invalid-file1) 륀트겐의 X-선발견
뢴트겐(Wilhlem Conrad Roentgen,1845-1923)은 독일의 레네프에서 독일인인 아버지와 네덜란드인인 어머니 사이에서 태어났다. 어려서 그는 네덜란드에서 공부를 했는데, 그곳에서 학업을 마치지 못하고 1865년 입학시험을 통해서 취리히의 연방공과 대학 (ETH) 기계공학과에 입학했다. 1869년 그곳에서 박사 학위를 마친 그는 독일 뷔르츠 부르크
대학의 물리학자인 아우구스트 쿤트
(August Kundt,1839-1894)의 조교가 되어 과학자로서의 경력을 쌓기 시작했다. 그뒤 쿤트를 따라 슈트라스부르크로 가서 1874년 교수 자격 과정(Habilitation)을 이수하고, 그 이듬해 뷔템베르크의 작은 학교에서 교수로 잠시 재직하다가, 슈트라스부르크 대학을 거쳐 1879년 기센 대학 교수가 되었다. 기센 대학에서 10여년간 교수로 재직한 그는 1888년 마침내 프리드리히 콜라우시 (Friedrich Kohlrausch)의 후임으로 그가 과학자로서의 경력을 처음으로 쌓기 시작한 뷔르츠부르크 대학에 정착하게 되었다. 50세가 넘은 1895년초까지 뢴트겐은 오늘날의 관점에서 보면 그다지 중요하지 않은 48편의 학술 논문을 발표했었다. 그러나 그 다음에 발표한 논문 하나로 그는 일약 세계적으로 유명한 과학자가 되었던 것이다.
1894년 5월 5일 레나르트는 뢴트겐에게서 음극선을 금속 박판에 쏘기 위한 실험장치에 관한 문의 편지를 받은 적이 있었다. 이때 레나르트는 뢴트겐에게 레나르트의 창문에 사용되는 금속 박편을 만드는 방법을 알려주었다. 레나르트의 도움을 받아서 뢴트겐은 레나르트의 실험을 반복해 볼 수 있었다. 그러나 이 실험을 하던 중 뢴트겐은 대학의 학장으로 뽑혀서 당분간 자신의 음극선 실험을 할 수가 없었다. 1895년 10월 말 임기를 마친 뢴트겐은 1년 전에 자신이 한 실험을 다시 한번 반복해 보았다. 1895년 11월 8일 저녁 뢴트겐은 놀라운 현상을 목격하게 되는데, 후일 신문기자와 행한 인터뷰에서 그는 그날의 상황을 다음과 같이 술회하고 있다.
"그 날 나는 검은 종이로 완전히 둘러싸여 있는 히토르프-크룩스 관으로 작업을 하고 있었다. 책상 위에는 백금시안화바륨 종이 한 묶음이 놓여 있었다. 관에 전류를 흘려 보내고 나자, 종이 위에는 이상한 검은 선이 비스듬하게 생겼다. 당시 관점에서 보면 그것은 빛 때문에 생긴 것이었다. 그러나 전기 아크등에서 나오는 빛조차도 이렇게 뒤덮힌 종이는 통과할 수 없기 때문에 관에서 빛이 나온다는 것인 완전히 불가능했다."
20세기 과학에 대한 시대 구분을 할 때 대부분의 과학사가들은 1895년을 그 기점으로 잡는다. 1895년은 독일의 과학자 뢴트겐이 X-선이라는 새로운 종류의 광선을 발견한 해였다. 뢴트겐이 이 새로운 광선을 발견한 뒤에 이에 자극되어 그 이듬해 프랑스의 베크렐은 우라늄에서 최초로 방사선을 발견했으며, 1897년에는 영국의 J.J. 톰슨이 음극선의 전하량과 질량의 비를 측정하는 데 성공해서 1899년경에는 음극선의 입자성이 강력하게 부각되게 된다. 톰슨에 의한 음극선의 입자성 발견은 20세기에 들어와서 상대성이론이 출현되는 계기를 마련해 주었으며, X-선의 본성에 대한 논쟁 과정에서 파동-입자 이중성이라는 빛에 대한 새로운 인식이 나타나게 된다. 또한 방사선의 발견은 핵변환의 발견으로 이어졌고, 급기야 핵분열이 발견되어 우리는 핵에너지 시대에 진입하게 되었다. 결국 20세기 과학은 X-선의 발견을 계기로 해서 그 새로운 모습을 드러내게 되었던 것이다.
X선은 뢴트겐 이전에 여러 사람에 의해서 만들어졌었을 것이다. 18세기에 많이 만들어졌던 정전기 발생 장치에서 나오는 스파크에서도 이미 X-선이 발생했었을 것이고, 1879년 크룩스 자신도 음극선 주변에서 사진 건판이 흐려지는 것을 불평하곤 했었다. 더구나 레나르트를 비롯한 몇몇 독일 물리학자들은 크룩스 관 주변에서 발생하는 발광현상을 목격했다. 그러나 그들은 음극선의 성질을 연구하는 데 그들의 관심을 집중하는 바람에 발견의 기회를 놓쳤다. 특히 레나르트의 창문 실험은 X-선 발견에 가장 근접했던 실험이었으며, 실제로 레나르트는 뢴트겐이 히르토프-크룩스 관을 제작하는 데 도움을 주었다. 레나르트는 자신이 이 중대한 발견을 하지 못한 것에 대해서 매우 애석하게 생각했으며, 특히 뢴트겐이 X-선 발견에 관한 논문을 쓰면서, 자신의 도움에 대해서 언급하지 않은 것에 대해서 크게 못마땅하게 생각했다.
뢴트겐(Wilhlem Conrad Roentgen,1845-1923)은 독일의 레네프에서 독일인인 아버지와 네덜란드인인 어머니 사이에서 태어났다. 어려서 그는 네덜란드에서 공부를 했는데, 그곳에서 학업을 마치지 못하고 1865년 입학시험을 통해서 취리히의 연방공과 대학 (ETH) 기계공학과에 입학했다. 1869년 그곳에서 박사 학위를 마친 그는 독일 뷔르츠 부르크 대학의 물리학자인 아우구스트 쿤트(August Kundt,1839-1894)의 조교가 되어 과학자로서의 경력을 쌓기 시작했다. 그뒤 쿤트를 따라 슈트라스부르크로 가서 1874년 교수 자격 과정(Habilitation)을 이수하고, 그 이듬해 뷔템베르크의 작은 학교에서 교수로 잠시 재직하다가, 슈트라스부르크 대학을 거쳐 1879년 기센 대학 교수가 되었다. 기센 대학에서 10여년간 교수로 재직한 그는 1888년 마침내 프리드리히 콜라우시 (Friedrich Kohlrausch)의 후임으로 그가 과학자로서의 경력을 처음으로 쌓기 시작한 뷔르츠부르크 대학에 정착하게 되었다. 50세가 넘은 1895년초까지 뢴트겐은 오늘날의 관점에서 보면 그다지 중요하지 않은 48편의 학술 논문을 발표했었다. 그러나 그 다음에 발표한 논문 하나로 그는 일약 세계적으로 유명한 과학자가 되었던 것이다.
1894년 5월 5일 레나르트는 뢴트겐에게서 음극선을 금속 박판에 쏘기 위한 실험장치에 관한 문의 편지를 받은 적이 있었다. 이때 레나르트는 뢴트겐에게 레나르트의 창문에 사용되는 금속 박편을 만드는 방법을 알려주었다. 레나르트의 도움을 받아서 뢴트겐은 레나르트의 실험을 반복해 볼 수 있었다. 그러나 이 실험을 하던 중 뢴트겐은 대학의 학장으로 뽑혀서 당분간 자신의 음극선 실험을 할 수가 없었다. 1895년 10월 말 임기를 마친 뢴트겐은 1년 전에 자신이 한 실험을 다시 한번 반복해 보았다. 1895년 11월 8일 저녁 뢴트겐은 놀라운 현상을 목격하게 되는데, 후일 신문기자와 행한 인터뷰에서 그는 그날의 상황을 다음과 같이 술회하고 있다.
"그 날 나는 검은 종이로 완전히 둘러싸여 있는 히토르프-크룩스 관으로 작업을 하고 있었다. 책상 위에는 백금시안화바륨 종이 한 묶음이 놓여 있었다. 관에 전류를 흘려 보내고 나자, 종이 위에는 이상한 검은 선이 비스듬하게 생겼다. 당시 관점에서 보면 그것은 빛 때문에 생긴 것이었다. 그러나 전기 아크등에서 나오는 빛조차도 이렇게 뒤덮힌 종이는 통과할 수 없기 때문에 관에서 빛이 나온다는 것인 완전히 불가능했다."
그 때 히토르프-쿠룩스 관에서는 륌코르프 고전압 발생장치에 의해서 음극선이 유리관의 금속벽에 빠른 속도로 충돌해서 새로운 종류의 광선인 X-선이 검은 종이를 뚫고 나와서 백금시안화바륨을 감광시켰던 것이었다. 이 놀라운 현상을 목격한 뢴트겐은 이 사실을 아무에게도 알리지 않고 실험을 계속해 나갔다. 12월 22일 그는 자신의 처를 실험실로 불러서 그녀의 손을 X-선으로 찍어보았는데, 이때 처음으로 살아있는 사람의 뼈를 사진으로 찍을 수 있음을 확인했다. 이리하여 12월 28일 뢴트겐은 그간의 실험을 정리해서 뷔르츠부르크 물리 의학 학회지에 "새로운 종류의 광선에 관해서"라는 논문을 접수시켰다.(사진은 뢴트겐이 처의 손을 찍은 X-선 사진)
이 짧은 논문은 곧 인쇄되어 1896년 신년에 이미 뢴트겐은 논문의 별쇄본을 X-선 사진과 함께 자신의 친구들에게 보낼 수 있었다. 1월 4일에는 독일 물리학회 50주년 기념 학회가 있었는데, 뢴트겐의 발견은 이때 전 독일 과학자들에게 알려졌다. 의학자들은 X-선의 의학적 중요성을 발 빠르게 알아차리고 뢴트겐에게 강연을 요청했다. 학계뿐만이 아니라 독일, 오스트리아, 영국의 언론들도 이 놀라운 발견을 대서특필해서 뢴트겐은 일약 세계적인 유명 인사가 되었다. 1월 9일에는 카이저 빌헬름 2세로부터 이 새로운 발견을 치하하는 축전이 날아왔다: "본인은 우리의 조국 독일에 인류를 위한 커다란 축복이 될 새로운 과학의 승리를 안겨준 하느님을 찬양합니다." 프랑스의 수학자인 앙리 푸앵카레는 1896년 1월 20일 인간의 뼈가 찍힌 뢴트겐 사진을 파리의 아카데미에서 회람시켰는데, 이런 일이 있은 지 얼마 뒤인 그해 2월 24일에 베크렐은 아카데미에서 강한 투과성을 지닌 우라늄 화합물의 감광현상에 대해서 처음으로 발표하게 된다. X-선의 발견은 이렇게 여러 분야에서 커다란 영향을 미쳤기 때문에 뢴트겐은 발견 당시 노벨의 유언에 따라 제정된 노벨상의 물리학 분야의 첫 수상자로 선정되었다.(사진은 X선 발견을 보도한 뉴욕의 신문)
20세기 과학에 대한 시대 구분을 할 때 대부분의 과학사가들은 1895년을 그 기점으로 잡는다. 1895년은 독일의 과학자 뢴트겐이 X-선이라는 새로운 종류의 광선을 발견한 해였다. 뢴트겐이 이 새로운 광선을 발견한 뒤에 이에 자극되어 그 이듬해 프랑스의 베크렐은 우라늄에서 최초로 방사선을 발견했으며, 1897년에는 영국의 J.J. 톰슨이 음극선의 전하량과 질량의 비를 측정하는 데 성공해서 1899년경에는 음극선의 입자성이 강력하게 부각되게 된다. 톰슨에 의한 음극선의 입자성 발견은 20세기에 들어와서 상대성이론이 출현되는 계기를 마련해 주었으며, X-선의 본성에 대한 논쟁 과정에서 파동-입자 이중성이라는 빛에 대한 새로운 인식이 나타나게 된다. 또한 방사선의 발견은 핵변환의 발견으로 이어졌고, 급기야 핵분열이 발견되어 우리는 핵에너지 시대에 진입하게 되었다. 결국 20세기 과학은 X-선의 발견을 계기로 해서 그 새로운 모습을 드러내게 되었던 것이다.
X선은 뢴트겐 이전에 여러 사람에 의해서 만들어졌었을 것이다. 18세기에 많이 만들어졌던 정전기 발생 장치에서 나오는 스파크에서도 이미 X-선이 발생했었을 것이고, 1879년 크룩스 자신도 음극선 주변에서 사진 건판이 흐려지는 것을 불평하곤 했었다. 더구나 레나르트를 비롯한 몇몇 독일 물리학자들은 크룩스 관 주변에서 발생하는 발광현상을 목격했다. 그러나 그들은 음극선의 성질을 연구하는 데 그들의 관심을 집중하는 바람에 발견의 기회를 놓쳤다. 특히 레나르트의 창문 실험은 X-선 발견에 가장 근접했던 실험이었으며, 실제로 레나르트는 뢴트겐이 히르토프-크룩스 관을 제작하는 데 도움을 주었다. 레나르트는 자신이 이 중대한 발견을 하지 못한 것에 대해서 매우 애석하게 생각했으며, 특히 뢴트겐이 X-선 발견에 관한 논문을 쓰면서, 자신의 도움에 대해서 언급하지 않은 것에 대해서 크게 못마땅하게 생각했다.
2) X 선 이란 ?
1. X선(X-Rays) 이란 ?
1) X선(X-Rays)의 발견.
X선이 처음 발견된 것은 지금으로부터 약 100년전인 1895년 독일의 물리학자 Roentgen(뢴트겐)에 의해서 였고, 그 당시에는 물체의 내부를 밝히는데 있어 단순한 X선(X-Rays)의 투과력에 의한 Radiography 용도로 사용되었다.
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1912년 독일의 Laue 에의해 결정은 그의 면 간격(원자와 원자 사이의 간격) 정도의 파장을 가진 X선(X-Rays)을 쪼이면 반사한다는 X선(X-Rays) 회절(Diffraction)실험이 성공하여, X선(X-Rays)의 파동성과 결정내 원자의 규칙적인 배열을 동시에 입증한 계기가 되기도 하였다.
같은해 영국의 Bragg는 이를 다른 각도로 해석하여 Laue가 사용했던 수식보다 더욱 간단한 수식으로 회절에 필요한 조건을 Bragg's law (2 d Sin q = n l) 로 나타내었으며 이 X선회절(X-Ray Diffraction)현상을 이용하여 각종물질의 결정구조를 밝히는데 성공하였다.
2) X선(X-Rays)의 성질.
(1) 사진작용(2) 형광작용 - ZnS, CdS, NaI 등에 조사 시키면 형광을 발생 시킨다.(3) 이온화작용(4) 진공중에서 빛과 같은 속도로 진행한다.(5) 입자와 같이 회절(Diffraction) 현상을 갖고 있다.(6) 굴절률이 거의 1 에 가깝다. - 굴절에 의하여 X선(X-Rays)을 집중 시키는것은 거의 불가능하며, 전반사의 임계각이 10' ~ 30'(1o = 60') 정도된다.(7) 투과력이 커서 의료에 이용하여 몸의 뢴트겐(Roentgen)사진, 공업용으로는 재료시험에 이용한다.
(1),(2),(3) 의 성질들을 이용하여 X선(X-Rays)의 검출에 이용한다.
2. X선(X-Rays) 의 발생(Generation).
X선(X-Rays)은 진공중에서 고전압에 의하여 가속된 초고속의 전자(Electron)를 만들어 음극(Target)에 충돌 시키면 발생한다.이때 전자의 운동에너지의 대부분은 열로 변환되며, X선(X-Rays)의 에너지로 변환되는 비율은 다음식과 같이 일반적으로 0.1% 정도로 아주 작다.
e = 1.1 x 10-9 Z V
e : X선(X-Rays) 발생효율Z : Target 원소의 원자번호V : 전자(Electron)의 가속전압 (V)
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E = e V = h nm = h |
c |
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_____ | |
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lm |
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lm = |
h c |
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------- | |
|
e V |
|
e |
: 전자의 하전량 |
e = 1.6 X 10-19C |
|
h |
: 플랑크 상수 |
h = 6.63 X 10-34J.s |
|
c |
: 빛의 속도 |
c : 3 X 108m/s |
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nm |
: X선의 진동수 |
여기서, V를 KV, lm
|
lm = |
~ 12.4 |
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------- | |
|
V |
연속X선(Continuous X-rays)은 전자가 Target에 충돌하면서, 전자가 가지고 있던 운동에너지 일부가 X선(X-rays) 광양자로 변화되면서 생기는 제동방사(Bremsstrahlung) 이며, 이는 앞의 최단파장 보다 긴 파장쪽으로 분포하게 된다.
연속X선(Continuous X-rays)의 Intensity 분포를 보면, 그 최대 Intensity는 최단파장의 1.5배 부근에서 나타난다.
연속X선(Continuous X-rays)의 Intensity는 열전자의 가속전압에 따라 비례하며, 그외에 전류, Target 원소의 원자번호에 따라서도 비례한다. 또한 X선(X-rays)의 발생효율도 같은 Target 에서 전압에 따라 비례하므로, 연속X선(Continuous X-rays)의 Intensity는 i V2 Z 에 비례한다.
2) 특성X선(Characteristic X-rays).
(1) 특성X선(Characteristic X-rays)의 파장은 Target 물질을 구성하고 있는 원소에 따라 그 고유의 값을 갖고 있으며, K, L, M, ... 등의 계열로 분류된다.
각 계열의 파장은 K <L <M ... 순이다.같은 계열에서도 근접한 몇개의 파장군으로 구성된다.예를들면, K계열(K series)는 Ka1, Ka2, Kb1, ..., LK계열(L series)는 La1, La2, Lb1, Lb2, Lb3, Lg1, ..., 등이 있다.
(2) 원자는 원자핵과 그 주위를 일정한 에너지 Level을 가진 궤도를 회전하는 전자로 구성된다.입사전자의 운동 에너지가 전자의 결합 에너지 보다 크면, 그 각의 전자를 떼어낸다. (광전효과 Photoelectric effect)K각의 전자가 여기 되어 그 빈자리에 L, M, N, ... 각의 전자가 들어올 때, K계열의 특성X선(Characteristic X-rays)이 발생한다.
그 파장은 다음식에서 구할 수 있다.
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En - Ek = h nk = h |
c |
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_____ | |
|
lk |
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En |
: L, M, N, ... 각 전자의 에너지 | |
|
Ek |
: K각 전자의 에너지 | |
|
h |
: 플랑크 상수 |
h = 6.63 X 10-34J.s |
|
c |
: 빛의 속도 |
c : 3 X 108m/s |
|
lk |
: K계열의 특성X선의 파장 |
(3) Target 에 가속전자를 충돌시켰을 때, 그 운동 에너지가 Target 원소가 속박 하고있는 전자를 떼어내기 위해서 필요한 최소한의 가속전압을 여기전압(Excitation voltage) 이라 한다.
|
Target |
|
|
K계열여기전압(KV) | |||
|
원소기호 |
원자번호 |
Ka2 |
Ka1 |
Kb | ||
|
Cr |
24 |
2.294 |
2.290 |
2.085 |
2.070 |
5.98 |
|
Fe |
26 |
1.940 |
1.936 |
1.757 |
1.743 |
7.10 |
|
Co |
27 |
1.793 |
1.789 |
1.621 |
1.608 |
7.71 |
|
Cu |
29 |
1.544 |
1.541 |
1.392 |
1.380 |
8.86 |
|
Mo |
42 |
0.7135 |
0.7093 |
0.6323 |
0.6198 |
20.00 |
|
Ag |
47 |
0.5638 |
0.5594 |
0.4970 |
0.4858 |
25.50 |
|
W |
74 |
0.2188 |
0.2090 |
0.1844 |
0.1784 |
69.30 |
이 여기전압은 Target의 종류에 따라 다르며, 같은 Target에서도 K, L, M, .. 등의 전자에 따라서 각각 다르다.
(4) X선 회절에는 Cu, Co, Fe, Cr, Mo 등의 K계열 선을 주로 사용하나 Ka1, Ka2의 두선은 파장이 아주 비슷하여, 보통 하나의 선으로 보고 Ka 라고 부른다.Ka1과 Ka2의 강도비는 2:1 로, Ka의 파장은 가중평균치를 사용한다.
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lKa = |
2lKa1 + lKa2 |
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---------------- | |
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3 |
(5) 특성X선(Characteristic X-rays)의 강도(Intensity)는 다음식으로 나타낼 수 있다.
I = ~ i ( V - V0 )n
|
I |
: 특성X선(Characteristic X-rays) 강도(Intensity) |
|
i |
: X-ray tube 전류 |
|
V |
: 가속전압 |
|
V0 |
: 여기전압 |
|
n |
: 가속전압에 영향을 받는 상수 |
V가 V0의 2~3배 일때는 n = ~2, V >3V0 일때는 n = ~1 로 되어 강도증가가 둔하게 된다.
3. X선(X-Rays)의 강도(Intensity).
계수관(Counter)으로 측정하여 단위시간 동안 Counter에 들어온 X선(X-Rays) 광양자 갯수(Counting rate - CPS[Counts Per Sec.])를 X선(X-Rays)의 강도로 이용하는것이 보통이다.X선강도(X-Ray Intentensity)는 단위시간 동안의 광양자수의 많고 적음을 나타낸다.광양자의 에너지가 크고 작음과는 다르며, 에너지가 큰것은 파장이 짧으며 투과율도 커서 그 종류가 다르다.
조사선량의 단위인 뢴트겐(R)은 1 cm3의 공기(d = 0.001293 g/cm3)중에서 1 esu(=3.3375 X 10-10
4. X선(X-Rays)의 스펙트럼(Spectrum).
X선 스펙트럼은 연속X선(Continuous X-rays, White X-rays)과 특성X선(Characteristic X-rays) 2종류가 있다.
1) 연속X선(Continuous X-rays).
일정한 전압으로 전자를 가속시켜서 X선(X-Rays)을 발생시키는 경우, 그 연속X선 스펙트럼은 단파장 측에 명확한 한계가 나타난다.텅스텐 Target에 전류를 일정하게 두고, 전압을 20 ~ 50 KV 까지 변화시켰을때, 최단파장(Shortest wavelength) lm 은 전자가 Target에 충돌하면서, 전자가 가지고 있던 전체의 운동에너지 모두가 X선(X-Rays) 광양자로 변화된 것이다.
따라서, 최단파장은 Target의 종류와는 관계없이 가속전압의 영향을 받는다.
5. X선(X-rays)의 흡수(Absorption).
X선(X-rays)이 물질중을 통과할때 여러가지 형태로 Energy 변환이 일어나며, 일부분은 통과하게된다.
1) 선흡수계수(Linear absorption coefficient).
X선(X-rays)이 물질중을 1cm 통과하는 동안 흡수(Absorption)되는 정도를 선흡수계수(Linear absorption coefficient)라고 한다.x cm 통과한 곳의 X선강도(X-Rays Intensity) Ix가 dx cm 통과한후 약해진 X선강도(X-Rays Intensity)를 dI라고 하면
-dI = m Ix dx
가 되며, 경계조건을 고려하여 적분하면
Ix = I0 e-mx
이 되며, 여기서 m는 선흡수계수(Linear absorption coefficient), x는 시료의 두께이다.
2) 질량흡수계수(Mass absorption coefficient).
물질의 밀도를 r 라고 하면
Ix = I0 e-(m/r)rx
로 되며, m/r 를 질량흡수계수(Mass absorption coefficient)라고 부른다.질량흡수계수(Mass absorption coefficient)는 물질마다 고유의 값을 가지고 있으며, 일정한 입사X선(Incident X-Rays) 파장에 대하여 일정하다.X선(X-Rays)의 물질에 의한 흡수(Absorption)는 원자에 의하여 일어나므로, 화합물질의 경우에는 각 성분원소 흡수계수(Absorption coefficient)를 합하면 되며, 원소의 화학적상태와는 관계가 없다.2개 이상의 원소에 의하여 만들어진 화합물, 혼합물, 용액등의 m/r는
m/r = WA (m/r)A + WB (m/r)B + .....
(WA, WB ..... 는 A, B, ..... 원소의 중량비)
이 된다.
3) 파장 및 원소에 대한 질량흡수계수
(Mass absorption coefficient)의 변화.
원소의 질량흡수계수(Mass absorption coefficient)는 입사선(Incident X-Rays)의 파장과 흡수물질의 원자번호와 관계가 있다.
일정한 원소에 대하여 흡수단을 무시하면, 파장이 길수록 질량흡수계수(Mass absorption coefficient)는 증가하며 파장이 작을수록 질량흡수계수(Mass absorption coefficient)는 감소한다.
질량흡수계수(Mass absorption coefficient)의 불연속적인 위치를 흡수단(Absorption edge)이라고 한다.이러한 불연속적인 위치는 입사선(Incident X-Rays)의 Energy가 전자의 결합 Energy보다 커서 K각, L각, ... 의 전자를 떼어내기 위하여 사용하는 Energy (광전효과) 때문에 생기며, 각각 K흡수단, L흡수단, ... 이라고 부른다.이때 전자가 떨어져 나가고 생긴 빈자리에는 다른 각에서 전자가 떨어져 2차 X선(Secondary X-Rays)이 발생한다.
각 흡수단의 중간에는 다음과 같은 근사식이 성립한다.
m/r = k l3 Z3
|
k |
: 상수 |
|
l |
: 파장 |
|
Z |
: 원자번호 |
4) 흡수단 면적
질량흡수계수(Incident X-Rays)는 엄밀히 다음과 같이 두개의 항으로 구분된다.
|
m |
t |
s |
|
--- |
= --- + |
--- |
|
r |
r |
r |
|
m |
: 선흡수계수 |
|
t |
: 진흡수계수 |
|
s |
: 산란계수 |
|
r |
: 밀도 |
(1) 진흡수는 광전흡수 라고 하며, X선(X-Rays) 광량자가 광전효과를 일으키면서 물질중에서 모두 소멸하는 과정에서 일어난다.(2) 산란흡수는 X선(X-Rays)이 물질에 의해 산란되어 입사X선(Incident X-Rays)중의 광량자가 옆으로 나오며 일어난다.
5) Filter
흡수단을 이용하여 X선(X-Rays)을 단색화(Monochromating)하기 위하여 이용하는 물질을 Filter 라고 한다.
X선회절(X-Ray Diffraction)용 Filter는 질량흡수계수(Mass absorption coefficient)가 Kb선에 대하여 크고, Ka선에 대하여는 작은것을 사용한다.이 Filter 원소의 원자번호는 Target 원자번호보다 1~2 작은것을 사용한다.X선회절(X-Ray Diffraction)에 사용하는 Target와 이에 대응되는 Filter는 다음과 같다.
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Target |
|
Filter | |||||
|
Ka1 |
Kb1 |
원소 |
|
IKb1/IKa1 = 1/100 의 경우 | |||
|
두께(mm) |
두께(g/cm2) |
Ka1투과율 | |||||
|
Cr |
2.2896 |
2.0848 |
V |
2.269 |
0.011 |
0.007 |
63 |
|
Fe |
1.9360 |
1.7565 |
Mn |
1.896 |
0.011 |
0.008 |
62 |
|
Co |
1.7889 |
1.6208 |
Fe |
1.743 |
0.012 |
0.009 |
61 |
|
Cu |
1.5405 |
1.3922 |
Ni |
1.488 |
0.015 |
0.013 |
55 |
|
Mo |
0.7093 |
0.6323 |
Zr |
0.689 |
0.081 |
0.053 |
43 |
|
Ag |
0.5594 |
0.4970 |
Rh |
0.534 |
0.062 |
0.077 |
41 |
6. X선(X-Rays)의 산란(Scattering).
물질에 X선(X-Rays)을 입사 시켰을때 1차X선(Primary X-Rays)은 흡수 되거나 산란된다.산란된 X선을 2차X선(Secondary X-Rays) 이라고 하며,
(1) 1차X선(Primary X-Rays)과 동일한 파장을 가진 X선(탄성 산란, Thompson 산란)(2) 1차X선(Primary X-Rays) 보다 파장이 약간 긴 X선(비탄성 산란, 비간섭성 산란, Compton 산란)(3) 형광X선(광전효과에 의한 특성X선,Fluorescence X-Rays)
등이 다시 방출된다.
이러한 산란은, 원자핵과는 관계없고 전자에 의한 것이다.
1차X선(Primary X-Rays)과 동일한 파장의 산란X선 Thomson 산란(Thomson scattering)은 회절(Diffraction)현상을 나타내며, 결정해석에 이용된다.
1차X선보다 파장이 약간 긴 X선(Primary X-Rays)을 Compton 산란(Compton scattering)이라 하며, 이때 파장의 변화 Dl는 다음과 같다.
|
Dl = |
h |
|
(1 - cos f) = ~0.0243 (1 - cos f) ---- | |
|
mc |
|
Dl |
: 파장변화 |
|
h |
: 플랑크 상수 |
|
c |
: 광속도 |
|
f |
: 입사X선과 산란X선 사이의 각도 |
이것은 비간섭성 산란으로, 회절(Diffraction)현상을 나타내며 또 여러방향으로 방사되어 회절X선(Diffracted X-Rays)의 Background 가 된다.
형광X선(Fluorescence X-rays)은 원소분석에 이용한다.
7. X선(X-Rays)의 전반사(Total Reflection).
X선(Rays)의 물질에 대한 굴절률은 1보다 조금 작다.
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n = 1 - d = 1 - |
e2 l2 |
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N ---------- | |
|
2p m c2 |
|
n |
: 굴절률 |
|
N |
: 단위체적중의 물질의 전자수 |
|
m |
: 전자의 질량 |
|
e |
: 전자의 전하량 |
|
c |
: 광속도 |
d는 보통 10-5 ~ 10-6 정도이다.
굴절률이 1에 아주 가깝지만 1보다 작으므로 X선(X-Rays)이 고체표면에 낮은각도로 입사 될때, 조사각 qc이하 에서는 전반사가 일어난다.
qc
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qc |
: 임계각 |
|
Z |
: 1분자중의 전자수 |
|
M |
: 분자량 |
|
r |
: 밀도 (g/cm3) |
|
l |
|
임계각 qc는 많은 물질에서 1o 이하로 작고, 물질의 전자밀도에 의존하여 변한다.X선(X-Rays)의 조사각이 이각보다 크면 X선은 더 깊이 물질중으로 들어가며, 이상적인 평면을 가지고 있는 물질에는 qc이상의 각에서 반사율이 급격히 감소한다.
이러한 성질을 이용하여 막두께, 평면도, 밀도가 구해진다.
8. X선(X-Rays)의 인체에의 영향
1) 1차X선(Primary X-Rays) 과 2차X선(Secondary X-Rays)
X선(X-Rays)은 인체 조직에 나쁜 영향을 준다.X선(X-Rays)에 피폭된 피폭량(강도와 면적)과 부위에 따라서 각종 장해를 발생시킨다.문제가 되는 X선(X-Rays)은 1차X선(Direct Beam)과 2차X선(산란X선)이 있다.전자는 X선(X-Rays)이 집속되어 만들어진 직사X선 이므로 강도가 세고 X선분석장치에는 보통 한정된 진로중에만 존재한다.후자는 강도면에서 몇배 작고 1차X선의 진로 부근 전체에 존재하며, 1차X선의 진로가 중금속판으로 완전히 막히지 않은경우 1mm 이하의 작은 틈으로부터 누출된다.
보통의 X선회절계(X-Ray Diffractometer)를 예로들면, C/Kg/hr 으로 표시한 X선의 강도(조사선량율)로 1차 X선에 대하여Cu Target, 20 KV, 2 mA, 185 mm 위치에서 1.8 C/Kg/hrCu Target, 40 KV, 30 mA, 185 mm 위치에서 9.8 X 10 C/Kg/hrCu Target, 40 KV, 30 mA, 1 m 위치에서 3.4 X 10-1 C/Kg/hr
2차 X선은 장소와 조건에 따라서 10-8 ~ 10-6 C/Kg/hr 정도 된다.
1차X선(Primary X-Rays)의 조사선량율 (Cu, 1mA, r거리 100mm)
실선 : Constant potential (KV)점선 : Pulsating potential (KVp)다른 Target 의 경우 : Z/29 배 (Z 는 원자번호)다른 거리의 경우 : 제곱에 반비례
선량율의 비교
2) 피폭의 방지
1차X선(Primary X-Rays)에 대하여 단시간 동안 피폭될 경우, 예를들어 1.8 C/Kg/hr 의 1차 X선에 1분간 있을경우, 약 1 Sv 의 성량이 되며, 작은 부위에 피폭되면 약간의 화상을 입는 정도이나 회복된다.작은 부위의 피폭은 다음과 같은 3, 2, 1 주간의 현상이 나타나지만 회복된다..
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1 ~ 3 Sv |
: 1도 화상 |
(탈모) |
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5 ~ 12 Sv |
: 2도 화상 |
(충혈, 홍반, 탈모) |
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10 ~ 18 Sv |
: 3도 화상 |
(홍반, 수포) |
전신피폭은 X선회절장치(X-Ray Diffractometer)와 같은 것에서는 일어나지 않으며, 투과법(X-ay Radiography : 용접부위의 투과 사진 촬영)이나 방사성 동위원소 관련 장치의 경우에 일어나며, 4 Sv 의 피폭을 1회 받으면 1개월 이내에 피폭자의 50%가 사망한다.
3) 선량율과 계수율의 관계
선량율과 계수율의 관계는 다음 그림으로부터 계산이 가능하다.
X선 광량자 와 파장
한 예로 2.58 X 10-7 C/Kg/hr 은 약 500 cps 가 되나, 이것은 X선(X-Rays)의 파장, 계수효율, 유효한 창면적 등의 변수에 따라서 다르다.간단히, 이 환산율은 다음과 같은 인자에 크게 좌우된다.
(1) 가느다란 Beam을 넓은 유효면적을 가지고 있는 검출기로 측정하는 경우, 두 면적비 때문에 더 적은 선량율을 얻는다.(2) 강한 X선(X-Rays)의 경우, 검출기가 죽어서(Dead time 때문에) 더 적은 선량율을 얻는다.(Counter 의 경우도, 전리함식 Survey meter 의 경우도)(3) X선(X-Rays)이 단색이 아닌경우(검출효율은 파장에 의존한다)(4) X선(X-Rays)의 진행방향에 대하여 검출기가 향하는 방향에 따라서 다르다.X선관(X-Ray Tube) 에서 얻을수 있는 최대 X선량은 Target 원소의 용융점과 열전도도에 의해 좌우된다.일반적으로 Target 은 Cr, Fe, Co, Cu, Mo, Ag, W 등이 있으며, Cu가 가장 많이 사용된다.Target 에서 발생된 열은 냉각수에 의하여 냉각 시켜야 한다.
3) X-선 기초실험
실험목적:X-선이 발생되는 원리를 이해하고 X-선의 형광, 전리, 투과, 흡수 등
기본적인 성질을 알아본다.
이론
X-선은 1895년 뢴트겐(W.C.R ntgen)이 우연히 발견한 것으로, 음극선과는 달리 전자기장의 영향을 받지 않고 매우 강한 투과력과 쉽게 반사나 굴절을 일으키지 않는 성질을 가지고 있으나, 그 당시로서는 정체를 파악할 수 없는데서 비롯하여 X-선이라고 불렀다. 그 후 1912년 라우에(M.von Laue)의 이론적 예견에 따라 그의 제자들이 X-선 회절실험 성공으로 X-선이 파동성을 갖는 전자기파의 일종임을 밝혔다.
1913년 브랙 부자는 결정구조 연구에 필수적인 X-선 회절이론( 브랙법칙) 을 확립하였고, 1914년 쿨리지(W.D.Coolidge)에 의해 X-선의 양이나 투과력을 제어할 수 있는 X-선관(일명 쿨리지관이라고 한다)이 발명됨으로서 X-선은 결정구조 연구, 원소분석 뿐만 아니라 의학(진단) 및 공학(비파괴 검사) 등에 널리 이용되고 있다.
X-선은 진공(10-6∼10-8Torr)관 내에 있는 가열된 음극(필라멘트)에서 방출되는 열전자가 음극과 양극(W, Fe, Cu, Mo, Co) 사이에 걸린 높은 전압(30∼100 kV)에 의해 가속되어 양극(target)에 충돌하여 X-선이 발생된다(그림 1). 이는 전하를 가진 물체가 갑자기 감속될 때 발생되는 전자기파로 제동복사(bremsstrahlung)라 한다. 이와 같은 원리로 발생하는 X-선의 에너지는 가속전압에 의해 가속된 전자의 운동에너지에 해당하여 높은 가속전압일 수록 짧은 파장의 X-선이 발생되며, 그 파장은 <식 1>과 같이 표현된다.
여기서 V는 가속전압, h는 플랑크 상수, c는 광속이다.
그림 1. X-선 발생장치. 필라멘트에서 발생된 열전자는 양극(anode)에 걸어준 + 고전압에 의하여 가속되어 금속 표적에 부딪힌다. 갑자기 제동된 전자는 운동에너지에 해당하는 X-선을 발생한다. X-선은 표적에서 방사상으로 발생되나 베릴륨(beryllium)창 외로 가는 것은 차폐된다.
그러나 가속전자의 대부분은 양극(표적,target)과의 1회 충돌로 완전히 정지하지 않기 때문에, 일정한 파장을 갖는 X-선을 발생시키지 못하고 연속적인 스펙트럼(continuous spectrum) 분포를 갖게 되며, 표적물질에 따라 다르지만, 공통적으로 몇 개의 불연속적인 에너지 스펙트럼을 나타낸다. 이와 같은 불연속적인 스펙트럼은 가속전자가 표적을 때릴 때, 표적 원자의 내부 전자를 여기 시켜서 그 자리에 빈 자리를 만들게되고, 이어서 외곽전자가 그 빈자리를 채우면서 발생되는 X-선이다.
이 X-선은 빛(가시광선)과 같은 전자기파이지만 파장이 원자의 크기 정도로 작아서 결정에 의해서 특이한 회절무늬를 만들게 되고, 또한 에너지가 크기 때문에 물질에 대한 형광작용이 강하고, 물질을 쉽게 투과할 수 있고, 투과할 때 물질을 이온화 시킨다. 이러한 성질은 방사선, 특히 γ-선과 비슷한 점이 많다. 특히 투과시에는 물질의 밀도, 원자에 따라 투과율이 달라져서 이 원리를 이용한 X-선 촬영장치는 생체 내부를 촬영하는 의료장비로 널리 사용되고 있다.
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그림 2. X-선관의 금속 표적으로부터 방출된 X-선의 스펙트럼. 파선으로 표시한 그래프는 텅스텐 표적으로부터 나오는 연속스펙트럼으로 가속전압은 각각 20kV, 35kV, 50kV이다. 최소 파장값은 식 (1)을 잘 만족함을 보여주고 있다. 한편 가속전압이 35kV일때의 몰리브덴에 대한 스펙트럼을 실선으로 그렸는데 연속스펙트럼과 선스펙트럼이 중첩되어 있는 것을 알 수 있다. 두 개의 선스펙트럼은 차례로 Kβ , Kα선이라 부른다.
실험장치
그림 . X-선 분광실험장치. 관에서 나온 빔의 직경은 약 5mm이나 이것이 중심의 결정(crystal)에 이르를 때에는 15mm정도로 발산한다. 이 사이에 직경 1mm정도의 콜리메이터가 있어 빔을 줄여주고 또한 균질로 만들어 준다. θ만큼 기울어진 결정에서 회절된 X-선은 2θ 만큼 꺽여서 검출기로 들어간다. 여기서 θ는 가변할 수 있다.
(1) X-선 분광장치 : 그림 3에 나타낸 것처럼 X-선관과 전원, X-선을 회절 시키는 결정, X-선 검출기 등으로 되어 있다. 기본적으로 대부분의 실험장치가 이와 비슷하게 되어 있지만, 가속전압 V는 가변할 수 있는 것과 고정형으로 된 것이 있다. 여기서는 20kV, 30kV 두 가지 전압을 선택하는 것을 전제로 한다. X-선관에 흘려주는 전류를 조절하여 방출되는 X-선의 세기를 조절할 수 있게 되어 있다.
(2) 가이거 관 : X-선의 전리작용을 이용하여 X-선을 계측한다. 또한 가이거 관에 전압을 공급하는 직류가변전원이 필요하다. <"방사선 측정" 실험 참조>
(3) 바늘구멍 금속판 등 : X-선의 직진성을 알아 보기 위한 것으로 여러 가지 형상을 한 금속판, 플라스틱판 등이 있으면 된다. 주위에 있는 물체들을 이용할 수 있을 것이다.
(4) 형광판 : 몰리브덴산, 텡스텐산, 황화아연 등 X-선에 대한 형광체를 입힌 X-선 관측장치.
(5) 금속 흡수체 : 여러 가지 두께의 동일 금속판. 두께는 0.1mm로부터 3.5mm정도까지가 필요하다. 0.1mm, 0.25mm, 0.5mm, 1mm, 2mm가 있으면 이들을 조합하여 사용할 수 있다.
(6) 방전간극(spark gap) : X-선의 전리장용을 알아보기 위한 것으로 바늘 두개로 간단히 만들 수 있다. 수천 V의 전원이 필요하다. 기체방전관용 전원을 사용할 수 있다.
실험방법
< X-선의 직진, 투과성 관측 >
(1) 실험장치를 그림 4처럼 배치한다. 그림 3에서 결정지지대는 제거하고 계측대를 0o의 위치에 두면 된다.
(2) 전원을 올리고 X-선의 빔의 형태를 형광판을 이리저리 옮겨서 형광을 관측하여 알아 본다. (X-선관의 전자가속전압은 30kV로 하자)
(3) 검출기(detector) 위치에 형광체를 설치한다. 넓은 면에서 형광이 발하도록 적당히 조절하자.
(4) 시료설치대(sample carriage)에 금속슬릿, 면도날, 바늘, 비금속 물질 등을 가로 막아 형광판에 나타나는 무늬를 관측하고 그려보자. 그리고 X-선이 지나는 주변에 자석으로 자기장을 걸어서 X-선이 꺾어지는 지도 관측하자.
그림 4. X-선 분광실험 장치의 배치.
< X-선의 전리작용 측정 >
(1) 그림 5처럼 바늘을 이용하여 방전간극(spark gap)을 만들자. 이때 두 바늘 사이의 간격은 5mm정도로 하되 실험과정에서 적당히 조절한다.
(2) 바늘의 양단에 5000V의 가변전원을 연결하에 시료설치대에 장착한다. 이때 빔의 중앙이 두 바늘사이에 들어오도록 한다.
(3) 바늘에 걸어주는 전압을 서서히 올려서 막 방전이 일어나도록 한다. 이때 X-선은 끄도록 한다.
(4) 전압을 그 위치에서 약간 줄여 방전이 멈추는 위치에 고정한다.
(5) X-선을 켜서 방전이 개시되는지 관측한다.
(6) X-선의 전자가속전압을 변경해 가며 방전이 개시되는 방전전압을 측정하여 그래프를 그린다.
(7) X-선이 비추어지는 상황에서 방전전압이 줄어든다면 이 이유를 설명하라.
그림 5. 바늘로 만든 방전간극
< 가이거 관의 적정전압 측정 >
(1) 가이거 관을 검출기(detector)위치에 설치한다.
(2) X-선의 전류를 최소로 줄인다.
(3) 미약한 X-선이 비추어지는 상황에서 가이거 관에 걸어주는 전압을 조절하여 계수기에 계수되는 계수량을 측정한다.
(4) 가이거 관에 걸어주는 전압에 대한 계수량의 그래프를 그린다.
(5) 문턱전압을 넘어선 위치에서 정체기가 형성될 것이다. 정체기의 25%되는 전압을 적정전압으로 삼자.
(6) 적정전압에 고정하고 X-선관의 전류를 높여가면서 계수량을 계속 측정하자.
(7) 전류에 대한 계수량의 그래프를 그리서 계수량이 포화된 현상을 이해한다.
< X-선의 흡수계수 측정 >
(1) 가속전압을 30kV, 전류를 50 A정도로 한다.
(2) 시료설치대에 아무것도 놓지 않고 계수량을 측정한다. (이때 가이거 관에는 적정전압을 걸어주고 포화가 되지 않도록 적절히 조절해야 한다)
(3) 금속흡수체를 적절히 조합하여 0∼3.5mm의 두께를 만들고 각 두께에 대한 계수량을 측정한다.
(4) 두께에 대한 계수량의 그래프를 보통 모눈종이, semi-log 모눈종이에 그려서 X-선이 감쇄되는 실험식을 찾도록 시도해 본다.
(5) semi-log 모눈종이의 기울기로부터 I = Ioe-μt (t는 두께)의 μ를 구하자.
4) X-선 성질
1. 광학적 성질 : X-선은 빛과 동일하게 횡파이다. X-선 튜브로 부터 발생하는 X-선은 진행방향에 수직한 면 내의 전기장 백터는 편광되지 않지만 모노크로메터에서 회절되는 X-선은 편광되어진다.
2. 형광작용 : 형광판에 맞아 불빛을 낸다.
일반 의료용 Film에 감과시키기 위해 사용되는 증감지가 이 원리를 이용하는 것이다. 또한 영상증배관(II) 내부의 CsI/또는 간접방식 DR에 사용되는 CsI 가 이원리를 이용한다.
3. 감광작용 : X-ray용 사진 Film을 감광 시킨다.
치과용으로 사용하는 X-ray용 Film에 이용된다.
4. 산란작용 : 두꺼운 부위에선 X-ray 에너지가 산란된다.
이를 막기 위해 Grid를 이용하고, 또 한쪽에선 이 산란 정보를 이용하여 유방의 숨어 있는 정보를 얻기도 한다.
5. 생체작용 : 적정치 이상을 쏘이게 되면 생물학적 변화를 일으킨다.
이를 막기 위해 방호개념이 확립되어 있다.
6. 이온화작용 : gas를 이온화시킬 수 있다.
이를 이용하여 X-ray의 조사(Exposure)량을 측정할 수 있다.(측정 단위 R)
7. 투과작용 : 파장이 매우 짧기에 원자번호가 낮은 대부분의 물질을 투과할 수 있다. 이를 이용한 장치가 일반 X-ray 장치이다.
8. 연속X선과 특성X선
X선에는 여러 가지 파장의 X선을 연속적으로 함유하는 연속X선과, 어떤 파장의 X선만이 특유한 세기로 나타나는 특성X선(고유X선)이 있다.
연속 X선 : 타깃에 충돌하여 갑자기 운동이 정지된 전자의 운동에너지의 일부가 변한 것. 충돌 전에 가지고 있던 전자의 속도, 즉 X선관에 가한 가속전압에 의하여 정해지는 최초의 한계파장이 있어서, 가속전압을 증가시키면 보다 단파장의 단단한 X선을 함유하게 되어 전체의 X선 세기도 증가한다. 또, 파장별 세기분포는 한계파장에 가까운 곳에 최대값이 있고, 파장이 길어짐에 따라 그 세기는 약해진다. X선관에서 나오는 X선 에너지의 대부분을 차지하는 것으로서, 타깃에 원자번호가 큰 중금속을 쓸수록 발생효율이 좋다.
특성 X선 : 고유X선이라고도 한다. 연속X선과는 발생 구조가 다르며, 타깃의 원자 내에 있는 전자가 가속전자의 충격으로 교란되어 발생하는 것. X선관의 가속전압이 어느 한도를 넘었을 때에 연속X선에 겹쳐서 나타나며, 전압과는 관계없이 타깃으로 쓴 물질원소에 특유한 불연속의 파장을 가지는 몇 개의 무리를 이루는 X선으로 성립되어 있다. 일반적으로 특성X선의 각 선은 K계열, M계열,…로 이름지어진 몇 가지 무리로 나누어지고, 각각의 무리에 속하는 선을 i,?i,…라고 하는 기호로 구별하지만, 이들 각 선의 파장과 물질원소의 원자번호 사이에는 각각의 계열마다 파장의 제곱근이 원자번호에 반비례한다는 관계가 성립된다. 이 법칙을 모즐리의 법칙이라고 하며, 이것을 사용하면 어떤 물질이 원소인지 아닌지를 확인할 수 있고, 또한 미발견의 원소의 존재를 확인할 수도 있다. 예컨대, 1933년 발견된 72번 원소(하프늄)를 비롯하여 43,61,75의 원자번호를 가진 원소는 이 방법에 의하여 존재가 확인되었다. 또한, X-선이 고체, 특히 금속에 부딪치면 투과X선 이외에 물질에서 새로운 X선이 발생한다. 이것을 2차X선이라 하며, 이 속에는 물질원자에 의하여 산란된 X-선 외에, 그 원소에 특유한 특성X선이 포함되어 있다. 이러한 종류의 2차적으로 방출되는 특성X선을 보통 형광X선이라고 한다.
9. X-선 회절
일반적으로 파가 장애물에 충돌했을 때 입자의 충돌과는 달리 장애물의 그늘 부근에도 파가 생긴다. 이것이 파의 회절이다. X-선은 전파나 빛과 마찬가지로 전자기적인 파이며 물질에 충돌할 때 역시 회절이 생긴다. 원자가 어떤 규칙에 따라 배열한 집합체 즉, 물질에 X선을 입사시키면 각각의 원자로부터의 산란파가 서로 간섭 현상을 일으켜 특정한 방향으로만 회절파(X-선회절)가 진행한다. 이것이 X-선회절 현상이다. X-선회절의 강도와 진행 방향은 물질을 구성하는 원자의 종류와 배열 상태에 따라 달라진다. 그러한 특징을 이용하여 X-선회절을 조사함으로써 물질의 미세한 구조를 알 수 있다.
물질의 미세한 구조에 관한 지식은 물질의 여러 성질을 이해하기 위한 기본적인 정보의 하나이다. 예를 들면, 같은 탄소원자로 이루어진 다이아몬드와 흑연이 전혀 다른 성질을 갖는 것을 그 원자배열의 차이를 연구함으로써 알 수 있다. 슬릿에 의한 X-선회절은 1903년에 관측되었으나, 보다 일반적인 결정에 의한 X-선회절은 1912년 M.라우에의 예측에 근거하여 실시된 실험으로 발견되었으며, 그 후 브래그 부자(W.H.브래그, W.L.브래그)와 P.드바이에 의해 확인되었다.
현재 X-선회절은 고체화학 ․물성물리학 ․생물학 ․우주지구과학 등 외에 물질을 대상으로 하는 연구나 반도체공업 ․금속공업 등 산업 분야, 물질구조의 해석, 물질 동정(同定), 결정체의 크기 측정 등에 널리 이용되고 있다. 원자 배열의 상태와 X-선회절이 나타내는 방향과의 관계를 나타내는 조건식을 브래그조건 또는 라우에조건이라 한다.
브래그(Bragg) 법칙
X-선, 감마선 같은 전자기파 또는 전자․중성자로 이루어진 입자파가 결정 안으로 입사했을 때 가장 강한 반사를 일으키는 면에 대해 결정 안의 원자간의 면간격과 입사각 사이에 성립하는 관계법칙. 반사된 파의 강도가 최대로 되려면 보강간섭이 일어날 수 있도록 각 파의 위상이 같아야 한다. 즉 개개 파의 동일점(가령 파의 마루나 골)이 관측장소에 동시에 도착해야 한다. 이 법칙은 영국의 물리학자 윌리엄 로렌스 브래그가 처음으로 발견했다.
브래그 회절
그림을 보면, 위상이 서로 같은 2개의 파 1․2가 결정 안에 있는 A, B 원자에서 각각 반사된다. 이 결정의 격자(또는 원자) 면간격은 d이다. 실험에 의하면 반사각 θ와 입사각 θ는 서로 같다. 두 파가 반사된 다음에도 위상이 같으려면 경로차 CBD가 파장(λ)의 정수배가 되어야 한다(즉 CBD=nλ). 그런데 기하학적으로 볼때, CB와 BD의 길이가 서로 같고, 각각의 크기는 격자 면간격 d와 반사각 θ의 사인 값을 곱한 d sin θ와 같으므로 nλ=2d sin θ가 성립하며, 이 관계를 브래그 법칙이라 부른다. 그림에서 알 수 있듯이 n=2이면 경로 CB 안에 파장이 1개만 존재하며, n=3인 경우보다 반사각이 작다. n=1인 각도로 반사하면 1차 반사라고 부르며, n=2인 각도로 반사하면 2차 반사라고 부르는 등 순서대로 이름을 붙인다. n이 정수가 아닌 경우에는 반사된 파들이 상쇄간섭을 일으켜 소멸된다.
브래그 법칙은 파장을 측정하거나 결정의 격자 간격을 알아내는 데 유용하다. 특정한 파장을 측정하려면 복사파와 탐지기를 모두 임의의 각 θ로 맞추어 놓은 다음, 탐지기에 강한 신호가 나타날 때까지 탐지기를 돌려 각도를 조절한다. 신호가 나타날 때의 각도(브래그 각)를 브래그 법칙에 대입하면 바로 파장을 구할 수 있다. X-선과 저에너지의 감마선이 갖고 있는 정확한 에너지 값은 주로 이 방법으로 측정한다. 양자역학에 의하면 중성자도 파동성을 나타내기 때문에 중성자의 에너지를 구할 때도 브래그 반사를 자주 이용한다.
2) X-선 회절을 이용한 실험방법
1. X-선 회절 분석법 (X-Ray Diffractometry)
X-선 회절 분석법(X-Ray Diffractometry)은 초기에 비교적 단순한 형태의 결정 물질속에 있는 원자들의 배열과 상호거리에 관한 지식과 금속, 중합물질 그리고 다른 고체들의 물리적 성질을 명확하게 이해하는데 많은 도움을 주었다.
최근의 X-선회절(X-Ray Diffraction) 연구는 Steroid, 비타민, 항생물질과 같은 복잡한 자연물의 구조를 밝히는데 주로 이용되고 있다. 또한, 임의 시료가 어떠한 성분으로 구성되어 있는지 몰라도, 이시료에 X-선(X-Rays)을 조사시켜서 나타나는 회절패턴(Diffraction Pattern)을 이미 알고있는 시료에서 얻어진 회절패턴(Diffraction Pattern)과 서로 비교하여 그 성분을 알아낼 수 있다.
2. 구조인자의 부호결정법
중원자법 - 결정을 이루는 분자에 원자번호가 큰 중원자가 포함되어 있으면 이 원자는 원자번호가 작은 다른 원자에 비해 X-선의 산란정도가 매우 크다. 원자번호가 큰 원자의 단위세포 내 에서 의 위치는 Patterso 함수 등으로 쉽게 찾을 수 있다.
이렇게 찾은 중원자의 위치로 구조인자의 위상을 결정 할 수 있다.
중원자 첨가법 - 구조를 알고자하는 분자의 회절강도를 비교함으로써 구조인자의 위상을 찾는 방법이다.
중원자 교환법 - 이 방법은 헤모글로빈, 단백질 효소 등 과 같이 분자 속에 이미 중원자를 포함하고 있으면서 매우 복잡한 구조를 갖는 경우에 사용된다.
회절피크간의 비교법 - 구조인자의 크기는 결정면에 따라 다르지만 대칭요소에 따라서는 구조인자들의 크기에 관한 부동식이 성립한다. 이러한 부동식들 이 위상을 결정하는데 도움을 주는 경우가 많다.
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