X선의 발견과 특성

방사선은 우리 주위에 다양하게 존재하지만 그중 가장 잘 알려진 것은 바로 X선입니다. X선은 의료, 산업 등 여러 분야에서 사용하는데 이번 글에선 여러 분야에서 사용되는 X선이 어떻게 발견되었는지, 어떤 특성을 가졌는지를 알아보겠습니다.

 

X선의 발견과 특성

 

X선의 발견과 특성

 

 

19세기 후반의 과학자들은 가스에서 전하의 이동을 중점적으로 연구하고 있었습니다. 이때 진공상태의 방전관을 사용하였습니다. 그 당시 물리학에서는 전자에 대해 알지 못하고 있었습니다. 과학자들은 고전압을 걸어준 음극과 양극 사이에서 좁은 띠의 빛을 내는 것을 보았습니다. 그러나 그것이 입자인지 또는 파동인지를 정확히 알지 못했습니다. 따라서 이 선을 음극선이라 불렀습니다. 독일의 물리학자 뢴트겐도 종전에 해오던 실험을 반복적으로 실행하고 있었습니다.

 

1895년 11월 8일 뢴트겐은 검은 종이로 완전히 덮은 진공방전관인 히톨프-크룩스관(Hittorf-Crookes tube)을 가지고 연구하는 중 crystals of barium platinocyanide에서 형광이 나타나는 것을 목격했습니다. 뢴트겐은 계속 이 실험에 몰두하게 되었고 결국 히톨프-크룩스관에서 발생하는, 지금까지 알려지지 않은 어떤 선에 의해서 crystals of barium platinocyanide를 칠한 판이 형광을 나타낸다는 것을 발견하였습니다. 이 선은 그 정체를 알 수 없는 데서 X선이라고 하고 또한 발견자의 이름을 따서 뢴트겐선(Röntgen Ray)이라고도 합니다.

 

 

X선의 특성

 

 

임상의학에서 사용되는 방사선 중에서 X선은 그 범위가 다양하고 많습니다. 이 X선은 냄새도 색깔도 없으며 우리 눈에 보이지 않고 피부로 느낄 수 없으나 여러 작용으로 인해 생체에 악영향을 미칠 수 있으므로 X선의 다양한 작용을 알고 대처해야 합니다. 아래 작용은 X선의 대표적인 특성입니다.

 

1. X선은 빛과 같이 전하와 질량이 없는 전자기파의 일종이지만 파장이 물질 내의 원자 간의 거리와 거의 같은 정도의 짧은 것이므로 빛과는 다른 성질이 있고, 특히 단파장의 X선은 감마선과 비슷합니다. X선은 전하가 가지지 않기 때문에 전기장이나 자기장 내에서 편향되지 않습니다.

 

2. X선은 파장이 매우 짧아서 물체에 대한 강한 투과력을 가지고 있습니다. 특히 단파장인 X선일수록 강한 투과력을 가집니다. 물체에 대해서 투과력이 강한 X선을 Hard X-ray, 비교적 투과력이 약한 X선을 Soft X-ray이라 합니다. X선을 투과하는 정도는 물체의 종류에 따라 다르며, 원자번호와 밀도가 높은 물질일수록 X선이 투과하기 어렵습니다.

 

X선은 물체에서 투과뿐만 아니라 흡수와 산란이 일어나므로 물체를 통과한 후에는 감쇠가 일어납니다. 물체의 두께, 원자번호, 밀도 등이 다르면 감쇠 효과가 다르므로 물체의 종류에 따라 투과한 X선의 강도가 다릅니다. 따라서 물체의 뒤쪽에 형광판 또는 사진필름을 놓으면 물체 내부의 원자번호와 밀도의 변화 등에 대응하는 명암 또는 농도 차이에 의해서 물체의 내부상태를 알 수 있습니다. 이런 X선의 감쇠 효과를 이용해 영상을 구성합니다. 의학에서는 이 특성을 이용해 신체 내부를 검사합니다. 또한 X선을 이용한 비파괴검사도 이 특성을 이용한 것입니다.

 

3. X선은 광화학적 작용으로 감광막(필름, 사진건판 등)에 잠상을 형성하는데 이 잠상을 현상하여 흑백의 X선 사진을 얻을 수 있다. 즉 X선은 감광막을 흑화시키는 사진 작용을 유발합니다.

 

4. 형광작용이란 일반적으로 자외선이나 방사선을 어느 특별한 물질에 조사하면 그 물질로부터 특수한 빛을 내는 작용을 말하며, 이때 발생하는 빛을 형광(fluorescence)이라 하고 형광 성질을 가진 물질을 형광물질(fluorescent material)이라 합니다. X선을 형광물질에 투과하면 이 물질에 흡수되어 파장이 긴 복사에너지로 변하여 눈으로 볼 수 있는 형광이 발생한다. 그러므로 X선을 간접적으로 육안으로 포착할 수 있습니다. 투시용이나 간접 촬영용의 형광판 및 방사선의 검출에 이용하는 섬광체(scintillator; 방사선의 흡수 에너지를 형광 에너지로 변환시키는 물질) 는 이 원리를 이용한 것입니다. 사진 작용과 형광작용은 모두 필름 흑화에 이용됩니다. 이 효과에 의해서 X선이 발견되었습니다.

 

5. 에너지가 크기 때문에 물질을 통과하면 그 통로에 닿는 원자나 분자를 전리시키는 작용이 있습니다. X선에 의한 전리작용은 주로 2차로 발생 된 하전입자에 의한 간접작용이 대부분입니다. 전리작용이 원인이 되어 X선이 투과된 생체에는 여러 가지 변화가 일어나며, 피폭선량이 어느 한계를 넘으면 장해를 일으키게 되거나 유전적 기형을 유발합니다. X선을 투과시킬 땐 민감한 조혈장기, 수정체 등의 피폭을 피해야 합니다. 따라서 방사선을 사용할 땐 신중해야 하며 이에 대한 관리를 법률로 규제되어 있습니다. X선의 ‘공기를 전리시키는 성질’을 이용해 여러 가지 선량계를 만들어 선량 측정에 이용하고 있습니다.

 

6. 어떠한 화학반응은 X선이 투과되어 발생한다고 알려져 있습니다. 생체에서의 1차 전리는 생체조직의 대략 70%를 차지하는 물분자에서 일어납니다. X선이 물에 투과되면 전리와 들뜸이 발생해 물은 전자, 양이온, 유리기(free radical)를 생성하는 화학작용을 일으킵니다. X선은 이온이나 유리기 등을 발생시킴으로써 생체조직의 변화를 유발합니다. 이들은 생체조직의 단백질과 작용해 세포 내의 DNA의 결합을 절단시켜 손상을 초래합니다. 진단을 할 땐 이 효과가 나타나지 않도록 확실히 방사선방호를 합니다. 이와 같은 생물학적 작용은 생체조직에 작용하여 장해를 일으키는 결점이 있지만, 이 작용을 이용해 암 조직을 파괴하는 암 치료에 이용할 수 있는 장점이 있습니다.