제동 복사

제동 복사(制動輻射, 독일어: Bremsstrahlung)는 전하를 띤 입자가 다른 전하의 전기장에 의해 편향·감속하면서 내는 전자기파이다. 보통은 전자가 원자핵 또는 이온의 전기장 근처에서 방향과 속도가 바뀔 때 방출하는 복사를 가리킨다. 움직이던 입자의 운동 에너지 일부가 광자의 에너지로 바뀌므로, 제동 복사는 연속적인 전자기 스펙트럼을 이룬다.^[1]

독일어 Bremsstrahlung은 ‘제동’과 ‘복사’를 뜻하는 말에서 왔다. 넓은 뜻으로는 가속하는 전하가 전자기파를 내는 모든 현상과 관련지을 수 있지만, 일반적으로는 물질 속에서 전자가 원자핵·이온의 쿨롱장에 의해 산란될 때 생기는 복사를 뜻한다. 싱크로트론 방사와 사이클로트론 복사는 가속 전하의 방사라는 공통점이 있지만, 보통 제동 복사와는 별도로 다룬다.

발생 과정

전자는 원자핵의 전기장 가까이를 지나며 힘을 받아 가속도, 곧 속도의 크기 또는 방향 변화를 겪는다. 고전 전자기학에서는 가속하는 전하가 에너지를 방출하며, 방출량은 입자의 전하·가속도·운동 상태에 따라 달라진다.^[2] 광자 하나가 방출되는 경우 에너지 보존은 개념적으로

E_{\mathrm {i} }=E_{\mathrm {f} }+h\nu

로 나타낼 수 있다. 여기서 $h\nu$ 는 방출 광자의 에너지이고, $E_{\mathrm {i} }$ 와 $E_{\mathrm {f} }$ 는 산란 전후 입자계의 에너지이다. 전자의 초기 에너지가 클수록 더 높은 에너지의 광자가 나올 수 있다.

양자역학적 기술에서는 전자와 원자핵의 쿨롱 상호작용, 광자의 방출, 산란 후 전자의 운동량을 함께 다룬다. 실제 제동 복사의 단면적은 입사 전자의 에너지, 표적 원소의 원자 번호, 방출 광자의 에너지와 방향에 따라 달라진다.^[1]

X선 발생

엑스선관에서는 전자를 금속 표적에 충돌시켜 제동 복사 엑스선을 만든다. 전자가 표적 원자핵 근처에서 감속될 때 나오는 연속 엑스선이 제동 복사이고, 안쪽 전자껍질의 빈자리를 다른 전자가 메우며 나오는 불연속적인 특성 엑스선은 이와 구별된다.^[3]

이러한 연속 스펙트럼의 최대 광자 에너지는 전자에 가한 전압과 연결된다. 전자가 전압 $V$ 를 지나 얻은 에너지를 광자 하나로 모두 방출할 때의 최소 파장은 두안-헌트 법칙에 따라 $\lambda _{\mathrm {min} }=hc/(eV)$ 로 쓸 수 있다. 실제 X선 스펙트럼은 표적 물질, 전자 에너지, 표적 안에서의 흡수와 산란 때문에 단순한 한 가지 곡선으로 정해지지 않는다.^[4]

플라스마와 천체

플라스마에서는 자유 전자가 이온의 전기장에 의해 산란되면서 제동 복사를 낸다. 전자도 이온도 결합 상태에 있지 않은 전이이므로 이를 자유-자유 복사라고도 한다. 플라스마의 온도·전자 밀도·이온 전하가 스펙트럼과 방출 세기에 영향을 준다.^[5]

고온의 천체 플라스마와 은하단 매질은 X선 영역의 열적 제동 복사를 낼 수 있다. 전파 천문학에서도 전리된 기체의 자유-자유 복사는 천체의 온도와 밀도를 추정하는 데 쓰인다.^[5]

내부·외부 제동 복사

물질 밖에서 들어온 전자나 양전자가 원자핵의 전기장에 의해 산란되어 내는 복사를 외부 제동 복사라고 한다. 베타 붕괴처럼 핵 과정에서 전자 또는 양전자가 방출될 때에는, 전하 분포와 전자기장의 변화에 관련된 복사를 내부 제동 복사라고 부르기도 한다. 두 용어는 방출 전자의 기원과 과정의 기술을 구별하기 위한 것이며, 실제 방사선장에서는 다른 방출·산란 과정도 함께 나타날 수 있다.

같이 보기

각주

1 2 Koch, H. W.; Motz, J. W. (1959). “Bremsstrahlung Cross-Section Formulas and Related Data”. 《Reviews of Modern Physics》 31 (4): 920–955. doi:10.1103/RevModPhys.31.920.
↑ Jackson, John David (1998). 《Classical Electrodynamics》 3판. Wiley. 659–665쪽. ISBN 978-0-471-30932-1.
↑ Bushberg, Jerrold T.; Seibert, J. Anthony; Leidholdt, Edwin M.; Boone, John M. (2012). 《The Essential Physics of Medical Imaging》 3판. Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-0-7817-8057-5.
↑ Van Grieken, René; Markowicz, Andrzej (2001). 《Handbook of X-Ray Spectrometry》. CRC Press. 3쪽. ISBN 978-0-203-90870-9.
1 2 Bekefi, George (1966). 《Radiation Processes in Plasmas》. Wiley.

[Koch-1] 1 2 Koch, H. W.; Motz, J. W. (1959). “Bremsstrahlung Cross-Section Formulas and Related Data”. 《Reviews of Modern Physics》 31 (4): 920–955. doi:10.1103/RevModPhys.31.920.

[2] Jackson, John David (1998). 《Classical Electrodynamics》 3판. Wiley. 659–665쪽. ISBN 978-0-471-30932-1.

[3] Bushberg, Jerrold T.; Seibert, J. Anthony; Leidholdt, Edwin M.; Boone, John M. (2012). 《The Essential Physics of Medical Imaging》 3판. Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-0-7817-8057-5.

[4] Van Grieken, René; Markowicz, Andrzej (2001). 《Handbook of X-Ray Spectrometry》. CRC Press. 3쪽. ISBN 978-0-203-90870-9.

[Bekefi-5] 1 2 Bekefi, George (1966). 《Radiation Processes in Plasmas》. Wiley.

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