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엑스선
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엑스선(X-ray, X-radiation, X선, 엑스레이)은 파장이 10 ~ 0.01 nm이며 주파수는 3 × 10¹⁶Hz에서 3 × 10¹⁹Hz 사이인 전자기파다. 이는 자외선보다 짧은 파장의 영역이다. 독일의 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen)이 처음 발견하여 이름 붙였으며 그의 이름을 따라 뢴트겐선으로도 부르기도 한다. 뢴트겐은 이 발견으로 최초의 노벨 물리학상을 수상했다. 엑스선은 투과성이 강하여 물체의 내부를 볼 수 있으므로 의료 분야 및 비파괴 검사 등에 널리 쓰인다.[1][2][3][4]
목차
개요
엑스선은 빠른 전자를 물체에 충돌시킬 때 투과력이 강한 복사선(전자기파)으로 방출된다. 엑스선은 자외선보다 짧은 파장의 영역이고 감마선보다 긴 파장의 영역에 속한다. X선과 감마선을 파장의 길이로 구별하는 것은 사실상 어렵다기보단 의미가 없다. X선과 감마선은 에너지가 아니라 발생 원인으로 구별하는 것뿐이며 겹치는 영역이 있다. 더 쉽게 말하자면 낮은 에너지의 감마선도 있고 마음만 먹으면 메가전자볼트(MeV) 단위의 X선도 낼 수 있다. X선과 감마선을 구별하는 중요한 차이는 발생원에 의한 차이이며 에너지 분포가 어떠한가에 따라서도 구별할 수 있다. 전자기파의 파장별 분류는 단순히 임의적으로 구분된 것일 뿐이며 말그대로 파장의 길이(바꿔 말하면 에너지 혹은 진동수)가 다르다는 것 외에는 본질적으로 아무런 차이도 없다는 사실이다. 특히 X선과 감마선의 경우엔 심지어 파장이 겹치기까지 하는데 이는 X선과 감마선을 발견할 당시 이들이 전자기파인 줄조차 몰랐기 때문이다. X-ray라는 이름 자체도 일단 발견은 했는데 그 정체를 알 수 없어서 미지의 x를 넣은 것이다. 당시 시대가 양자역학은커녕 물질파 가설이나 광전 효과가 발표되기 수십 년 전이었으니 결론적으로 말하자면 똑같은 것을 몇몇의 우연이 겹쳐 그저 다르게 명명한 것뿐이라고 해도 과언이 아닐 정도다. 흔히 방사선을 분류할 때는 엑스선과 감마선을 구분하지 않는다.
엑스선은 가시광선보다 투과력이 높아 의학에서 몸속 사진을 찍는데 쓰이며 파장이 짧아 물질의 구조를 알아내는데 쓰인다. 우리가 흔히 빛이라고 하는 가시광선은 전자기파로 일반화할 수 있다. 가시광선보다 파장이 짧은 전자기파는 대개 파장이 긴 순서대로 자외선, 엑스선, 그리고 감마선으로 분류한다. 파장이 짧으면 전자기파의 에너지가 커지고 투과력이 높아진다. 엑스선 자체도 가지고 있는 에너지 크기에 따라 파장이 0.1 ~ 0.2 나노미터보다 길면 무른 엑스선(저에너지 엑스선, soft X-ray), 짧으면 굳은 엑스선(고에너지 엑스선, hard X-ray)으로 세분한다. 엑스선은 투과력이 높아 피부 세포는 잘 투과하지만 뼈조직은 잘 투과하지 못하므로 뼈 사진을 찍는데 쓰인다. 그러나 피부도 완전히 투과하지는 못하고 투과하는 정도가 각 기관마다 미세하게 다르므로 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography, CT)에도 엑스선을 활용한다. 이보다 더 투과력이 높은 분야(건물 비파괴 검사)에는 파장이 더 짧은 감마선을 사용한다. 엑스선은 파장이 0.01 ~ 10 나노미터로 원자의 크기 정도이다. 따라서 이를 원자에 산란(scattering)시키면 원자의 배열에 대한 정보를 주므로 고체 결정이나 분자의 원자구조를 탐구할 수 있다. 브래그 산란 등을 통하여 고체의 원자구조를 밝혀낼 수 있고 디옥시리보핵산(DNA)의 구조를 알아내는데도 엑스선 산란 사진을 이용하였다. X선은 이온화선(ionizing radiation)으로 DNA와 같은 분자에서 이온을 떼어낼 수 있다. 의사들 사이에서는 X선 사진보다는 뢴트겐 사진이라고 더 많이 불린다. 미국과 일본에서 많은 영향을 받은 국내 의학계, 특히 방사선학이라고 불리는 의료 방사선 관련 학문은 일본에서 많은 발전이 있었으며 일본에서는 방사선학 대신에 뢴트겐 학이라는 이름을 많이 사용한다. 방사선을 다루는 학문에서는 유독 일본에서 유래한 단어가 많은 것도 이 때문이며 요즈음은 X선, X레이라고 더 많이 하지만 아직 일본에서 유학을 하고 온 사람이나 그런 스승 혹은 상관 밑에서 수학한 의사들을 중심으로 간간이 쓰인다.
성질
엑스선의 파장의 한계는 분명하게 정의되어 있지 않으나 보통 10⁻¹⁰m의 수백 배에서 수백만 분의 1의 파장의 빛을 엑스선이라 부르고 있다. 엑스선은 엑스선의 발생 방법에 따라 2가지 종류가 있다. 하나는 제동 복사에 따라 만들어지는 연속 엑스선으로서 전자가 원자나 원자핵에서 받는 쿨롱 힘에 의해 갑자기 진로가 바뀔 때에 발생하는 엑스선이다. 다른 하나는 특성 엑스선으로서 원자 속의 깊은 에너지 준위에 있는 전자가 제외되었을 때 그 공백을 메우려고 바깥쪽 궤도에서 전자가 이동할 때 발생하는 엑스선이다.
엑스선은 매우 빠르게 움직이는 전자가 무거운 원자에 충돌할 때 발생한다. 가열된 음극 필라멘트로부터 나온 전자는 양극 표적을 향해서 가속된다. 이때 전자의 최종 속도는 전자가 얻은 운동 에너지가 전기장에 의해서 전자에 한 일(단위: 전자볼트)과 같다고 놓음으로써 계산할 수 있다. 이 전자의 운동에너지는 충돌시 대부분 열로 전환되며 단지 1% 미만의 에너지만이 엑스선을 발생시키는데 이용된다. 양극의 역할을 하는 표적으로는 보통 크로뮴, 철, 코발트, 니켈, 구리, 몰리브데넘, 텅스텐 등을 쓴다. 표적에 도달한 고속의 전자는 원자핵의 쿨롱 장에 의해서 강하게 굴곡되어 저지당한다. 이때 전자의 운동 에너지 중 일부가 제동 복사로 방사되는데 이것이 바로 엑스선이다. 이런 종류의 엑스선의 스펙트럼은 연속적이므로 이를 연속 엑스선이라고 한다.
한편 전자는 표적 원자의 궤도 전자를 쫓아내든지 아니면 높은 준위로 들뜨게 함으로써 운동 에너지 가운데 일부를 잃는데 이에 따라 높은 궤도로부터 낮은 궤도로 전자가 떨어지면서 엑스선이 방사된다. 이 엑스선은 궤도 사이의 에너지 차에 의해 주어지는 불연속적인 스펙트럼을 가진다. 그러므로 이 엑스선을 특성 엑스선이라 부른다. 엑스선을 투과력에 따라 분류할 수도 있다. 약 0.12 ~ 12 킬로전자볼트는 연엑스선(soft X-ray), 약 12 ~ 120 킬로전자볼트는 경엑스선(hard X-ray)으로 부른다.
특성 엑스선 계열
특성 엑스선은 원자 궤도 사이의 에너지 차에 관계되는 것으로 그 파장은 표적으로 사용된 원소에 따라 다르지만 엑스선관에 걸어준 전압과는 관계없다. 특성 엑스선의 스펙트럼은 파장이 짧은 쪽으로부터 K, L, M 등 계열이 있다. 고속 전자가 원자에 충돌하면 핵에 가까운 내측각의 전자가 튕겨나가 빈 자리를 만들고 이 궤도에 외측의 각을 차지하고 있던 전자가 떨어져 채워진다. 에너지가 높은 궤도에서 낮은 궤도로 천이한 전자는 이 에너지 차이를 전자기파로 방사하고 이것이 특성 엑스선이 된다. 외측 각의 전자가 K 각으로 천이할 때에 방사되는 엑스선이 K계열의 스펙트럼을 만든다. 같은 방법으로 L계열, M계열로 계속되고 이 순서로 파장이 길어진다.
K각의 빈자리가 L각으로부터의 전자에 의해 채워져 생기는 엑스선을 Kα선, M각의 전자에 의해 재워져 생기는 엑스선을 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 천이 확률은 약 2:1로 이것이 Kα1, Kα2의 강도비이다.
예를 들어 필라멘트 관에서의 엑스선 발생을 생각해 보자. 이 관은 진공인 유리관으로 되어있고 유리관은 한쪽 끝에 있는 양극에서 다른 끝에 있는 음극을 절연하며 음극은 텅스텐 필라멘트이고 양극은 물로 냉각하는 구리 블록이며 이 블록은 한끝에 작은 삽입물로서 원하는 목표물 금속을 포함한다. 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려 가열시키면 열전자가 발생을 하고 그 전자에 전압을 가해서 가속을 시킨다. 가속된 전자는 타깃에 부딪히고 운동 에너지 공식 E=eV=mv²/2에 의해서 목표물에 부딪힌 열전자의 속도가 줄어들면 줄어든 속도만큼 파장이 생기게 된다. 파장이 짧을수록 에너지가 높다. 이로써 엑스선이 발생하고 발생된 엑스선 중에서 특성 엑스선을 뽑아서 재료 분석에 사용한다. 목표물이 달라지면 전자 구조도 달라지며 따라서 특성 엑스선의 파장도 달라진다. 즉 특성 엑스선은 목표 물질에 따라 다르며 이로써 목표 물질의 구조를 분석할 수 있다.
엑스선 관
엑스선을 발생시키기 위한 진공관을 엑스선관(X線管)이라 한다. 엑스선관은 음극에서 튀어나온 전자를 양의 전압이 걸린 양극(대음극)까지 달리게 하여 가속시켜서 에너지가 커진 전자를 양극판에 충돌시켜 엑스선을 발생시키는 장치이다.
금속/세라믹 엑스선관
금속/세라믹 엑스선관은 관의 재질을 유리 대신 금속과 세라믹 절연체로 만든 엑스선관이다. 다음과 같은 장점이 있다.
- 초점에 벗어난 방사선의 양이 적음
가속된 전자가 양극의 목표물 이외의 금속 표면과 작용하여서 생기는 것으로 주 발생원은 양극으로부터 후방 산란된 전자에 의해 생기는데 이 산란된 전자가 2차적으로 양극과 부딪히면서 엑스선을 발생시킨다. 금속 표면의 전하는 접지되어 있므로 전자에 비해서 상대적으로 양전하를 가지므로 엑스선관의 접지된 금속벽으로 초점에 벗어난 전자들을 끌어당김으로써 초점에 벗어난 방사선을 줄인다.
- 더 긴 수명 및 더 높은 관전류를 쓸 수 있음
텅스텐이 엑스선관 벽에 침착되면 전극으로 작용하여 유리벽과 필라멘트 사이에서 아킹(arcing)을 일으켜 문제가 되나 금속 엑스선관은 접지되어 있으므로 텅스텐이 침착되어도 접지된 것에 영향을 미치지 않아 특히 혈관 촬영과 같이 관전류가 높은 경우에도 유리관보다 더 오래 쓸 수 있다. 양극의 열 저장 능력이 크기 때문에 즉 연속적으로 노출하였을 때에도 금속 표면을 통해 oil로의 열전도가 더 효율적으로 이루어지고 냉각도 더 잘 되므로 좀 더 높은 관전류를 사용할 수 있다.
분석
1912년 막스 폰 라우에(Max Theodor Felix von Laue)의 예상에 입각해서 파울 크니핑(Paul Knipping) 등이 결정격자(結晶格子)에 의한 엑스선의 회절 무늬(라우에 점 무늬)를 얻게 되었으며 그 후 브래그가 엑스선 간섭에 관한 브래그 법칙을 유도하였고 1913년에 드디어 엑스선 분광기를 고안함으로써 엑스선을 결정 구조 분석에 이용하게 되었다.
브래그 법칙
브래그는 결정에 의한 엑스선의 간섭상으로부터 결정 내부의 원자 배열 상태를 추정하는 기초적인 관계식을 수립하였다. 결정 내부에 서로 평행인 원자의 배열면을 생각하고 엑스선이 이 면에서 산란된다고 하면 평행 평면의 간격을 d, 엑스선의 파장을 λ라 했을 때, 엑스선의 입사각(入射角) θ가
의 관계를 만족시킬 경우, 첫째 면에서 산란된 엑스선과 둘째 면에서 산란된 엑스선이 서로 간섭하여 반사각 θ, 즉 입사 엑스선에 대하여 2θ라는 방향으로 강력한 반사 엑스선을 발생하여 거기에 둔 필름에 간섭에 의한 점무늬를 만든다.
이것을 브래그 반사, 이 관계를 브래그 조건, 이 때의 엑스선의 입사각을 브래그 각(角)이라 하고, 엑스선의 파장을 알고 있으면 간섭상의 위치로부터 브래그 각 θ를 구할 수 있고 평행평면의 간격 d를 알 수 있다. 일반적으로 결정 안에서는 원자가 바둑판 무늬처럼 규칙적으로 배열되어 있어 이러한 평행 평면을 얼마든지 선정할 수 있으므로 한 결정에 대하여 여러 각도에서 이것을 실시하면 결정의 입체적인 원자 배열의 모습(결정의 형태, 면간격 등)을 알 수 있다.
브래그의 법칙을 만족하여 엑스선 간섭상을 얻는 데는 사용되는 회절법은 라우에 법, 회전 결정법, 분말 결정법 등 세 방법이 있다.
라우에 법
라우에 법은 독일의 물리학자인 라우에가 1912년에 발명한 방법으로 엑스선에 의한 결정 구조의 해석법의 발단이 되었다. 이 방법은 단결정의 작은 조각에 연속 엑스선의 가느다란 빔을 조사하여 결정의 뒤쪽에 나타나는 빔과 수직이 되는 면안에 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 브래그 법칙에 의해 결정된다.
엑스선 관에서 나온 연속 스펙트럼인 백색 엑스선을 고정한 단결정에 맞춘다. 따라서 브래그각을 결정내의 모든 조의 면에 대하여 고정하고 각 조의 면은 특정한 d와 각의 값에 대하여 브래그 법칙을 만족하는 엑스선 파장을 선택하여 회절하는 것이다. 엑스선원, 결정, 필름 내의 상대 위치에 따라 투과 라우에 법과 배면 반사 라우에 법이 있다.
회전 결정법
단결정을 특정한 결정축의 한 방향이나 결정학적으로 중요한 결정축이 단색 X-선에 수직이 되도록 올려두고 주위에 일정한 속도로 회전시키면서 축에 수직 방향에서 단색광인 엑스선을 조사하고 결정이 회전함에 따라 엑스선을 브래그각으로 받아들인 결정 격자면으로부터의 반사 엑스선을 회전축 주위에 둔 원통상 필름에 닿게 하여 사진을 만든다. 결정이 단 하나의 축 주위로만 회전하기 때문에 브래그각은 모든 조의 결정면에서 0˚와 90˚ 사이의 모든 가능한 각이 되지는 않는다. 그러므로 모든 조가 회절 빔을 만들 수 있는 것은 아니다.
분말 결정법
조사하고자 하는 결정을 먼저 매우 고운 분말로 크기를 줄이거나 푸석푸석하거나 굳게 뭉친 미세한 입자 형태로 만든다. 이것을 정위치에 놓고 엑스선을 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.
용도
의료용 X선
X선 발견 초기에는 일부 물질들을 제외하고 투과성이 높은 특성을 이용하여 좀처럼 보기 어려웠던 인체 내부를 투사해 의료용으로 사용하였고 이 용도는 오늘날까지 이어지게 된다. X선을 주로 다루는 의학 분야는 영상의학과이다. 투시검사, 혈관조영 검사, CT검사 등 여러 분야에서 이용된다.
엑스선 결정학
엑스선 결정학은 원자들이 밀집된 결정에 방사했을 때 입사된 엑스선 회절의 패턴을 기록하고 분석하여 그 결정의 격자구조를 파악하고 나아가 그 물질만의 특성을 파악하는 학문이다.
물성분석용
- X선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD): 결정구조를 가진 물질을 분석하는 데 이용한다. X선의 파장이 결정의 크기와 비슷한 대역이라 상호작용을 잘 하기 때문이다. 특정 물질을 정성분석하는 분말 X선 회절 분석(powder XRD, PXRD), 단결정의 결정 구조를 밝혀내는 단결정 X선 회절 분석(single crystal XRD), 입자의 크기 분포를 정량적으로 측정하는 X선 소각 산란(Small Angle X-ray Scattering, SAXS) 등이 있다. 주요 제조사로는 Bruker (독일), Rigaku (일본) 등이 꼽힌다.
- X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS): X선으로 내각 전자를 들뜨게 하여 가전자로 만들고, 그 가전자가 진공 중으로 광전자로 방출되는 현상을 이용하여 원소분석 및 화학 결합에 대한 정보를 얻는 방법이다.
- 특성 X선 분광법(Charaterstic X-ray Spectroscopy): 물질 표면의 구성 원소를 정성 및 정량적으로 분석하는 방법으로 외부 자극에 의해 전자가 궤도에서 이탈되면, 그 이탈한 빈자리를 채우기 위해 더 높은 준위에 있던 전자가 빈자리로 내려오면서 그 에너지 차이를 빛(X선)으로 방출하게 되고, 이를 각 원소의 특성 X선과 대조하여 어떤 원소가 포함되어 있는가를 분석하는 방법이다. 일반적으로 주사 전자현미경(SEM)이나 투과전자현미경(TEM) 혹은 전자탐침분석기(EPMA)에 부착되어 검출기로 사용되거나, X선 형광분석기 (X-ray fluorescence analyzer, XRF) 시스템의 검출기로 사용된다. 차이점은 전자로 전자를 이탈시키느냐 (SEM/TEM/EPMA), 아니면 X선으로 전자를 이탈시키느냐(XRF)에 있으며, 일반적으로 XRF는 넓은영역을 관찰하고, 전자현미경류의 경우 좁은 영역을 관찰하거나 원소 mapping에 용이하다. 방식에 따라 에너지 분산식 (Energy dispersive)과 파장 분산식(Wavelength dispersive)로 나뉜다. Oxford Instrument, Thermo Fisher Scientific, Ametek(EDAX), JEOL, Bruker, Rigaku 등이 주로 생산한다.
- 에너지 분산 X선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS) : 특성 X선을 Silicon drift detector로 에너지에 따라 검출한다. 신호를 받아들이는 양이 크므로 분석시간이 짧고 전자현미경 조건에서 사용이 가능하므로 SEM이나 TEM에 부착돼서 주로 사용된다. 그러나 WDS에 비해서 정량분석의 정확도가 떨어진다.
- 파장 분산 X선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, WDS): 특성 X선을 단결정을 통과시켜 특정 파장에 해당하는 X선만을 받아낸다. 모든 X-ray를 동시에 받아내는 EDS와 달리, 단결정을 회전시키면서 특정 파장에 해당하는 X-ray만을 순차적으로 받아들이는 방식으로 분석시간이 EDS에 비해 월등히 오래 걸리므로 불편하지만, 훨씬 정확한 정량분석 결과를 산출한다.
- X선 형광분석기(X-ray fluorescence analyzer, XRF) : EDS 또는 WDS 방식으로 시료의 원소를 정성/정량분석한다.
산업·기타 용도
각주
참고자료
같이 보기
