방사선이란?

1. 방사선이란

요약   방사성원소의 붕괴에 따라 방출되는 입자선(粒子線) 및 복사선(輻射線). 본문 우라늄, 플루토늄과 같은 원자량이 매우 큰 원소들은 핵이 너무 무겁기 때문에 상태가 불안정해서 스스로 붕괴를 일으킨다. 이러한 원소들이 붕괴하여 다른 원소로 바뀌게 될 때 몇 가지 입자나 전자기파를 방출하는데 이것이 바로 방사선이다. 방사선을 내놓는 원소를 방사성 원소라고 하며 이렇게 방사선을 내놓는 능력을 방사능이라고 한다. 이러한 원소가 붕괴할 때 나오는 방사선은 α(알파)선, β(베타)선, γ(감마)선 세 가지다. 하지만 일반적으로 방사선이라고 할 때는 이 세 가지뿐만 아니라 X선, 중성자선 같은 다른 입자나 전자기파를 합쳐서 언급하는 경우가 많다. 방사선은 α(알파)선, β(베타)선, 중성자선과 같이 운동하는 입자인 입자선(粒子線)과 X선, γ(감마)선과 같은 전자기파, 이 두 가지로 크게 구분할 수 있다.   방사선의 종류 - α(알파)선 : 알파선은 알파 입자가 움직이는 입자 방사선이다. 알파 입자는 양성자 2개와 중성자 2개로 구성되어 있으며 이는 헬륨(He)의 원자핵에 해당한다. 원자량이 큰 원소가 붕괴할 때 가장 흔히 나오는 입자로서 알파선이 나오는 붕괴는 알파 붕괴에 해당하고, 알파 붕괴가 일어나면 양성자 2개만큼 원소의 전하량이 떨어지게 된다. 알파선에는 양성자 2개가 있어서 +2의 전하를 띠고 있으며 이 때문에 전기장에나 자기장에서 휘어진다. 또한 전리작용(電離作用)이 매우 강해서 다른 물질을 매우 쉽게 이온화시킨다. 하지만 질량과 전하량이 크기 때문에 운동 에너지가 매우 쉽게 감소해서, 종이 정도의 두께를 가진 물질에도 흡수되어 차단되며 공기 중에서도 순식간에 멈추어 몇 cm 정도밖에 움직이지 못한다. 단 그런 만큼 근거리에서 미치는 영향은 크기 때문에 알파선을 방출하는 물질을 몸 속에 넣을 때는 내부 피폭에 특히 주의해야 한다. 알파선은 이온화 작용이 강하기 때문에 이것을 이용하여 분석화학 등에 사용하는 경우가 많다. - β(베타)선 : 베타선은 베타 입자가 움직이는 입자 방사선이다. 베타 입자는 베타 붕괴를 통해 원자 바깥으로 나온 전자를 말한다. 전자의 반물질인 양전자(陽電子: positron)가 움직이는 경우도 베타선으로 칭하지만 이러한 경우는 자연에서는 드물다. 핵 안에 들어있는 중성자가 양성자로 바뀌면서 전자가 튀어나오는 현상을 베타 붕괴라고 하며 이때 베타선과 중성미자(中性微子: neutrino)가 나오게 된다. 베타 붕괴가 아닌 다른 방식으로 운동하는 전자는 일반적으로 베타선이라고 하지 않는다. 베타 붕괴가 일어난 원소는 전하량이 1 올라간 다른 원소로 바뀌게 되지만 전자의 질량이 매우 작기 때문에 원자량은 그대로다. 전자의 움직임이기 때문에 전하는 -1이 되며 에너지 분포는 알파선과 달리 연속적으로, 정확히 알기 어렵다. 물질을 투과하는 능력은 알파선보다는 큰 것으로 알려져 있지만 에너지 분포가 연속적인 관계로 일정하지는 않다. 일반적으로는 얇은 알루미늄 포일이나 플라스틱 판 정도로도 베타선을 막을 수 있다. 전하를 띠고 있어서 전기장, 자기장에서 휘지만 질량이 알파선에 비해 매우 가볍기 때문에 이온화 능력은 그렇게 크지 않다. 원자핵 옆을 지나가면 핵 주위에 있는 전기장에 의해 방향이 바뀌며 속도가 떨어져서 에너지 일부가 X선의 형태로 방출되는데, 이러한 현상을 베타선 제동복사(制動輻射) 또는 방사선손실이라고 한다. - γ(감마)선 : 감마선은 파장이 매우 짧은 전자기파, 즉 빛이다. 파장이 10pm(10-9m)보다 작은 전자기파는 대부분 감마선이라고 한다. X선과 파장 영역이 겹치며 가지는 성질도 비슷하여, X선과 감마선은 보통 파장 길이로 구분하지 않고 어떤 원인에 의해 발생한 것인지를 놓고 구별한다. 감마선은 한 원소의 원자핵이 붕괴하여 다른 원소로 바뀔 때 생성되는 에너지가 방출되는 전자기파를 가리키며, 원자핵이 아닌 원자 내의 전자가 에너지를 방출하면서 나오는 전자기파를 X선이라고 한다. 원자 내부의 핵이 붕괴하여 알파선이나 베타선이 방출될 때, 아주 약간의 질량이 줄어드는데 이 질량은 아인슈타인의 식 E=mc2에 따라 커다란 에너지로 전환된다. 이 에너지는 원자핵을 불안정하게 만들며, 이렇게 해서 불안정해진 원자핵은 안정한 상태로 돌아가며 큰 에너지를 가진 전자기파를 내놓는다. 전자기파는 에너지가 클수록 파장이 짧아지기 때문에 원자핵의 붕괴시에는 감마선이 방출되는 것이다. 감마선은 그 자체로는 이온화 능력을 가지고 있지 않지만, 에너지가 매우 크기 때문에 물질의 원자나 분자를 건드려서 에너지를 주어 이온화를 일으킨다. 이것은 광전효과나 컴프턴 효과와 같은 현상으로 나타난다. 또한 소멸하면서 전자와 양전자를 생성하기도 한다(쌍생성). 반대로 전자와 양전자가 만나면 감마선이 나타난다(쌍소멸). 이온화 능력 자체는 알파선이나 베타선에 비해 약한 편이지만, 투과력이 매우 강력해서 일반적인 방사선 피폭은 감마선에 의한 것이다. 콘크리트나 철, 납처럼 밀도가 높은 물질을 통해서 차단할 수 있지만, 가장 잘 차단할 수 있는 납을 사용하더라도 10cm 정도의 두께가 필요하다. - 그 외의 방사선 : 세 가지 대표적인 방사선 이외에, 전자기파로는 대표적인 것이 X선이 있으며 입자선으로는 대표적인 것이 중성자선, 양성자선, 우주선(宇宙線: cosmic ray) 등이 있다. 전자기파 중 자외선(紫外線: UV: ultra violet)도 이온화 작용을 일으키지만 일반적으로 자외선은 방사선에 넣지 않는다. X선은 파장이 10-9m에서 10-5m 정도 되는 전자기파로 일반적으로 감마선에 비해서는 파장이 길고 그만큼 에너지가 약하다. 양성자선과 중성자선은 핵이 붕괴하면서 발생하지는 않으며 원자로나 입자가속기 같은 인위적인 수단에 의해 발생한다. 양성자선은 알파선과 비슷한 성질을 지니며, 중성자선은 전하를 가지지 않지만 운동 에너지가 크기 때문에 그러한 운동 에너지를 잃으면서 감마선을 내놓거나 양성자를 방출하여 이온화 작용을 일으킨다. 우주선은 원자핵이나 원자로 등, 지구가 기원이 아닌 우주에서 기원하는 모든 방사선을 지칭하는 것으로 뮤온, 중성미자, 전자, 중성자, 감마선 등을 모두 포함한다.     2. 방사선의 종류와 특징 본문 방사선의 종류와 특징을 살펴보면 다음과 같다. ① α선:원자핵의 α붕괴에 따라 방출된다. 천연방사성원소는 α선을 방출하는 것이 많으나, 초우라늄원소 이외의 인공방사성원소에는 α선의 선원(線源)이 되는 것을 볼 수 없다. α선의 본체가 되는 α입자는 헬륨의 원자핵, 즉 2개의 중성자와 2개의 양성자의 결합체로서 4단위의 질량과 ＋2단위의 전하를 가지며, 전기장이나 자기장 속에서는 그 진로가 휜다. 질량과 전하가 비교적 크므로 물질 속에서의 에너지 감쇠가 크다. 이 때문에 다른 방사선에 비해서 투과능(透過能)이 약하여 물질에 흡수되기 쉽다. 도달거리[飛程]는 공기 속에서 몇 cm, 물 속에서는 10 μm를 넘지 않는 정도이다. 이와 같이 투과능이 약하기 때문에 생체조직에 대한 방사선 방호면에서 보면 α선의 외부피폭(外部被曝)에 의한 장애는 문제삼을 것이 못 되지만, 그 반면에 이온화작용이 강하고 α선 방사핵에는 반감기가 긴 것이 많으므로, 이것을 체내에 흡수 또는 섭취했을 때에는 내부피폭에 의한 영향이 크다. 인공적으로 가속된 것은 중성자 ·중양성자(重陽性子) 등과 함께 핵반응을 일으키는 충격입자로서 이용된다. ② β선 : 원자핵의 β붕괴에 의해서 중성미자(中性微子:neutrino)와 함께 핵 외로 방출되는 고속도의전자선 또는 양성자선이며, 인공방사성핵종에는 양전자를 방출하는 것이 많다. 모두 1단위인 전하를 가지나, 그 에너지는 α선과 달리 일정한 값을 취하지 않고 넓은 범위에 걸쳐 연속적인 에너지 분포를 가진다. 물질에 대한 투과력은 α선보다 월등히 크지만, 에너지가 연속적인 분포를 가지므로 확정된 도달거리를 결정하기가 어려우며, 공기 속에서 1 cm 정도의 것부터 수 m에 이르는 것까지 있다. 그와 반대로 이온화작용은 α선보다 떨어지며, 질량이 작기 때문에 물질원자에 의해서 산란되는 정도가 크다. 또, 원자핵 옆을 지나가면 핵 주위의 전기장에 의해서 방향이 갑자기 바뀌어 감속되며, 이 때 에너지의 일부가 보다 강한 X선이 되어 방출된다. 이 현상을 β선의 제동복사(制動幅射) 또는 방사선손실이라고 한다. ③ γ선 : 파장이 10-9∼10-10 cm의 전자기파(量子的으로는 光子)이다. 방출되는 메커니즘은 빛이나 X선의 방출메커니즘과 비슷하며, α선이나 β선을 내고 붕괴한 직후의 일시적인 들뜬상태[勵起狀態]에 있는 원자핵이 안정된 에너지 상태로 돌아올 때 방출된다. γ선 자신은 이온화작용을 가지지 않으나, 물질을 통과할 때 물질 속의 원자 ·분자와의 사이에서 광전효과 ·콤프턴 효과 ·전자쌍생성이라고 하는 상호작용이 일어나서 높은 에너지를 가진 전자를 몰아내므로 간접적으로 이온화작용을 일으킨다. 이온화능(電離能:단위도달거리에 발생하는 이온쌍의 수로 측정한다) 그 자체는 α입자의 약 1/50 정도이지만, 투과력은 매우 강하여 차폐(遮蔽)하기가 어렵다. 이 차폐라는 관점에서 γ선의 세기를 1/10로 줄이는 데 필요한 두께를 1/10 가층(價層)이라고 하는데, 예를 들면 2 MeV의 에너지를 가지는 γ선의 1/10 가층은 물이면 60 cm, 콘크리트이면 30 cm, 납이면 약 6 cm이다. 일반적으로 γ선이 물질에 흡수되는 정도는 그 물질의 밀도에 거의 비례한다는 것이 알려져 있다. ④ 중성자선:α 선·β선과 달리 원자핵의 방출붕괴에 의하는 것이 아니라 원자로나 입자가속기 등에서 발생한다. 물질과의 상호작용은 에너지에 따라 달라지며, 느린중성자(10 eV 이하)에서는 물질을 지날 때 그 원자핵의 흡수를 받는 대신 γ선(捕獲 γ선이라고도 한다)을 방출하고, 빠른중성자는 무거운원자핵과 작용하여 스스로는 에너지를 잃으면서 γ선을 방출하며, 수소 원자핵(양성자)과 작용하면탄성적으로 산란하여 에너지를 가진 양성자를 방출한다. 중성자선이 간접적으로 이온화작용을 가지는 것은 이 때문이며, 특히 중성자에 의해서 에너지가 부여된 양성자(反跳陽性子라고 한다)는 중성자가 생체에 미치는 생물학적 효과에서 주된 구실을 한다. 이온화능은 α선의 약 15∼30 %이며, 방사선 중에서는 α선 다음으로 강한 이온화작용을 가진다. 단위 - 그레이(gray) : 그레이는 흡수된 방사선 에너지의 양을 나타내는 단위이며 표기는 Gy이다. 단위 질량당 해당 물질이 방사선을 통해 흡수한 에너지를 표시하며 이 단위는 모든 물질과 방사선에 적용할 수 있다. 1Gy는 1kg의 물질이 1J의 에너지를 흡수한 것을 표현한다. 예전에는 이러한 단위로 주로 래드(rad)가 사용되었으며 약 100rad가 1Gy에 해당한다. - 시베르트(sievert) : 시베르트는 방사선 방어 분야에 사용되며, 인체가 흡수한 방사선 때문에 일어나는 영향 정도를 수치화한 단위이다. 표기는 Sv로 한다. 인체가 흡수한 방사선의 양을 방사선 종류마다 정해진 계수를 이용해 산출한다. 이 때 방사선 양은 그레이를 이용한다. 예전에는 이러한 단위로 주로 렘(rem)이 사용되었으며 약 100rem이 1Sv에 해당한다. - 뢴트겐(Rontgen) : 예전에 가장 많이 사용되던 방사선 단위가 뢴트겐이며 표기는 R이나 r을 사용한다. 이는 공기 중에서 X선이나 감마선을 비추었을 때 원자가 이온화되는 정도를 가지고 측정한다. 1 R은 0도, 1기압의 공기에서 2.58×10-4 c/kg의 이온화가 일어나는 방사선 양이 된다. 단 국제 표준 단위에 채용되지 않았기 때문에 현재는 많이 사용되지 않는다.   검출과 측정 방사선을 측정하는 방법에는 방사선이 일으키는 이온화를 이용해서 전기적인 측정을 하는 방법, 방사선의 형광작용을 이용하는 방법, 감광작용을 이용하는 방법이 있다. 전기 측정 방법은 가장 오래된 것으로서, 가이거-뮐러 계수기(Geiger-Muller counter)가 대표적이다. 이 계수기는 기체가 이온화되었을 때 전류가 기체 사이를 흐른다는 점을 이용하여, 전류의 세기를 가지고 방사선을 측정한다. 이런 식으로 기체의 이온화를 이용해서 전기적인 방식으로 측정하는 기구를 통틀어 이온화상자(ionization chamber)라고 한다. 또한 방사선이 가진 에너지가 감소하면서 형광(螢光)이 나타나는 현상인 신틸레이션(scintillation)을 이용한 측정 방법이 있다. 이 측정 기구를 신틸레이션 계수기라고 하며, 형광물질을 칠한 막에 방사선이 충돌했을 때 나오는 형광의 세기를 정밀하게 측정하는 기구이다. 그리고 X선 사진을 찍듯, 방사선이 필름을 감광시킨다는 것을 이용하여 측정하는 방법이 있다. 이러한 방법 이외에도 반도체를 이용해서 측정하는 기술도 개발되어 있다.   이용과 문제 방사선은 그 자체가 가지고 있는 여러 가지 특성 때문에 각종 과학 연구에 매우 다양하게 이용된다. 특히 현대 물리와 화학에 있어서 이러한 방사성 원소를 개발하고, 입자가속기를 통해 입자를 관찰하는 것은 필수적인 사항이다. 또한 생물학이나 의학에서도 방사선 동위원소를 이용한 상태 관찰 등은 매우 일반적으로 사용되고 있다. 하지만 방사선은 에너지와 전하량이 커서, 원자나 분자에 직접 작용하여 DNA나 단백질의 주요 구조를 망가뜨리기 때문에 생물에게는 상당히 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 예를 들어 방사선이 생물의 생식세포에 작용하면 과도한 돌연변이가 일어나서 기형이 나올 확률이 높아지게 되며, 성체에 작용하면 세포가 죽거나 암이 발생하기도 한다. 특히 2차 세계 대전 말기에 사용된 원자폭탄에 의한 피폭이나, 체르노빌 원자력 발전소 사고 등이 그 예이다   3. 방사선의 단위 본문 일반적으로 물질에 흡수된 에너지 또는 이온화의 양으로 정의되는 뢴트겐(Röntgen:기호 R,r) ·래드(rad:기호 rd) ·렙(rep) ·렘(rem) 등 여러 가지 단위가 사용된다. 이 중에서 뢴트겐은 X선 ·γ선의 국제단위이며, 표준상태인 공기 1 mℓ 안에 1정전기단위에 상당하는 이온쌍을 만드는 선량을 1 R으로 한다. 이는 공기 1 mℓ(0.00129 g) 속에 2.08×109의 이온쌍을 만드는 선량에 해당한다. 래드나 렙은 뢴트겐의 정의를 방사선 전반에 확장하기 위해서 만들어진 단위인데, 1 rd는 물질 1 g당 100 erg, 1 rep은 93 erg의 에너지를 부여하는 선량이다. 뢴트겐단위를 나타내는 경우와 큰 차이가 없으나, 엄밀하게 말하는 경우를 제외하고는, 모든 방사선의 양은 뢴트겐단위로 표시한다. 렘은 방사선의 생체에 대한 효과를 고려에 넣은 단위로서, 1 R의 γ선 또는 X선과 같은 생물학적 효과를 가지는 것을 1 rem으로한다. 방사선의 종류, 생체의 흡수능에 따라 다르므로 같은 에너지라도 방사선의 종류에 따라 렘으로 나타낸 양이 다르다. 보통 라듐에서 방출되는 γ선을 표준으로 한 생물학적 효과계수(RBE)를 래드단위로 나타낸 선량에 곱해서 구한다. RBE는 X선 ·γ선 ·β선이 1, 느린중성자는 5, 빠른중성자는 10,α선은 20이라는 값을 가진다. 그러나 각 장기(臟器)에 대한 방사선효과는 조직의 산성도나 파괴형식에 따라 달라지므로 일괄적으로 결정할 수 없으며, 따라서 렘은 편의적으로 만들어진 단위라고 할 수 있다.     4. 방사선의 검출과 측정 본문 방사선을 검출하고 측정하기 위해 다음과 같은 방법을 이용한다. ① 전기적인 측정기:옛날부터 여러 가지 형식의 이온화상자, 가이거-뮐러 계수기 등 기체의 이온화작용을 이용하는 것이 사용된다. 이온화상자는 방사선에 의해서 기체 내에 생기는 이온을 전극에 모아서 전극전위의 변화를 측정하여 통과한 방사선의 강도를 측정하는 장치이고, 가이거-뮐러 계수기는 기체의 이온화작용에 의해서 방전관 내에 발생한 방전을 펄스로서 도출하고, 이것을 증폭하여 방사선 입자의 수를 세는 장치이다. ② 신틸레이션 계수기:방사선의 형광작용을 이용하는 것으로 형광물질을 칠한 막에 방사선이 충돌함으로써 나오는 빛(신틸레이션)을 광전면(光電面)으로 받아 광전증배관(光電增倍管)으로 증폭한 다음 전기적인 펄스로 바꾸어 계수한다. 각 방사선 입자가 잘 분리되므로 정밀측정하는 데는 가이거-뮐러 계수기보다 적합하다. ③ 사진건판:방사선의 사진유제(寫眞乳劑)에 대한 감광작용을 이용하는 것이다. 정밀한 측정에는 감광제의 입자밀도를 증가시키거나, 원자핵건판처럼 증감제(增感劑)를 써서 감도를 높인 특수한 건판이 사용된다.   5. 방사선의 이용과 장애 본문 방사선은 생물 ·의학 ·공업 ·이학(理學)의 연구 등 여러 분야에 응용된다. 그 기술적인 배경으로는 원자로의 개발로 대부분의 원소에 대해서 인공방사성 동위원소를 대량으로 얻을 수 있게 되었으며, 측정계기의 정밀도(精密度)가 향상되어 미량(10-10∼10-18g)의 방사성 물질의 측정이 가능하게 되었다는 것을 들 수 있다. 그러나 방사선 이용의 확대에 따르는 방사성물질에 의한 환경오염, 이로 인해 유발되는 방사선장애 및 장기간에 걸쳐 축적된 방사선의 생체효과에 의한 유전적 변이의 발생 등이 중요한 사회문제가 되었다.