공부하고 정리하고

방사선은 공기를 전리시킬 수 있는 전리방사선과 비전리 방사선으로 나누어진다. 

비전리의 경우는 자외선, 적외선, 가시광선과 같은 빛을 말하고 전리 방사선은 우리가 흔히 말하는 방사선으로 쓰인다. 

전리방사선에는 알파선, 베타선, 중하전입자선, 중성자선, 엑스선, 감마선 등이 있다. 

방사선은 비교적 높은 에너지를 가지고 나아가며 주변 매질과 상호작용해 에너지를 잃어 주변 매질이 피폭을 받게 된다. 

발생기전과 매질에서의 상호작용 등 기초적인 이론에 대해 알아보고자 한다. 

알파선 

헬륨의 형태로 무거운 원자핵으로 부터 방출되는 방사선. (보통 Z>83, 예외 존재)

알파붕괴를 하면서 모핵의 질량수는 4 원자번호는 2가 감소한다. 

대부분의 알파입자는 3~7MeV정도의 에너지를 가지고 방출한다. 

높은 에너지를 가졌지만 비교적 무거운 알파선은 비정이 작아서 별로 나아가지 못하고 방출한 지점 근처에서 가진 모든 에너지를 잃어버린다. (알파붕괴)

따라서 외부피폭에서는 크게 안 위험하지만 내부피폭에서는 심각하게 고려해야 하는 대상이 된다. 

베타선 

고에너지의 전자나 양전자 입자를 말함.

베타마이너스 붕괴, 베타 플러스 붕괴, 오제전자로 발생

- 베타마이너스 붕괴

중성자과잉핵종에서 보통 발생(핵분열성물질은 중성자과잉핵종)

원자핵에 있는 중성자가 음전자를 방출하며 양성자가 되며 원자번호가 증가함. 

- 베터플러스 붕괴

양성자과잉핵종에서 보통 발생

원자핵에 있는 양성자가 양전자를 방출하며 중성자가 되어 원자번호가 감소함.

- 오제전자

원자핵의 전자포획, 내부전환 또는 X선에 의해 K껍질 혹은 안쪽 껍질의 전자에 vacancy가 발생했을 때 바깥쪽의 전자가 vacancy로 떨어지면서

여분의 에너지를 방출함. 이때 X선 혹은 오제전자로 방출되는데 두가지는 경쟁적으로 발생.

- 내부전환전자 

들뜬 상태의 원자핵이 감마선을 방출해야 할 에너지가 궤도전자에 주어 감마선 대신 원자궤도의 전자를 원자 밖으로 때려냄. 감마선 방출과 경쟁.

엑스선

자외선보다 짧고 보통 감마선보다 긴 파장을 가진 방사선. (엑스선 : 전자에 의해 감마선 : 원자핵에 의해)

- 제동복사선

매질을 통과하는 전자선이 매질내에 있는 핵자의 전하가 형성하는 전기장의 영향으로 궤도의 방향이 바뀌게 되고 이때 제동복사선을 방출함. 

방출되는 X선은 연속스펙트럼을 가짐.  

- 특성 X선 

고에너지 전자가 매질과 충돌하면 원자는 들뜨게 되고 에너지 준위가 가장 낮은 K각 전자가 원자 바깥으로 때려져 나갔다면 에너지 준위가 높은 바같쪽 궤도전자가 vacancy인 k각 궤도로 전이함. 이때 그만큼 남는 에너지를 방출하는데 전자기파의 형태로 방출할 경우 특성 X선이라 함. 

- 전자포획 

양성자과잉핵종에서 발생함. 베타 플러스 붕괴를 하기에는 충분한 에너지가 없을 경우 K, L 껍질의 전자를 양성자가 포획하여 중성자 및 중성미자를 형성. 이후 내부 껍질이 비면서 외부 껍질 전자가 천이하고 이때 X선이 발생. 

- 내부전환효과 

내부전환전자가 방출된 후에 vacancy에 외부 껍질의 전자가 천이하면서 X선 발생.

감마선 

전자기 스펙트럼에서 가장 높은 에너지 레벨을 가짐. 원자핵 전이로 발생. 

- 베타마이너스 붕괴 / 베타 플러스 붕괴 

베타붕괴로 인해 들뜨게 된 핵자가 전자기파를 방출 하면서 감마선 발생. 

- 알파붕괴

알파선을 방출한 들뜬 원자핵이 감마선 방출 

물질과의 반응

하전입자

필요 개념 : 탄성산란, 비탄성산란, 비정, 저지능

-       비정

물질속에 방사선 입자가 입사하여 에너지를 전부 잃을 때까지 진행한 도달거리를 말함.

저지능이 클수록 비정은 짧아짐.

-       저지능과 LET

단위거리 당 방사선입자가 에너지를 잃는 비율을 저지능 단위거리 당 방사선입자로부터 물질에 전달되는 에너지

-       탄성산란

반응전후 운동에너지가 보존됨.

-       비탄성산란

충돌 후 원자핵에 되튐에너지를 주고 동시에 핵을 들뜨게 함.

알파선 및 중하전입자 

하전입자가 물질을 통과할 때, 물질 내 전자와의 비탄성산란 그리고 핵과의 탄성산란에 의해 에너지를 잃어버림.  

(이외에도 체렌코프 방사, 핵반응, 제동복사 등)

대부분의 에너지손실은 전자와의 비탄성산란으로 발생. 

비탄성산란 확률은 통계적 요동을 동반하지만 총 에너지 손실부분에서 요동은 매우 적음. (에너지 손실 정도가 비슷 -> 비정이 비슷)

단위길이 당 평균 에너지 손실 정도를 저지능이라 하며 이 저지능을 계산하는 식을 Bethe-Bloch 공식이라 함. 

베타선 

매질을 지나면서 제동복사를 함. 

연속스펙트럼 발생.

베타붕괴시 (오제전자 등은 발생기전에 차이가 존재. 즉, 여기서 말하는 베타붕괴와는 다름)

베타분열은 3체분열. (딸핵, 전자, 중성미자)

에너지의 대부분은 질량이 상대적으로 매우 작은 전자와 중성미자가 가져감. 그러나 배분율에는 여러가지 값으로 발생하므로 연속스펙트럼으로 발생.

평균 에너지 : 최대치의 1/3

물질과 상호작용

저지능 : 단위길이당 평균 에너지 손실[MeV/cm]

-       질량저지능 물질의 밀도 종속성을 배제하기 위해 저지능을 밀도로 나눈값

[비교해야하는 개념]

LET(선에너지전달)

물질에 전달되는 에너지중 2차 방사선과 같이 물질로부터 빠져 나가는 방사선을 제외하고 전달된 에너지로 정의.

저지능은 입자 중심/ 선에너지전달은 물질 중심의 해석

è  비정

입사한 방사선이 모든 에너지를 잃어버릴때까지 이동하는 거리를 말함.

알파선의 경우는 방출되었을 때 에너지가 균일하고 직진성이 있기 때문에 도달거리가 거의 비슷함. 하지만 통계적 요동현상에 의해 조금씩 차이가 나 평균도달거리와 외삽거리 두가지를 사용해 알파입자의 도달거리를 정의함.

하지만, 베타선의 경우 방출되는 입자(전자)가 질량이 가벼워 물질의 하전입자들과 상호작용이 크게 작용하고 탄성/비탄성산란을 하면서 지그재그 운동하여 직선이동을 하는 비정을 구하는 것은 무의미. 따라서 베타선의 비정은 물질층에 의한 전자 흡수 또는 투과정도를 실측하여 전자선의 외삽거리 및 최대도달 거리를 구한다.

실험식 :

탄성산란/비탄성산란

충돌과정에서 에너지를 잃어버리지 않으면 탄성산란 에너지를 잃으면 비탄성산란

X선과 감마선

발생기전의 차이가 있지만 물질과의 상호작용 특성은 동일하며 에너지 레벨 별로 반응의 차이가 발생

크게 광전효과/ 컴프턴산란/ 쌍생성/ 광핵반응 등이 있음.

-       광전효과

<0.5MeV 에서 발생.

발생 확률 : 원자번호의 5승에 비례하고 에너지의 3.5승에 반비례

원리 : 원자에 입사하여 원자내의 전자를 틔어나가게 하고 감마선은 소멸됨

-       컴프턴산란

0.5MeV~5MeV에서 발생

발생 확률 : 원자번호에 비례하고 에너지에 반비례

식 :

원리 : 광자가 원자의 최외각전자 또는 자유전자와 상호작용하여 에너지의 일부를 주고 자기 자신은 산란되어 나감

-       전자쌍생성

1.02MeV< 발생

발생 확률 : 원자번호 제곱에 비례하고 입사광의 에너지가 클수록 발생.  

원리 : 고에너지의 감마선이 원자의 근처를 지나가면서 방사선이 소멸하면서 양전자와 음전자를 생성, 양전자는 생성과 동시에 주변 전자와 상호작용하며 소멸. 양전자, 음전자는 에너지를 1/2로 나누어 가짐, 이때 양전자가 1.02 <MeV이상의 경우는 주변의 음전하와 반응하여 감마선 방출.

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