X-선 기초 실험

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.

	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 K_β , K_α선이라 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 0^o의 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 = I_oe^-μt(t는 두께)의 μ를 구하자.

질문

(1) X-선은 가시광보다 직진성이 좋고 쉽게 회절되지 않음을 파장의 크기가 가시광보다 작다는 사실로 설명하라.

(2) X-선이 거울(구리판 등의 금속판)에 의해 반사되지 않는 이유를 정성적으로 설명해 보라.

(3) 나뭇잎 등 식물체로서 투과성을 관측하여 이 X-선이 생체의 투시 촬영에 쓰일 수 있는 이유를 설명하라.

(4) X-선도 방사선처럼(실제 '방사선'이라 하기도 함) 인체에 치명적인 폐해를 줄 수 있다. 이를 효율적으로 차폐할 수 있는 방법을 제시해 보라.

(5) 일반적으로 X-선은 γ-선보다 파장이 더 길다고 한다. 실제로 이 둘의 구별은 그것이 어떻게 발생되었는가를 따져서 한다. 둘의 차이점과 유사점을 조사하자.

(6) <X-선의 흡수계수 측정> 실험에서 두께 t가 클 경우에는 I = I_oe^-μt식에서 벗어나 I 가 크게 관측될 것이다. 이 이유를 X-선이 단일한 파장으로 되어 있지 못하고 연속스펙트럼과 선스펙트럼이 합성된 백색 X-선으로 되어 있는 것으로 설명할 수 있다. 구체적인 이유를 생각해 보라.

X-선 기초 실험

실험목적

이론

실험장치

실험방법

질문

참고도서

실험목적
	X-선이 발생되는 원리를 이해하고 X-선의 형광, 전리, 투과, 흡수 등 기본적인 성질을 알아본다.