알파선의 전리와 들뜸, 전리 능력

알파입자는 중하전입자의 일종으로 알파선의 에너지 손실은 대부분 전리와 들뜸에 의해서 이루어집니다. 중하전입자인 알파입자는 전자에 비교했을 때 질량이 매우 크며 알파입자의 전하량은 양성자 또는 중성자의 전하량의 2배에 가깝기에 전자와 비교해 보았을 때 비전하, 즉 단위 질량당 전하량이 매우 작습니다. 운동에너지가 같은 경우에 질량이 작은 전자의 속도는 중하전입자의 속도와 비교해 보았을 때 매우 빠르며 그 속도는 광속도에 가깝기에 중하전입자인 알파선과 경 하전입자는 물질과의 상호작용이 현저하게 다릅니다. 따라서 이번 시간에는 중하전입자의 하나인 알파선의 상호작용에 대해서 알아보겠습니다.

 

알파선의 전리와 들뜸, 전리 능력

 

알파선의 전리 작용과 들뜸

 

 

알파입자는 물질을 통과할 때 물질의 원자나 분자를 전리나 들뜸을 일으킴으로써 물질에 에너지를 주고 자신은 운동에너지를 잃습니다. 이와 같은 이온화 능력이 아주 강해서 많은 이온쌍을 형성합니다. 그 결과 물질에 대한 투과력이 약해져서 종이 1장 정도로도 쉽게 차폐됩니다. 즉 투과력이 낮다는 것은 물체에서 손실되는 에너지가 많다는 것이고 통과한 후 입자가 가지는 에너지가 적다는 것입니다.

 

들뜸이란 에너지를 받은 원자나 분자가 바닥상태로부터 에너지가 높은 들뜬상태로 이행되는 것으로써 들뜬 원자들은 극히 짧은 시간 내에 바닥상태로 되돌아오면서 적외선, 가시광선, 자외선, 특성 X선 등의 파장영역을 가진 전자기파를 방출합니다.

 

충분한 에너지가 물질에 주어지면 물질의 원자 또는 분자가 전자를 잃고 이온화되어 알파입자의 궤적을 따라 많은 이온과 전자가 생성됩니다. 즉, 전자가 원자핵의 궤도 밖까지 나온 상태를 전리된 상태라 합니다. 물질 원자의 궤도전자 근처를 지날 때 그 궤도전자를 밀어내고 중성 원자 또는 분자가 전리되어 생긴 양이온과 음이온인 전자를 이온쌍이라 합니다. 이때 이온쌍을 만드는 데 필요한 에너지를 전리 에너지, 즉 이온화에너지라고 합니다.

 

원자에 주어진 에너지에서 전리 에너지를 뺀 나머지는 대부분 전자에 운동에너지로 부여하며 속도를 얻은 전자가 또 다른 원자를 전리시키는 데 사용하기도 합니다. 전리시킬 수 있을 만큼의 충분한 운동에너지를 가진 2차 전자를 델타전자라 하고, 델타전자에 의한 전리를 2차 전리라 합니다.

알파입자는 물질 내부를 통과할 때 이온쌍을 지속해서 만들어 내기 때문에 알파입자는 자신의 에너지를 점차 잃어버리고 결국에는 전자를 획득하여 중성 헬륨 원자가 됩니다. 여기서 1차 전리란 하전입자와의 직접적인 쿨링력에 의한 원자의 전리를 말하고, 2차 전리는 1차 전리에 의해서 만들어진 델타선, 즉 델타전자의 흐름에 의한 전리를 말하며, 1차 전리, 2차 전리 등을 합쳐서 총 전리라고 합니다. 총전리를 측정하여 W값을 얻을 수 있습니다.

 

W값이란 하나의 이온쌍을 만드는 데 필요한 평균 전리 에너지를 의미합니다. W값은 하전입자의 초기 운동에너지에 비례하며, 운동에너지가 전부 사라질 때까지 만들어진 이온쌍의 평균수에 반비례합니다. W값은 입사입자의 종류와 에너지에 별로 영향을 받지 않으며 흡수 물질의 종류에는 미약하게 영향을 받습니다. 기체에서의 W값은 기체의 종류에 따라 다소 차이가 있으나 평균적으로 대략 34eV 정도가 됩니다.

 

하지만 W값을 1회의 전리작용에서 잃어버린 에너지의 평균값이라고 말할 수는 없습니다. 그 이유는 에너지의 손실량 중에는 들뜸 작용으로 인한 손실량과 2차 전자에 의한 손실량도 포함되어 있기 때문입니다. 따라서 W값과 전리 에너지는 일치하지 않습니다.

 

하전입자에 의한 전리와 들뜸 작용은 방사선의 검출에 이용되며 대부분의 검출기의 원리는 이러한 작용에 따라 다릅니다. 즉, 하전입자의 전리와 들뜸 작용에 의한 것입니다.

 

 

전리 능력이란?

 

 

전리 능력이라는 것은 과학에서 중요한 개념으로, 물질과 상호작용하는 입자가 그 과정에서 에너지를 얼마나 잃는지를 나타내는 지표가 됩니다. 이 지표는 물질을 통과하는 입자의 속성과 속도, 그리고 상호작용하는 동안 물질의 종류에 따라 달라집니다. 특히 입자의 속도가 빠르면 상호작용하는 시간이 줄어들게 되어, 그 결과로 입자는 더 적은 양의 에너지를 잃게 됩니다. 이는 비전리 에너지 손실이 감소한다는 것을 의미합니다. 또한, 입자의 전하량이 많을수록, 즉 더 많은 전기적 충전을 가질수록 상호작용하는 물질에 더 많은 영향을 미치게 되어 비전리 손실이 증가하게 됩니다.

 

이러한 원리에 따라, 알파입자와 같이 질량이 크고 전하량이 많은 입자는 비전리 손실이 상대적으로 높습니다. 이는 양성자선이나 중 양성자선과 같은 다른 입자들에 비해 높은 비전리 손실을 나타낸다는 것을 의미합니다. 반면에 입자의 에너지가 낮아질수록, 즉 입자가 느려질수록 상호작용하는 시간이 길어지고, 이는 비전리 손실이 증가하게 됩니다. 특히 알파입자의 경우, 특정 에너지 수준에서 비전리 손실이 최대치에 도달하며, 그 이하의 에너지에서는 비전리 손실이 급격히 감소합니다.

 

이러한 현상은 비전리 곡선을 통해 시각적으로 표현될 수 있으며, 이 곡선은 입자의 에너지가 감소함에 따라 비전리 손실이 어떻게 변화하는지를 보여줍니다. 전리 능력에 대한 이해는 물리학, 화학, 생명 과학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하며, 특히 방사선 치료나 방사선을 이용한 연구에서 핵심적인 개념으로 자리 잡고 있습니다. 이러한 지식은 물질과 입자의 상호작용을 이해하고, 그 결과로 발생하는 에너지 손실을 예측하는 데 중요한 기반을 제공합니다.