광양자설 |
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X선
눈에는 안보이지만 매우 강한 빛X선은 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.
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. \[ \begin{equation} \label{eq1} eV = h \nu_{max} = h \frac{c}{\lambda_{min}} \end{equation} \] \[ \lambda_{min} = \frac{hc}{eV} = \frac{1.2396}{V}~\mathrm{nm} \] 위 식의 오른쪽 항은 가속전압 $V$는 kV의 단위로 했을 때 결과를 nm가 되도록 한 것이다. 가속전자의 대부분은 양극(표적)과의 1회 충돌로 완전히 정지하지 않기 때문에, 식에서처럼 오직 파장의 하한 $\lambda_{min}$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.
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.
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