엑스선

뢴트겐이 찍은 그의 부인손의 엑스선 사진(반지도 찍힘)

엑스선(-線) 또는 엑스레이(X-ray)는 파장이 10 ~ 0.01 나노미터이며, 주파수는 30 페타헤르츠 ~ 120 엑사헤르츠(30 × 10¹⁵ Hz to 30 × 10¹⁸ Hz) 전자기파의 형태를 말한다. 이는 자외선보다 짧은 파장의 영역이다. '엑스선(X-ray)'는 알 수 없는 유형의 방사선을 의미하며, 독일의 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen)이 1895년 11월 8일 처음 발견하여 이름붙였다. 그의 이름을 따라 뢴트겐선으로도 부르기도 한다. 뢴트겐은 이 발견으로 최초의 노벨물리학상을 수상했다. 엑스선은 투과성이 강하여 물체의 내부를 볼 수 있으므로 의료 분야 및 비파괴 검사 등에 중요하게 쓰인다. 엑스레이는 투과력에 따라 분류되며, 약 0.12 ~ 12 keV는 연엑스선, 약 12 ~ 120 keV는 경엑스선으로 부른다.

사용용도

X선 결정학

X선 결정학은 원자들이 밀집된 결정에 방사했을때 입사된 X선 회절의 패턴을 기록하고 분석하여 그 결정의 격자구조를 파악하고 나아가, 그 물질만의 특성을 파악하는 학문이다.

산업·기타 용도

부품이나 용접 부분에 X선 촬영을 실시해 부품, 용접 부위의 무결성을 검사하는데 이용할 수 있다. 또한 공항 안전 수하물 스캐너는 수하물의 내부를 X선으로 쪼아 투영함으로써 위험 물질이나 무기 등을 검색할 수 있다.

X선은 파장이 짧은 빛이기 때문에 물질을 잘 통과한다. X선의 회절을 이용하여 물질의 구조를 결정하거나 조영제를 사용하여 인체 내부의 이상을 알아보는 등 응용 범위는 매우 넓다. 또 X선과 우라늄의 방사능의 발견이 도화선이 되어 20세기의 원자 물리학의 발전이 시작되었다.

X선의 발생과 성질

X선은 1895년 독일의 물리학자 뢴트겐이 크룩스관을 이용하여 기체의 방전 현상을 연구하고 있을 때, 방전관 옆에 검은 종이로 덮어놓은 사진 건판이 감광되어 있었다는 사실에서 우연히 발견되었다. 또 방전관에 수만 볼트 정도의 전압을 걸고 바륨염을 관 가까이 가져가면 형광이 발생한다는 것도 뢴트겐에 의해 확인되었다. 또 뢴트겐은 방전관 속에서 가속된 전자가 유리관 벽과 충돌해서 방출되는 투과력이 강한 정체 불명의 방사선을 잡아내어 이것을 X선이라 이름붙였다. X선은 뢴트겐선이라고도 불린다. X선은 전기장 속에서는 진로가 바뀌지 않는 사실에서 X선 자신은 전하를 가지고 있지 않는다는 것과 직진하는 성질이라는 것이 분명해졌다. 그 후에 X선은 파장이 짧은 전자기파라는 것이 확인되었다. X선의 파장의 한계는 분명하지 않으나, 보통 10－10m의 수백 배에서 수백만분의 1의 파장의 빛을 X선이라 부르고 있다. X선은 X선의 발생 방법에 따라 2가지 형으로 분류된다. 한 가지 형은 제동 방사에 따라 나오는 연속 X선으로서 전자가 원자나 원자핵에서 받는 쿨롱력에 의해 갑자기 진로가 바뀔 때에 발생하는 X선이다. 또 하나의 형은 특성 X선(고유 X선)으로서 원자 속의 깊은 에너지 준위에 있는 전자가 제외되었을 때, 그 공백을 메우려고 바깥쪽 궤도에서 전자가 이동할 때 발생하는 X선이다.

X-선은 고속의 전자가 무거운 원소의 원자에 충돌할 때 발생한다. 가열된 음극 filament로부터 나온 열전자는 양극표적을 향해서 가속된다. 이때 전자의 종속도 는 전자가 얻은 운동에너지가 전기장에 의해서 전자에 한 일 eV와 같다고 놓음으로써 계산할 수 있다. 이 전자의 운동에너지는 충돌시 대부분 열로 전환되며 단지 1 % 미만의 에너지만이 X-선을 발생시키는데 이용된다. 양극의 역할을 하는 Target Material(표적)로는 보통 Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W등이 사용된다. 표적에 도달한 고속의 전자는 원자핵의 coulomb장에 의해서 강하게 굴곡되어 저지당한다. 이때 전자의 운동에너지 중 일부가 전자기파의 형으로 방사하는데 이것이 X-선이다. 이 X-선은 보통 연속적인 파장을 가지고 있기 때문에 연속 X-선 혹은 제동 X-선(bremsstrahlung)이라 한다. 한편 운동에너지의 일부는 표적원자의 궤도전자를 쫓아내든지 아니면 높은 준위로 들뜨게 함으로써 에너지를 잃는다. 이때도 높은 궤도로부터 낮은 궤도로 전자가 떨어지면서 X-선이 방사되는데, 이 X-선은 궤도간의 에너지차에 의해 주어지는 특정한 파장을 가진다. 그러므로, 이 X-ray를 특성 X-선이라 부른다. 특성 X-선은 전자 궤도간의 에너지 차에 관계되는 것으로, 그 파장은 표적으로 사용된 원소에 특유하며 X-선관에 걸어준 전압과는 관계없다. 특성 X-선의 스펙트럼은 파장이 짧은 쪽으로부터 K, L, M등의 계열이 있다. 고속전자가 원자에 충돌하면, 핵에 가까운 내측각의 전자가 튕겨나가 빈 자리를 만들고, 이 궤도에 외측의 각을 차지하고 있던 전자가 떨어져 채워진다. 에너지가 높은 궤도에서 낯은 궤도로 천이한 전자는 이 에너지 차이를 전자기파로 방사하고, 이것이 특성 X-선이 된다. 외측 각의 전자가 K각으로 천이할 때에 방사되는 X-선이 K계열의 스펙트럼을 만든다. 같은 방법으로, L계열, M계열로 계속되고, 이 순서로 파장이 길어진다. K각의 빈자리가 L각으로부터의 전자에 의해 채워져 생기는 X-선을 Kα선, M각의 전자에 의해 재워져 생기는 X-선을 Kβ선이라고 말한다. Kβ선은 Kα선보다 파장이 조금 짧다. 또, L각은 LⅠ, LⅡ, LⅢ, M각은 MⅠ, M Ⅱ, MⅢ, MⅣ, MⅤ 이라고 하는 미세 에너지 준위를 갖고 있다. Kα선은 Kα1, Kα2의 이중선으로 구성되어 있으나, Kα1은 LⅢ각에서의 천이, Kα2는 LⅡ각에서의 천이에 의해 생긴다. 이들의 천이확률은 약 2:1로써 이것이 Kα1, Kα2의 강도비이다.

예) 필라멘트 관에서의 x-ray 발생

이 관은 진공인 유리관으로 되어있고, 유리관은 한쪽 끝에 있는 양극에서 다른 끝에 있는 음극을 절연하며, 음극은 텅스텐(w) 필라멘트이고, 양극은 물로 냉각하는 구리 블록이며, 이 블록은 한 끝에 작은 삽입물로서 원하는 타깃 금속을 포함한다.

텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려 가열시키면 열전자가 발생을 하고 그 전자에 전압을 가해서 가속을 시킨다. 가속된 전자는 타깃에 부딪히고 운동에너지공식 E = eV = mv² / 2에 의해서 타깃에 부딪힌 열전자의 속도가 줄어들면 줄어든 속도만큼 파장이 생기게 된다.

파장은 짧을수록 에너지가 높다.

이로써 x선이 발생하고 발생된 x선 중에서 특성x선을 뽑아서 재료분석에 사용하는 것이다. 타깃 물질이 달라지면 전자구조도 달라질 것이며, 따라서 특성 x선의 파장도 달라질 것이다. 특성 x선은 타깃 물질에 따라 고유하다.

X선관

X線管 X선을 발생시키기 위한 진공관을 X선관이라 한다. X선관은 음극에서 튀어나온 전자를 플러스 전압이 걸린 양극(대음극)까지 달리게 하여 가속시켜서 에너지가 커진 전자를 양극판에 충돌시켜 X선을 발생케 하는 장치이다.

Metal / Ceramic X-선관

Glass envelope 대신 metal casing와ceramic insulator을 사용한 것

장점 : 1. Less off-focus radiation 2. Longer tube lift with high tube current 3. Higher tube loading

Off Focus Radiation 가속된 전자가 anode의 focal track이외의 금속표면과 작용하여서 생기는 것으로 주 발생원은 anode로부터 후방산란된 전자에 의해 생기는데 이 산란된 전자가 2차적으로 anode와 부딪히면서 X-선을 발생시킨다. metal enclosure의 전하는 접지되어 있어 zero 이므로 전자에 비해서 상대적으로 양전하를 가지므로X선관의 접지된 금속벽으로 off-focus 전자들을 끌어당김으로써 off-focus radiation을 줄인다. Larger Tube life 텅스텐이 X-선관 벽에 침착되면 전극으로 작용하여 유리벽과 필라멘트사이에서 arcing을 일으켜 문제가 되나 metal enclosure X-선관은 접지되어 있으므로 텅스텐이 침착되어도 접지된 것에 영향을 미치지 않아 특히 혈관촬영과 같이 관전류가 높은 경우에도 유리관보다 더 오래 쓸 수 있다. High Tube loading Anode의 열storage 능력이 크기 때문에 즉 연속적으로 노출하였을 때에도 metal enclosure를 통해 oil로의 열전도가 더 효율적으로 이루어지고 냉각도 더 잘되므로 좀 더 높은 관전류를 사용할 수 있다.

라우에의 반점

라우에법은 독일의 물리학자인 라우에가 1912년에 발명한 방법으로, X선에 의한 결정 구조의 해석법의 발단이 되었다 이 방법은 단결정의 작은 조각에 연속 X선의 가느다란 빔을 조사하여 결정의 뒤쪽에 나타나는 빔과 수직이 되는 면 안에 생기는 회절상을 사진으로 찍는 방법이다. 회절상에 나타나는 반점의 배치는 결정 구조에 의한 특유의 것으로서 라우에 반점이라 불리고 있다. 어떠한 방향으로 반점이 생기느냐 하는 문제는 각각의 격자면에 대해 브래그의 반사의 조건식에 의해 결정된다.

X선해석 (X-ray analysis)

1912년 M.라우에의 예상에 입각해서 P.크니핑 등이 결정격자(結晶格子)에 의한 X선의 회절무늬(라우에점무늬)를 얻게 되었으며, 그후 브래그가 X선간섭에 관한 브래그조건을 도출하였고, 1913년에 드디어 X선분광기를 고안함으로써 x선을 결정구조 해석에 이용하게 되었다.

브래그 법칙(Bragg's law)

브래그는 결정에 의한 X선의 간섭상으로부터 결정 내부의 원자배열 상태를 추정하는 기초적인 관계식을 수립하였다. 결정 내부에 서로 평행인 원자의 배열면을 생각하고 X선이 이 면에서 산란된다고 하면, 평행평면의 간격을 d, X선의 파장을λ라 했을 때, X선의 입사각(入射角)θ가 2d sinθ=nλ(n은 정수) 의 관계를 만족시킬 경우, 첫째 면에서 산란된 X선과 둘째 면에서 산란된 X선이 서로 간섭하여 반사각 θ, 즉 입사 X선에 대하여 2θ라는 방향으로 강력한 반사 X선을 발생하여, 거기에 둔 필름에 간섭에 의한 점무늬를 만든다.

이것을 브래그반사, 이 관계를 브래그조건, 이 때의 X선의 입사각을 브래그각(角)이라 하고, X선의 파장을 알고 있으면 간섭상의 위치로부터 브래그각 θ를 구할 수 있고 평행평면의 간격 d를 알 수 있다. 일반적으로 결정 내에서는 원자가 바둑판무늬처럼 규칙적으로 배열되어있어 이러한 평행평면을 얼마든지 선정할 수 있으므로, 한 결정에 대하여 여러 각도에서 이것을 실시하면 결정의 입체적인 원자배열의 모습(결정의 형태, 면간격 등)을 알 수 있다.

브래그의 법칙을 만족하여 X선간섭상을 얻는 데는 사용되는 회절법은 라우에법 ·회전결정법 ·분말결정법 등 세 방법이 있다.

라우에법

X선 관에서 나온 연속스펙트럼인 백색 X선을 고정한 단결정에 맞춘다. 따라서 브래그각을 결정내의 모든 조의 면에 대하여 고정하고 각 조의 면은 특정한 d와 각의 값에 대하여 브래그 법칙을 만족하는 X선파장을 선택하여 회절하는것이다. X선원, 결정, 필름 내의 상대 위치에 따라 투과라우에법과 배면반사 라우에법이 있다.

회전결정법

단결정을 특정한 결정축의 한 방향이나 결정학적으로 중요한 방향으로 필름위에 올려두고 주위에 일정한 속도로 회전시키면서 축에 수직 방향에서 단색광인 X선을 조사하고, 결정이 회전함에 따라 X선을 브래그각으로 받아들인 결정격자면으로부터의 반사X선을 회전축 주위에 둔 원통상 필름에 닿게 하여 사진을 만든다. 결정이 단 하나의 축 주위로만 회전하기 때문에 브래그각은 모든 조의 결정면에서 0과90˚사이의 모든 가능한 각이 되지는 않는다. 그러므로 모든 조가 회절빔을 만들 수 있는 것은 아니다.

분말결정법

조사하고자 하는 결정을 먼저 매우 고운 분말로 크기를 줄이거나 푸석푸석하거나 굳게 뭉친 미세한 입자 형태여야 한다. 이것을 정위치에 놓고 X선을 조사하여 주위에 둔 원통상 필름에 간섭상이 찍히도록 한다. 이때 분말의 모든 결정립들은 작은 결정이거나 작은 결정들의 집합체로서 입사빔에 대하여 무질서한 방향으로 배향한다. 따라서 분말 덩어리는 하나의 축 주위가 아닌 모든 가능한 축 주위로 회전하는 단결정과 사실상 같다.

같이 보기

• 감마선
• 중성자선
• N선

외부 링크

위키미디어 공용에 관련 미디어 자료가 있습니다. 엑스선

• 네이버 캐스트 - 전자와 X선의 발견