본문내용
1. 서론
1.1. 방사선의 정의와 분류
방사선은 진공을 포함한 어떤 공간이나 물질을 통과하는 에너지를 말한다. 방사선은 크게 자연 방사선과 인공 방사선으로 나눌 수 있다. 자연 방사선은 우주선, 토양, 음식물, 인체 등 자연계에 존재하는 약 600여 종의 방사성 물질에서 발생하는 방사선을 말하며, 인공 방사선은 방사선 발생장치나 핵분열 생성 물질로부터 방출되는 방사선을 의미한다.
방사선은 전리능력에 따라 전리 방사선과 비전리 방사선으로 구분된다. 전리 방사선은 투과력이 강하고 파장이 짧은 X선, 감마선, 우주선, 알파입자, 베타입자, 양성자 등을 말하며, 이들은 물질을 구성하는 일부 원소에서 외곽 전자를 분리해 이온을 만드는 전리 현상을 일으켜 인체에 해를 줄 수 있다. 반면 비전리 방사선은 투과력이 약하고 파장이 긴 라디오파, 원적외선, 적외선, 가시광선, 자외선 등을 포함한다.
또한 방사선은 물리적 성질에 따라 전자기파 방사선과 입자 방사선으로 나눌 수 있다. 전자기파 방사선에는 라디오파, 원적외선, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등이 포함되며, 입자 방사선에는 알파입자, 베타입자, 중성자, 양성자 등이 해당된다.""
1.2. 방사선의 작용
방사선은 전리현상을 일으켜 인체에 해를 줄 수 있는 성질을 가지고 있다. 전리현상이란 물질을 구성하고 있는 일부의 원소에서 외곽 전자를 분리해 이온을 만드는 현상을 말한다. 이러한 전리현상으로 인해 방사선은 인체에 다양한 영향을 미치게 된다.
첫째, 방사선은 투과작용을 한다. X선을 이용한 흉부 촬영, 공항의 수하물 검사, 선박의 용접부나 비행기의 엔진 결함 검사 등에서 투과작용이 활용된다. 물질을 구성하고 있는 원소의 종류와 두께에 따라 방사선의 투과 정도가 달라지므로, 이러한 차이를 이용하여 물체의 내부 구조를 관찰할 수 있다.
둘째, 방사선은 전리작용을 한다. 암 치료, 악성 종양 치료, 화학 반응 촉진, 감자의 발아 방지, 의료용구 멸균 등에서 전리작용이 활용된다. 방사선이 물질에 조사되면 원자나 분자의 전자가 이탈되어 이온화가 일어나는데, 이러한 전리작용으로 인해 물질의 화학적 결합이 변화하게 된다.
셋째, 방사선은 사진작용을 한다. 의료용 방사선 사진, 필름배지 등에서 사진작용이 활용된다. 방사선 조사 시 필름 감광유제 내의 할로겐화은 결정이 반응하여 잠상이 형성되며, 현상 과정을 거쳐 가시적인 상이 나타나게 된다.
넷째, 방사선은 형광작용을 한다. 방사선 수나 에너지를 측정하는 검출기(TLD)에 많이 응용된다. 방사선 조사 시 특정 물질의 전자가 들뜨게 되어 에너지를 방출하는데, 이 과정에서 나타나는 형광을 측정함으로써 방사선량을 확인할 수 있다.
다섯째, 방사선은 열작용을 한다. 마이크로파가 전자렌지에, 적외선이 전기 스토브에 이용되는 것처럼 방사선의 열작용이 활용되고 있다.
이처럼 방사선은 투과작용, 전리작용, 사진작용, 형광작용, 열작용 등 다양한 작용을 하므로, 의학, 산업, 연구 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 하지만 동시에 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있어 방사선 방어에 대한 철저한 관리가 필요하다.
2. 방사선 촬영의 기본 원리
2.1. 원자의 구조와 전자각
원자는 물질을 이루는 기본단위이며, 원자는 양성자와 중성자로 구성된 원자핵과 이 원자핵 주위를 도는 궤도전자로 이루어져 있다. 원자번호는 원자핵 내의 양성자 수를 나타내며, 원자량은 양성자와 중성자의 합을 나타낸다. 중성자는 전하를 띠지 않고 원자 무게에만 관여한다.
원자 내에는 여러 개의 전자궤도가 있으며, 이 전자궤도는 K, L, M, N, O, P, Q 순으로 번호가 매겨진다. K각이 핵에 가장 가까운 궤도이며 결합에너지가 가장 크다. 각 궤도에는 정해진 수의 전자가 들어갈 수 있는데, 이 최대 전자수는 e = 2n²의 계산법으로 구할 수 있다. 예를 들어 텅스텐 원자의 각 궤도에 들어갈 수 있는 최대 전자 수는 K:2, L:8, M:18, N:32, O:50, P:72, Q:98이다.
원자핵에는 양성자 수가 동일하지만 중성자 수가 다른 동위원소가 존재한다. 동위원소들은 화학적 성질이 동일하지만 질량차이로 인해 물리적으로 구분될 수 있다. 대부분의 원소는 자연상태에서 여러 개의 동위원소가 혼합되어 있다.원자의 전자궤도인 전자각에는 K각, L각, M각 등이 있으며, K각이 핵에 가장 가깝고 결합에너지가 가장 강하다. 각 전자각의 최대 전자 수는 e = 2n² 공식으로 계산할 수 있다. 텅스텐 원자의 경우 K각 2개, L각 8개, M각 18개 등의 전자가 들어갈 수 있다.
또한 원자핵에는 양성자 수는 동일하지만 중성자 수가 다른 동위원소가 존재한다. 동위원소들은 화학적 성질은 같지만 질량 차이로 인해 물리적으로 분리할 수 있다. 대부분의 원소는 자연상태에서 여러 동위원소가 혼합되어 있다.
2.2. 전리와 여기
원자의 구조와 전자각에 따르면, 원자는 핵과 궤도전자로 이루어져 있다. 원자의 전자는 정해진 궤도에서만 존재할 수 있으며, 이를 전자각이라고 한다. 원자 궤도에는 K각, L각, M각 등으로 구분되며, K각이 핵에 가장 가까운 궤도이다. 전자각에서 벗어나는 현상을 전리와 여기라고 한다.
전리(ionization)는 궤도전자가 원자핵이 가지고 있는 결합에너지보다 더 큰 에너지를 받아 평형상태가 깨어지고 원자핵의 인력권에서 벗어나는 것을 말한다. 전리가 일어나면 X선이 발생되며, 이는 암 치료에 사용된다. 또한 궤도밖 이탈도 전리에 해당된다.
여기(excitation)는 원자의 외부로부터 에너지가 가해지면 궤도전자의 일부가 처음 에너지 준위보다 높은 바깥 궤도로 옮겨가는 현상을 말한다. 여기 상태는 불안정한 상태이므로 바깥쪽 전자는 공석이 된 안쪽 궤도로 다시 돌아오게 되는데, 이러한 궤도 간 이동 현상을 천이라고 한다.
따라서 전리와 여기는 고에너지 방사선이 물질과 상호작용할 때 일어나는 현상으로, 전리는 원자로부터 전자를 완전히 떼어내는 반면 여기는 전자가 높은 에너지 준위로 올라가는 것이다. 이 두 현상은 동시에 일어날 수 있다.
2.3. X선의 발생과 특성
X선은 1895년 독일의 물리학자 뢴트겐(Roentgen)에 의해 발견된 전자기방사선의 한 종류이다. X선은 가시광선과 달리 눈에 보이지 않는 전자기파로, 파장이 약 0.1~0.5Å 정도이다. X선은 물질을 투과할 수 있는 성질을 지니고 있어 의료 진단과 치료 분야에 광범위하게 사용되고 있다.
X선은 전자기방사선이므로 직진하며 초당 약 30만 km의 속도로 전파한다. 또한 전기장이나 자기장에 의해 굴절되지 않는 특성이 있다. X선은 물질에 도달하면 물질을 구성하는 원자와 상호작용하여 전리현상을 일으킨다. 이 전리현상은 X선이 인체에 해로운 영향을 줄 수 있는 원인이 된다.
X선은 주로 전자가 원자핵에 가까이 다가가다가 갑자기 방향이...
