베타선과 물질과의 상호작용

베타선과 물질과의 상호작용

 

베타선은 방사성 원소가 핵붕괴 할 때 핵 내부로부터 방출되는 고속의 전자선으로서 베타 플러스 선과 베타 마이너스 선이 있습니다. 그러나 일반적으로 전자선이라 불리는 것은 핵 외부의 전자를 인공적으로 가속하여 얻은 것입니다. 상대적으로 가벼운 하전입자선인 베타선(전자선)은 무거운 하전입자선과는 달리 핵과의 비탄성산란에 의한 에너지 손실도 무시할 수 없습니다. 따라서 이 글에서는 베타선의 전리, 들뜸, 탄성산란 및 비탄성산란에 관해서 설명합니다.

 

 

베타선의 전리와 들뜸에 관하여

 

 

알파선의 경우와 마찬가지로 베타선도 궤도전자와 작용하여 전리와 들뜸을 일으켜 에너지를 잃습니다. 물질 속에 입사된 전자는 직진하지 않고, 궤도전자와 충돌하여 방향이 편향됩니다. 전자가 물질 속을 통과할 때 직접 이온을 만들기도 하고 원자에서 방출된 2차 전자에 의해서도 이온이 만들어지는데 2차 전자에 의해서 만들어지는 이온이 몇 배나 많습니다.

 

전자의 전리와 들뜸 작용에 의한 단위 길이당 손실된 평균 에너지, 즉 충돌 선저지능은 입사 전자의 에너지에 반비례하며 흡수 물질의 밀도에 비례합니다. 또한 충돌 선저지능과 비전리는 비례관계이므로 전자선의 비전리는 전자 속도의 제곱에 반비례합니다. 그러나 일반적으로 전자선의 비전리는 에너지에 거의 의존되지 않고 일정합니다. 이는 전자의 속도가 광속에 접근하므로 에너지에 별로 관계되지 않기 때문입니다. 기체에서 1개의 이온쌍 생성에 필요한 에너지는 알파선의 경우와 마찬가지로 약 34eV 정도입니다.

 

 

베타선의 비정

 

 

베타선은 물질 속을 통과할 때 전리, 들뜸, 산란 등을 일으켜 여러 모양으로 진행하므로 알파선처럼 뚜렷한 비정을 결정하기 어렵습니다. 그러나 대체로 앞으로 진행하다가 결국 에너지를 잃고 정지합니다. 즉, 무거운 입자는 앞으로 진행되지만, 가벼운 입자는 여러 번 편향되어 진행됩니다.

 

비정은 에너지가 균일한 전자선의 경우와 에너지가 연속적으로 분포된 베타선의 경우로 구분하여 생각할 수 있습니다. 전자선의 에너지가 일정하더라도 전자들이 물질을 주행한 거리는 다릅니다. 그 이유는 전자가 물질 원자와 충돌할 때 한 번의 충돌로 거의 모든 에너지를 잃을 수도 있고, 또는 여러 번 충돌하면서 조금씩 에너지를 잃을 수도 있습니다. 따라서 물질 내에서의 전자의 경로는 다양합니다.

 

흡수곡선의 모양은 흡수체의 거의 전체 두께에 걸쳐서 직선이지만 끝부분에서 곡선을 이룹니다. 연속에너지의 베타선 경우도 곡선의 모양은 비슷합니다. 단지 연속에너지의 베타선 흡수곡선은 단일에너지의 전자선의 흡수곡선보다 급격하게 변할 뿐입니다. 전자가 지수함수적으로 줄어들지만, 마지막에는 전자에 의한 제동복사와 환경방사선에 의한 자연계수 때문에 0이 되지 않습니다.

흡수곡선의 직선 부분의 연장선이 자연계수와 만나는 점을 유효 비정이라고 합니다. 그리고 흡수곡선이 자연계수와 만나는 점을 최대 비정이라 합니다. 보통 단일에너지의 전자선에 대해서는 유효 비정을 주로 사용하고, 연속적인 에너지를 가진 베타선에 대해서는 최대 에너지를 가진 베타선 중에서 가장 멀리까지 도달한 최대 비정을 사용합니다.

 

전자선의 에너지와 비정의 관계는 특정 에너지 이상에서는 거의 선형적입니다. 낮은 에너지에서는 전리에 의한 손실과 탄성산란이 많아 비선형적이고, 아주 높은 에너지에서도 선형적인 곡선에서 벗어납니다.

 

 

탄성산란

 

 

알파입자의 탄성산란의 확률은 아주 낮으나, 가벼운 입자 즉 베타선이 입사될 때는 높습니다. 베타입자가 원자핵과 상호작용을 할 때 베타입자에 비해서 큰 질량을 갖고 있는 원자핵은 움직이지 않고 베타입자의 운동에너지도 변함이 없으며, 단지 베타입자의 진행 방향만 변하는 경우가 있습니다. 이런 현상을 탄성산란이라 하며, 원자핵과 탄성산란이 일어나는 확률은 물질 원자번호의 제곱에 비례하고 베타입자 에너지의 제곱에 반비례합니다. 또한 베타입자가 궤도전자와 상호작용을 할 때도 알파입자와는 달리 질량이 작기 때문에 큰 각도로 산란하여 쉽게 방향이 바뀔 수 있습니다. 이 확률은 원자번호의 크기에 비례합니다.

 

산란이 반복됨에 따라 진행 방향이 반대되어 후방산란이 생깁니다. 베타선의 후방산란은 물질의 원자번호와 두께 및 베타선의 에너지에 따라 다릅니다. 물질의 원자번호가 커질수록, 두께가 두꺼워질수록 후방산란율이 증가하다가 포화에 이릅니다. 배타 선의 에너지가 증가할수록 탄성 산란의 발생확률은 낮아지지만, 전체 탄성 산란율에 대한 후방산란율은 증가하다가 포화상태에 이릅니다.

 

 

비탄성산란

 

 

베타입자가 원자핵 근처에서 쿨롱력에 의해서 편향되면서 감속되어 에너지를 잃는 경우가 있습니다. 이 현상을 비탄성산란이라 하며, 이때 손실된 에너지가 제동 복사선으로 방출됩니다. 이때 베타선에서 제동복사에 의한 에너지 손실 비율 즉, 제동복사가 일어날 확률은 입사입자 질량의 제곱에 반비례하며 흡수 물질 원자번호의 제곱에 비례하며 입사입자의 에너지에 비례합니다.

따라서 알파선이나 양성자선의 경우에는 거의 제동복사에 의한 에너지손실은 무시할 수 있으며 전자에 의한 경우만이 문제가 됩니다. 원자번호가 높은 물질에 고에너지의 전자선이 입사하는 경우에는 제동복사에 의한 에너지 손실이 비교적 큽니다. 전자선과 물질과의 상호작용에서 전자선의 에너지손실은 입사 전자가 물질의 궤도전자와 작용으로 들뜸이나 전리를 일으키면서 에너지를 상실하는 충돌손실과 입사 전자가 원자핵 근방을 통과할 때 제동 복사선을 방출하면서 그 에너지를 상실하는 복사손실에 따라 다릅니다.

 

자연 방사성 원소에서 방출되는 에너지가 물질 내부를 통과할 때는 전리 및 들뜸에 의한 충돌 손실로 에너지를 잃는다고 간주할 수 있습니다. 아주 높은 에너지의 전자가 물질 속을 통과할 때 체렌코프 복사선에 의해서도 아주 적지만 에너지 손실이 생깁니다. 매질 내에서 전 자의 속도는 진공에서의 광속보다는 빠르지는 않지만, 그 매질 내에서의 광속보다 빠르게 움직일 수 있으므로 체렌코프 복사가 생깁니다.