감마선

원자핵에서 방출되는 감마선

감마선(Gamma ray, γ선)은 전자기 복사의 강력한 형태로 방사능 및 전자-양전자 소멸과 같은 핵과정 등에 의해 생성된다. 감마선은 전자기 스펙트럼에서 가장 높은 에너지 영역이다. 전자기 스펙트럼에서 10 keV, 즉 2.42 EHz 혹은 124 pm의 시작하는 것으로 정의된다. 알파선과 베타선의 후속 방사선이며 알파선과 베타선이 입자선(Particle ray)인 반면 감마선은 전자기파(Electromagnetic wave)다. 감마선은 의학 및 공업 등 분야에서 널리 사용된다.

개요

감마선은 1900년 프랑스 화학자이자 물리학자인 폴 올리히 빌라드(Paul Ulrich Villard)가 우라늄 연구 중에 발견했다. 감마선은 정확히 경계가 정해져 있지는 않지만 파장이 10⁻¹¹ m 정도 이하로 가장 짧은 영역의 전자기파 혹은 진동수 10¹⁹ Hz 이상의 전자기파이며 에너지가 10⁵ eV 정도 이상으로 높은 광자이다. 감마선은 전자기 스펙트럼에서 가장 높은 에너지 영역이다. 전자기 스펙트럼에서 10 keV에서 수백 keV에 이르는 전자기 복사는 경질X선으로 불리기도 한다. 같은 에너지를 가지는 감마선과 X선 간에는 물리적인 차이가 없다. 태양빛과 달빛이 같은 가시광선의 서로 다른 이름인 것과 마찬가지로 감마선과 X선은 단지 같은 전자기 복사를 나타내는 두 이름일 뿐이다. 대신 감마선은 X선과 발생에서 차이가 난다. 감마선은 원자핵 전이에 의해 생겨나는 고에너지 전자기 복사를 가리키며 X선은 가속 전자의 에너지 전이에 의해 발생하는 고에너지 전자기 복사를 가리킨다. 일부 전자 전이는 일부 원자핵 전이보다 높은 에너지를 가지는 것이 가능하며 이는 감마선과 X선이 겹치는 이유이다.

감마선은 일종의 전리복사이며 알파 입자나 베타 입자에 비해 투과성이 높은 반면 이온화율은 낮다. 감마선은 X선과 마찬가지로 화상, 암, 유전자 변형과 같은 피해를 유발한다. 핵전쟁 등에서 사용될 가능성이 있는 핵무기의 낙진에서 발생하는 감마선은 수많은 사상자를 유발한다. 효과적인 방사성 낙진 대피소는 1,000배가량 노출 정도를 감소시켜줄 수 있다. 감마선은 파장이 매우 짧고 주파수(진동수)가 매우 높아 에너지도 매우 높다. 즉 감마선은 본질적으로 에너지가 높은 빛이다. 비교하자면 가시광선의 광자 하나의 에너지가 대략 2~3.1eV 정도이고 의료용 X선은 약 2,000 eV 정도인데 우주 감마선은 통상 1천만 eV(10 MeV)에서 3천억 eV(300GeV) 정도이니 X선의 1만~1억 배의 에너지를 가지고 있다. 포항 방사광 가속기는 최고 25억 eV(2.5 GeV)정도를 낼 수 있다.

감마선은 방사성원소로부터 나오는 방사선의 일종이다. 자연 방사선은 세 종류가 있는데 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)는 물질을 투과하는 정도가 약한 순서대로 그리스 알파벳을 따라 알파선(α선), 베타선(β선), 감마선(γ선)으로 이름을 붙였다. 알파선은 헬륨의 원자핵으로서 양의 전하를 가졌고, 베타선은 전자로 음의 전하를 가졌으며, 감마선은 전자기파 혹은 광자로 전기적으로 중성이므로 이들 세 방사선은 서로 전혀 다른 실체이다. 감마선은 금속에 쪼여줄 때 금속으로부터 전자가 방출되는 광전 효과, 전자 등의 자유 입자와 충돌하여 에너지를 전달하고 파장이 긴 전자기파로 산란하는 콤프턴 산란, 전자와 양전자를 쌍으로 만드는 쌍생성 등의 반응을 일으킨다. 감마선은 이온화 작용을 통해 세포에 영향을 미쳐서 DNA를 포함한 세포를 변형시키거나 죽이고 암을 일으키거나 생물을 기형으로 만들기도 한다. 따라서 인체는 일정한 세기 이상의 감마선에 노출되지 않도록 하여야 한다.

역사

감마선은 1900년 프랑스 화학자이자 물리학자인 폴 올리히 빌라드(Paul Ulrich Villard)가 우라늄 연구 중에 발견했다. 파리 에꼴노르말(École Normale) 화학부에서 자신이 만든 장비로 연구하는 동안 그는 자기장에 의해 휘지 않는 선을 발견했다. 얼마 동안 감마선은 입자로 인식되었다. 선이라는 사실은 1910년 영국 물리학자인 윌리엄 헨리 브래그(William Henry Bragg)가 감마선이 X선과 마찬가지로 가스를 이온화 시킨다는 것을 보임으로서 입증되었다. 1914년 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)와 에드워드 안드라데(Edward Andrade)는 산란을 통해 파장을 측정함으로써 감마선이 전자기복사의 형태임을 밝혀냈다. 파장은 X선과 마찬가지로 아주 짧았으며 10⁻¹¹m - 10⁻¹⁴m 범위였다. 알파, 베타선에 이어 감마선이라는 이름을 정한 것도 바로 러더퍼드였다. 하지만 그 당시 각 선의 특성은 알려지지 않았다. 감마선 천문학은 기구 및 인공 위성 등을 이용하여 검출기를 완전히 대기 밖으로 올려보내고 나서야 발전하기 시작했다. 최초의 감마선 망원경은 1961년 익스플로러 XI 위성에 실려 궤도에 올라갔으며 100개 미만의 감마선 광자를 측정하였다. 아마도 감마선 천문학에서 가장 웅장했던 발견은 1960년대 후반과 1970년대 초반에 일어난 현상일 것이다. 원래 군사 위성이었던 벨라 위성들에 탑재된 검출기는 지구가 아닌 깊은 우주로부터의 감마선 폭발을 기록했다.

물질과의 반응

이온화의 측면에서 감마선은 광전효과, 컴프턴 산란, 쌍생성이라는 세 가지의 주요한 과정을 통해 물질과 반응한다.

• 광전 효과 : 이 현상은 감마선이 궤도 전자와 상호작용을 통해 모든 에너지를 전달하며 그 전자를 원자로부터 분리해버리는 현상을 의미한다. 결과로 발생하는 광전자의 운동에너지는 원래의 감마선의 에너지에서 전자의 결합 에너지를 제한 것과 같다. 광전효과는 50 keV이하의 X선 및 감마선에서 가장 널리 이루어지는 에너지 전달 방법으로 생각되지만 높은 에너지일 경우는 그다지 중요하지 않다.
• 콤프턴 산란 : 이 현상은 입사 감마선이 궤도 전자를 방출시키면서 에너지를 잃어버리고 남는 에너지는 다른 새로운, 낮은 에너지를 지니는 감마선을 방출시키는 것이다. 이 새로운 감마선은 기존 감마선과는 다른 방향으로 방출된다. 콤프턴 산란의 발생 확률은 감마선의 에너지가 증가함에 따라 감소한다. 콤프턴 산란은 100 keV에서 10 Mev 사이의 중간 정도 에너지를 가지는 감마선에 대해 가장 주요한 에너지 흡수 방식이며 이는 특히 핵폭발에서 유발되는 대부분의 감마선에 해당한다. 콤프턴 산란은 상대적으로 흡수 물질의 원자번호에 무관하다.
• 쌍생성 : 원자핵의 쿨롱 힘과의 작용에 의해 입사 광자의 에너지는 순간 전자-양전자 쌍으로 변한다. 양전자란 전자와 같은 질량을 가지고, 또한 전자가 가지는 음전하와 동일한 양의 양전하를 가지는 일련의 동등한 입자이다. 두 입자의 질량(1.02 MeV)을 제외한 나머지 에너지는 전자-양전자 쌍 및 반동하는 원자핵의 운동에너지로 나타난다. 이차전자로 불리는 쌍 내부의 전자는 이온화율이 매우 높다. 양전자는 매우 짧은 수명을 가지며 10⁻⁸ 초 이내에 자유전자와 결합한다. 결합 후 두 입자의 전체 질량은 다시 각각 0.51 MeV의 에너지는 가지는 두 개의 감마선으로 변하게 된다.

감마선은 알파선 혹은 베타선과 같은 다른 방사선과 함께 발생하기도 한다. 원자핵이 알파 입자 혹은 베타 입자를 방출할 때 딸핵은 가끔 들뜬 상태로 남게 된다. 이 경우 감마선을 방출하면서 저준위로 안정하는데 이 과정은 전자가 자외선을 방출하면서 안정하는 것과 매우 유사하다. 감마선, X선, 가시광선, 자외선은 모두 전자기복사의 일종이다. 차이점은 단지 주파수이며, 이로 인한 광자 에너지의 차이이다. 감마선은 가장 강력한 에너지를 지니고 있다.

감마선 생성의 예는 다음과 같다.

우선, 코발트-60이 베타 붕괴를 통해 들뜬 상태의 니켈-60으로 붕괴한다.

이어, 니켈-60은 감마선을 방출하며 바닥 상태로 떨어진다.

이 과정에서, 1.17 MeV와 1.33 MeV의 감마선이 생성된다.

다른 예로 아메리슘-241은 알파 붕괴를 통해 넵투늄-237이 되며, 알파 붕괴는 감마선 방출과 함께 일어난다. 코발트-60/니켈-60 와 같은 경우 감마선 방출 스펙트럼은 아주 단순하며 반면 아메리슘-241/넵투늄-237 혹은 이리듐-192/백금-192의 경우에는 복잡한데 이는 여러 에너지 준위가 가능하다는 것을 보여준다. 알파 스펙트럼이 서로 다른 에너지를 나타내는 다른 형태의 최고점을 가진다는 것은 여러 에너지 준위가 존재한다는 것을 의미한다.

베타 붕괴는 에너지를 내포하는 중성미자의 방출과 함께 일어나며, 베타 스펙트럼은 날카로운 선을 보여주지는 않는다. 대신 넓은 최대치를 가진다. 즉 베타 붕괴만으로는 원자핵 내부에 다른 에너지 준위가 가능한지를 증명할 수 없다.

사용

감마선의 세포를 죽이는 성질을 이용하여 박테리아 제거 등을 통한 의료기기의 살균에 유용하게 쓰인다. 또한 음식물, 특히 육류나 채소의 신선함을 유지하기 위해 박테리아나 벌레를 제거하는 데 사용되기도 한다.

세포를 죽이는 성질을 이용하여 감마선은 어떤 종류의 암을 치료하는 데 사용되기도 한다. 감마나이프(gamma knife) 수술에서는 감마선을 종양 부위에 쪼여줄 때 정확하게 초점을 맞추어 종양 세포만을 죽이고 주위의 정상 세포들에게는 영향을 미치지 않게 한다. 각각의 감마선은 다른 각도에서 들어와서 종양 부위에 초점을 형성하는데 이는 주변 조직의 피해를 최소화하기 위해서이다.

감마선은 핵의학에서 진단 목적으로도 사용된다. 양전자 단층 촬영(positron emission tomography, PET)에서는 양전자를 방출하는 의약품을 사용하여 몸 안에서 양전자가 전자와 결합할 때 나오는 감마선을 측정함으로써 의약품의 체내 분포를 파악하는 방식으로 암을 진단한다. 감마선을 방출하는 여러 종류의 방사성 동위원소가 사용되는데 그중의 하나는 테크네튬-99이다. 환자에게 투여되었을 때 감마 카메라를 이용하여 방출되는 감마선을 측정함으로써 방사선동위원소의 분포를 영상화한다. 이러한 방식으로 뼈에의 암 전이 등 다양한 상태를 분석할 수 있다.

감마선은 투과력이 강한 전자기파로서 감마선은 물체에 직접 접촉하거나 물체를 파괴하지 않고도 물체 내부의 구조를 파악하는데 사용할 수 있는데 감마선 측정기는 또한 컨테이너 탐지의 수단으로 싱가포르와 파키스탄에서 사용되기 시작했다. 5백만 달러에 해당하는 이 기계는 한 시간에 30개의 컨테이너를 조사할 수 있다고 한다.

참고자료

• 〈감마선〉, 《위키백과》
• 〈감마선〉, 《나무위키》
• 〈감마선〉, 《네이버 지식백과》
• "Gamma ray", Wikipedia

같이 보기

• 알파선
• 베타선
• 방사선
• 우라늄

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