광양자설

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뢴트겐(W. C. Roentgen, 1845-1923)_ 독일의 물리학자로서 X선을 발견한 뢴트겐은 1901년 최초의 노벨물리학상을 수상했다. 사진은 1995년 X선 발견 100주년을 기념해서 우리나라에서 발행된 우표이다.

눈에는 안보이지만 매우 강한 빛

X선은 1895년 뢴트겐(W. C. Roentgen)이 우연히 발견한 것으로, 음극선과는 달리 전자기장의 영향을 받지 않고 매우 강한 투과력과 쉽게 반사나 굴절을 일으키지 않는 성질을 가지고 있다. 그러나 당시로서는 정체를 파악할 수 없어서 X선(미지의 線)이라고 불렀다. 뢴트겐은 후일 이 업적으로 1회 노벨물리학상을 받았다. 그 후 1912년 라우에(M.von Laue)의 이론적 예견에 따라 그의 제자들이 X선 회절실험 성공으로 X선이 파동성을 갖는 전자기파의 일종임을 밝혔다.

1913년 브래그 부자는 결정구조 연구에 필수적인 X선 회절이론(브래그 법칙) 을 확립하였고, 1914년 쿨리지(W.D.Coolidge)에 의해 X선의 양이나 투과력을 제어할 수 있는 X선관(일명 쿨리지관이라고 한다)이 발명됨으로서 X선은 결정구조 연구, 원소분석뿐만 아니라 의학(진단) 및 공학(비파괴 검사) 등에 널리 이용되고 있다.

아래 그림은 X선이 표적 금속으로부터 방출되는 X선관(X-ray tube)의 구조를 보여준다. 오른쪽은 필라멘트에 의해 가열되어 전자가 발생되는 것으로 - 전압이 걸려 있어 음극(cathode)이라 불린다. 음극에서 발생된 전자는 + 전압이 걸려있는 금속, 즉 양극(anode)을 향해서 가속되어 금속에 부딪히도록 되어 있다. X선관은 전자가 자유롭게 운동할 수 있도록 10^-6～10^-8Torr의 진공을 유지하는 진공관으로 되어 있다.

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X선 발생장치_뢴트겐이 발명한 X선관으로 음극 부분의 필라멘트의 열에 의해 방출된 전자가 + 전압이 걸려 있는 표적으로 가속되어 표적과 충돌한다. 표적은 금속으로 만들어져 있으며, 그림처럼 전자선에 비하여 약간 기울여져 있다. 표적과 충돌한 전자는 갑자기 멈추면서 그 에너지가 X선을 만들어서 방출케 한다.

음극에서 방출되는 열전자가 음극과 양극(W, Fe, Cu, Mo, Co) 사이에 걸린 높은 전압(30～100 kV)에 의해 가속되어 양극에 충돌하여 정지하게 된다. 전하를 가진 물체가 갑자기 감속될 때에는 급격한 감속에 의해 전자기파가 발생되는 데 이를 제동복사(bremsstrahlung)라 한다. 이와 같은 원리로 발생하는 X선의 에너지는 가속전압에 의해 가속된 전자의 운동에너지에 해당하여 높은 가속전압일 수록 짧은 파장의 X선이 발생되며, 그 파장은 다음과 같이 제한된다.

가속전자의 대부분은 양극(표적)과의 1회 충돌로 완전히 정지하지 않기 때문에, 식에서처럼 오직 파장의 하한

λ_{m i n}

$\lambda_{min}$ 만 정해진다. 실제 방출되는 X선은 이 하한보다 큰 파장의 성분을 다 포함하게 되어 연속스펙트럼(continuous spectrum) 분포를 갖게 된다. 표적물질에 따라 다르지만, 공통적으로 몇 개의 띄엄띄엄한 스펙트럼(discrete spectrum)을 나타낼때도 있다. 이와 같은 불연속적인 스펙트럼은 가속전자가 표적을 때릴 때, 표적 원자의 내부 전자를 여기시켜서 그 자리에 빈 자리를 만들게되고, 이어서 외각전자가 그 빈자리를 채우면서 발생되는 X선이다.

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X선 스펙트럼_ 파선으로 표시한 그래프는 텅스텐 표적으로부터 나오는 연속스펙트럼으로 가속전압은 각각 20 kV, 35 kV, 50 kV이다. 최소 파장값은 $\eqref{eq1}$ 식을 잘 만족함을 보여주고 있다. 한편 가속전압이 35 kV일 때의 몰리브덴에 대한 스펙트럼을 실선으로 그렸는 데 연속스펙트럼과 선스펙트럼이 중첩되어 있는 것을 알 수 있다. 두 개의 선스펙트럼은 차례로 Kβ, Kα선이라 부른다.

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최초의 X선 사진_X선은 인체의 부위에 따라 투과성이 달라서 이를 이용한 X선 사진은 의료분야에 널리 활용된다. 그림은 최초의 X선 사진으로 뢴트겐이 부인의 오른손을 촬영한 것이다.

이 X선은 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 이온화시킨다. 이러한 성질은 방사선, 특히 γ선과 비슷한 점이 많다. 특히 투과할 때에는 물질의 밀도, 원자에 따라 투과율이 달라져서 이 원리를 이용한 X선 촬영장치는 생체 내부를 촬영하는 의료장비로 널리 사용되고 있다.