때문에 피폭 시 저산소 상태를 만들어줄 필요가 있습니다.

그리고 온도에 관해서는 낮추어야 합니다. 온도를 낮추게 되면 확산속도가 낮아지고 저산소상태를 돕는 효과가 있어 방사선 감수성이 낮아집니다.
결론적으로 인위적으로 방호물질을 사용합니다. 산소를 줄이거나, 온도를 낮추는 방법을 같이 사용하면서요.

-시스테아민 : 방사선을 맞으면 -OH기가 많이 생기는데 이 -OH가 2차 반응물질을 만들어 인체를 위협합니다. 그래서 이를 환원시켜 안정된 상태로 만드는 역할을 합니다. 시스테아민은 섬유 처리제나, 사진 현상 조제 등 다양한 분야에서 사용한다고 합니다.

-수소 공여제 : 수소를 가진 물질을 넣어 -OH와 반응하여 다시 물로 만들도록 돕습니다.

-Thoil 화합물 : 인체에 투여되어 특정 세포들과 결합해 방사선으로부터 보호하는 역할을 합니다. 또한 쉽게 산화되는 특징을 가지고 있어 인체 내 산소를 가져가 저산소 상태를 유발하게 됩니다.
화학에 대한 지식은 부족하여 이 정도까지만 서술하겠습니다. 이 방호물질들은 방사선으로부터 지켜주지만 그 이상 복용하면 인체를 위험하게 만들 수 있을 것 같습니다.

이외에 추가로 고려해야 할 사항은 연령, 유효반감기입니다.
세포분열이 활발하면 방사선 감수성이 높다고 합니다. 그래서 비교적 어린 사람들이 예민한데 이러한 이유로 임신 기간에 특별히 엑스레이나 CT 촬영을 하지 말라는 이유가 여기 있습니다. 지금은 사용하지 않는 방식이지만 D=5(N-18) rem이라는 방식으로 N이 나이인데 18세 미만은 맞지 못하도록 하는 규정을 사용한 적이 있습니다. 지금은 조금 더 엄격한 잣대를 사용하는 것으로 알고 있습니다.

마지막으로 고려할 것이 유효반감기입니다. 방사성동위원소는 반감기가 있다고 했죠? 이 동위원소를 먹게 되었다면 여기서 먹었다는 것은 오염된 공간에 노출되어 공기 중으로 섭취하게 되는 경우를 말합니다. 인체 내부에서 붕괴하며 에너지를 냅니다. 그런데 반감기가 100년이라면 죽을 때까지 이물질은 남아있을까요? 그렇지 않습니다. 왜냐하면 인체는 배설을 하기 때문입니다. 배설이라는 활동을 통해 100일 정도 지나면 섭취한 물질 대부분이 빠져나간다고 보고 있습니다. 이를 생물학적 반감기라 합니다. 이 반감기 또한 고려하여 인체에 있는 동안 고려할 수 있는 반감기가 유효반감기입니다. 최대한 빨리 인체에서 빠져나가는 것이 중요하므로 이 반감기가 짧은 것이 좋습니다. 그래서 피폭이 된다면 생물학적 반감기는 촉진이 가능하므로 배설을 빠르게 하는 설사약 등을 복용하게 됩니다.

-이미지 출처-

1. CDC (Centers for Disease Control and Prevention)
2. http://www.ionactive.co.uk/glossary/absorbed_dose.html
3. http://windfiredesigns.com/Tools/CircleTool/index.html
4. http://www.physics.isu.edu/health-physics/tso/rad_training/ussconcepts.html
5. http://ozradonc.wikidot.com/rb:oxygen-effect
6. https://thebsreport.wordpress.com
7. https://hu.wikipedia.org/wiki/Ciszteamin
8. https://astarmathsandphysics.com/

급성영향의 선량별 영향과 만성영향에 대해서 소개하려고 해요. 저번 시간에 결정적 영향과 확률적 영향을 소개했었죠?
지금부터 하는 이야기는 여기에 연장선에 있습니다. 급성영향과 만성영향이 존재하는데 급성은 피폭 후 1~2개월 이내 만성은 그 이후에 영향이 나타나는 것을 말합니다.

우선 만성영향은 확률적 영향에 따른 결과입니다.

어떤 식으로 발생을 하는가?

방사선은 유기체에 직접작용을 하거나 물 분자를 전리시켜서 손상을 입히는 간접작용이 존재합니다. 만성영향의 경우는 간접작용에 해당합니다. 이로 인해 정상 세포가 방사선에 피폭되어 손상을 입었다면 그 후 생물학적 과정을 통해 손상이 복구되나 안 될 가능성도 있습니다. 이 손상당한 세포가 촉진물질과 접촉해 종양이 생긴다고 합니다.
만성영향으로 보통 노화, 암 발생 확률 증가. 수명 단축, 유전 변형 같은 영향을 불러옵니다.

이번에는 급성 영향입니다.

어떤 식으로 발생을 하는가?

유기체를 직접 파괴하는 직접작용으로 작용합니다.
이 영향으로 고 방사선에서는 급성 방사선 증후군이 나타나게 됩니다. 저번 포스팅에서 1Sv는 매우 큰 에너지라고 말씀드렸었죠? 그걸 기준으로 보시면 이해하기 편할 것입니다.

이보다 높은 선량은 100% 사망합니다. 약 9~10Sv 정도를 받게 되면 소화기관의 장애가 생기는 위장증후군으로 2~5일 만에 사망에 이른다고 합니다. 그리고 100Sv를 받게 되면 중추신경에 손상이 일어나 피폭후 5~6시간이 지나면 혈관염, 유종, 뇌막염등의 질병이 발생해 사망한다고 합니다. 그리고 1000Sv라는 아주 큰 양의 방사선을 맞게 된다면 즉사하게 됩니다. 이를 분자사라고 하는데요. 분자 수준에서 기능을 상실한다고 합니다. 상당히 무섭네요...

그렇다면 우리가 일상 속에서 맞는 양은 어느정도 일까요?

안심해도 될 것이 일반인의 연간 선량한도는 1mSv입니다. 이 선량 이상은 안 받도록 사회적으로 통제하려고 노력하고 있는 것이지요. 엑스레이 한 장 찍는데 0.6mSv 일본 후쿠시마 근처의 시간당 노출량이 1.2mSv라고 합니다. 우리가 위험한 선량보다는 한참 아래에 있죠.. 그래도 무시할 수 없는 것이 확률적 영향입니다.

확률적 영향은 확률이 있겠죠? 옛날 히로시마에 원자폭탄이 떨어졌을 때 많은 사람들이 피폭되었죠.. 이를 바탕으로 인체에 미치는 영향에 대해 수많은 정보를 얻을 수 있었다고 해요.. 그래서 정보를 분석 연구하여 지금은 확률을 추정하고 있습니다. 대략 1Sv를 받게 되면 증상 발현 확률이 5.5.%라고 합니다. 만약 여러분이 0.6mSv짜리 엑스레이 사진 한 장을 찍었을 때 암이 생길 확률이 0.000033%입니다. 백만 분에 33의 확률이죠. 무시할 수 있는 확률이지만 이 확률 또한 낮추기 위해 여러 노력을 하고 있습니다. 예전에 포스팅한 삼성전자의 연구처럼 말이죠.

정리하자면

5Sv 정도가 넘는 선량을 맞으면 거의 사망한다.
일상생활에서 맞는 양은 연간 1mSv 정도이다.
이 값의 차이는 대략 5000배이다.
확률적으로 발현할 수 있지만 이 확률은 극히 적다.

-이미지 출처-

1. CDC (Centers for Disease Control and Prevention)
2. https://www.gesundheitsstadt-berlin.de/immunsystem-kann-krebs-in-schlaf-versetzen-1305/
3. https://panthersgetnuclear2.wikispaces.com/Levels+of+Radiation+Exposure+and+Sickness
4. http://ecoroko.tistory.com/tag/%ED%94%BC%ED%8F%AD%ED%98%84%EC%83%81
5. http://www.popularmechanics.com/military/a23306/nuclear-bombs-powerful-today/

저번 포스팅에서 각종 방사선 에너지 단위를 소개해 드렸습니다. 우리가 사용하는 단위는 Sv였죠.
추가로 말하자면 (방사선 계수, 조직가중치가 1이라고 가정하고) 1Sv=1Gy라고 보면 이게 1kg당 1J이라는 에너지양인데 1J 정도면 어느 정도의 에너지냐면 6.25ⅹ10^18eV입니다. 1g당으로 보면 6.25ⅹ10^15eV이군요. 1eV는 전자 하나를 1V의 전위차로 가속되면서 얻는 에너지입니다. 그렇다면 1g당 전자 하나가 6.25ⅹ10^15V로 가속되어 얻게 되는 에너지가 1Sv라는 말이 됩니다. 네, 무시할 수 없는 큰 에너지입니다.
그러니까 결론은 1Sv는 작은 에너지가 아니다!! 라고 이해하시면 됩니다.

자 본론으로 돌아와서 방사선은 우리의 몸에 결정적인 영향을 줄 수도 있고 확률적인 영향을 줄 수도 있습니다. 이게 무슨 말인지….?!! 설명해보겠습니다.ㅎㅎ

문턱 선량이란?

문턱 선량이라는 말이 있습니다. 문턱이 되는 선량이라고 해서 이 선량을 넘으면 100프로의 확률로 문제가 발생한다는 말입니다. 이 문턱 선량값이 적용이 되는 것을 결정적 영향입니다.
그렇다면 이 문턱 선량이 안 넘는 세기의 방사선을 피폭당했다면 괜찮을까요? 그렇지 않습니다… 이보다 낮은 세기의 방사선을 맞았을 때도 이상이 생길 수 있는데 이러한 원인을 확률적 영향이라 합니다.
두 가지의 차이?

잠깐 다른 이야기를 하지면 국제적으로 방사선 방호원칙이라는 것이 존재합니다. 방호의 정당화, 최적화 그리고 선량한도라는 원칙이 존재하는데요. 여기서 최적화 원칙은 최대한 발현 확률을 줄이는 것이 주목적이고 선량한도는 문턱 선량 값을 넘지 말 것을 권고합니다. 이처럼 두 가지를 따로 지정하였다는 것은 두 가지가 다른 점이 많이 존재합니다. 원인, 특성, 발현 질병의 차이가 생기기 때문이기도 하고 확률이 0인 상태로 막는 것은 정당화 원칙에 위배되는 이유기도 합니다. 이에 관하여서는 나중에 자세히 소개해드리고 어떠한 차이가 있는지 설명해보겠습니다!

이 두가지 차이를 말로 길게 쓰는 것 보다는 표로 정리해서 말하는게 간편할 것 같아서 표로 정리해 보았습니다. 우선 그림에서 보듯이 심각도라는 것은 더 큰 세기를 맞은 거에 따른 심각한 정도를 말합니다. 확률적 영향은 확률이 낮을 뿐이지 발현 가능성은 존재하므로 심각도는 일정하게 높게 보고 있습니다. 그리고 만약 피폭되었을 당시 화상을 입었다면 필히 결정적 확률일 것입니다. 하지만 확률적 영향은 그러한 특성이 없어 만약 저 선량의 방사선을 맞고 시간이 좀 지나 암에 걸렸다면 느낌은 아 피폭 때문에 병에 걸린 거 같은데…라고 생각할 수도 있지만 타원인과 구별되는 특징이 없어 단지 추측만 가능할 뿐입니다.

정리

강한 방사선에 피폭되면 무조건 인체에 영향이 발현한다.
약한 방사선에 피폭되더라도 확률적으로 발현한다.
이를 방사선 방호원칙에 따라 각각 선량한도, 방호 최적화 원칙으로 발현을 방지, 최소화한다.

-이미지 출처-

1. CDC (Centers for Disease Control and Prevention)
2. http://starsdestination.blogspot.kr/2013/02/accelerators-storage-rings.html
3. https://science.education.nih.gov/supplements/webversions/Chemicals/guide/lesson3-1.html
4. http://itrs.hanyang.ac.kr/radiation/file/for%20workers/worker%20risk.htm