알파선의 물질 투과 능력과 탄성산란

물질에 영향을 주는 방사선에는 비하전 입자선과 하전입자선으로 나눌 수 있습니다. 그중에서 하전입자선은 여러 종류가 있습니다. 대표적으로 알파선, 베타선, 전자선 등이 있는데 그중 가장 무거운 하전입자선인 알파선의 물질 투과 능력과 탄성산란에 대하여 써보겠습니다.

 

알파선의 물질 투과 능력과 탄성산란

 

물질 투과 능력

 

 

하전입자의 물질 투과 능력은 저지능이나 비정으로 표시합니다.

선저지능이란 하전입자가 물질 내에서 주행한 단위 길이당 잃어버린 에너지를 의미합니다. 선저지능의 종류에는 충돌 선저지능과 복사 선저지능이 있고, 둘을 합친 것을 전체 선저지능이라 합니다.

 

충돌 선저지능이란 하전입자가 물질 내에서 궤도전자와 충돌하여 전리나 들뜸에 의한 단위 길이당 손실에너지를 의미하며, 복사 선저지능은 하전입자와 원자핵과의 작용에서 기인한 제동복사에 의한 단위 길이당 손실되는 에너지를 의미합니다. 복사 선저지능은 알파입자, 양성자 등의 중하전입자에서는 거의 없으며, 주로 고에너지 전자에서 나타납니다. 선저지능을 물질의 밀도로 나눈 것을 질량저지능이라고 합니다. 질량저지능의 값이 실용적이므로 주로 사용됩니다.

 

물질의 저지능은 물질의 어떤 두께를 통과한 입자의 에너지를 측정함으로써 실험적으로 얻어집니다. 저지능은 입자의 속도에 따라 변하므로 측정 물질에서의 저지능과 표준물질에서의 저지능의 비를 고려한 상대저지능을 사용하면 편리합니다. 상대저지능은 공기 중에서의 저지능에 대한 측정 물질 중에서의 저지능의 비로 정의됩니다. 다시 말하면 물질 내에서의 비정에 대한 공기 중에서의 비정 R의 비가 됩니다.

저지능은 하전입자의 물질 투과력을 표시하는 데 유용하지만 측정할 때는 비정이 더 많이 이용됩니다. 알파 입자는 무겁기 때문에 원자 내의 전자와의 상호작용에서는 진행 방향이 굴절되지 않고 일직선으로 나아가며, 또 알파선의 에너지는 핵종에 따라 고유한 값을 가지고 있으므로 물질 내에서 어느 일정한 거리만큼 주행합니다. 이 거리를 비정이라 합니다. 다시 말하면 비정이란 하전입자가 물질 내에서 그 운 에너지를 잃어버릴 때까지 주행한 직선거리를 말합니다.

 

비정의 단위는 길이의 단위지만 목적에 따라서 밀도를 고려한 당량 두께로 표시되기도 합니다. 이 단위로 표시된 경우는 물질의 밀도에 의존되지 않고 입자의 종류와 에너지에 의해서 결정됩니다. 비정 R과 선저지능 S는 서로 반비례 관계입니다. 따라서 상대적 전리 능력이 크면 저지능이 크므로 비정이 짧아집니다. 그러므로 알파선의 비정은 전자선의 비정에 비하면 현저하게 작지만, 에너지가 클수록 비정은 커집니다. 이같이 비정은 입자의 에너지, 물질의 종류 및 밀도에 의존하게 됩니다.

어떤 선원으로부터 방출된 입자들이 같은 에너지를 가지게 되더라도 그들 각각의 비정이 모두 같은 것은 아닙니다. 이런 현상을 요동이라 합니다. 입자들이 물질의 원자나 분자와 충돌할 때 손실하는 에너지가 다르기 때문에 에너지를 완전히 소비하고 멈출 때까지 실제로 이동한 거리가 다르므로 요동이 생기는 것입니다. 요동 때문에 실제 비정이 다르므로 유효 비정이나 평균 비정을 이용합니다. 유효 비정은 실용 비정이라고도 하며, 곡선의 직선 부분의 연장과 횡축의 교점까지의 거리를 말합니다.

 

평균 비정은 입자의 수가 처음 수의 절반이 되기까지의 거리를 의미합니다. 또한 가장 긴 비정을 최대 비정이라 하고, 요동의 크기는 유효 비정과 평균 비정의 차에 해당합니다. 알파입자의 평균 비정은 표준상태의 공기 중에서 알파입자 속도의 세제곱에 비례합니다. 또한 비정은 물질의 종류에 따라 다르게 됩니다. 예를 들어 생체조직에서는 공기 중의 비정과 비례하며 생체조직의 밀도와 반비례하고 공기의 밀도에 비례하게 됩니다.

 

선 에너지 전달은 비정과 반비례하며 에너지에 비례합니다. 즉, LET는 단위 길이당 물질에 주는 평균 에너지를 뜻합니다. 전리 능력이 낮은 X선, 감마선 및 전자선은 저 LET 방사선에 속하고, 전리 능력이 큰 양성자선, 알파선, 중이온 선 등은 고 LET 방사선에 속합니다.

 

 

탄성산란이란?

 

 

하전입자가 물질 속을 통과할 때 원자핵 근처에서 쿨롱력에 의해 진행 방향이 구부러집니다. 이때 입사입자의 운동에너지는 변함이 없고 방향만 변하는 경우를 탄성산란이라고 합니다. 탄성산란은 러더퍼드의 원자 모형 가설에 따라 원자가 전체 질량의 대부분을 가진 양전하의 아주 작은 핵과 약간 떨어져 있는 음전하의 전자들로 구성되어 있기 때문입니다. 이에 따라 원자는 거의 빈 곳이므로 알파입자들은 대부분 아무 영향도 받지 않고 금박을 뚫고 나와 직진합니다. 알파입자는 질량이 크기 때문에 전자와 상호작용할 때도 거의 편향하지 않고 직진하며, 전자는 매우 가벼우므로 입자에 의해 쉽게 축출됩니다.

 

그러나 핵 가까이 오는 입자는 강한 전기력을 받아 큰 각도로 산란하며, 어떤 경우에는 후방으로 산란하기도 합니다. 진행 방향이 반대되는 산란을 후방산란이라고 합니다. 그러나 알파입자와 원자핵과의 충돌에 의한 탄성산란의 확률은 아주 낮습니다.

 

알파선과 물질과의 상호작용을 요약하면 다음과 같습니다. 알파선은 물질과의 상호작용이 베타선에 비해 대단히 크며, 에너지가 물질 속에서 급속히 감소하므로 비정은 공기 속에서 보통 수 cm, 연부조직에서는 수십 마이크로미터 정도에 불과합니다. 주로 궤도전자와 상호작용하여 전리와 들뜸을 일으키면서 그 에너지를 잃습니다.

 

원자핵에 의한 탄성산란도 전자선에 비해 아주 적으며, 질량이 매우 커서 속도의 감소가 적기 때문에 비탄성산란에 의한 제동복사는 거의 없습니다. 원자핵과 충돌하여 핵반응을 일으키는 경우도 있지만 그 확률은 매우 낮습니다. 양성자나 중성자와 같은 하전입자선은 알파선과 거의 같은 성질을 갖습니다.