방사선의 산란

이론
	방사선 중 α선과 β선은 전하를 가지고 있기 때문에 물질 속에서 원자핵이나 전자와 상호작용하여 진행방향이 꺾어지거나(산란:scattering) 흡수(absorption)되기도 한다. 특히 β선은 공기에서 액체나 고체로 진입할 때 원자핵에 의하거나 핵을 둘러 싸고 있는 전자와 충돌하여, 대부분이 진행방향이 꺾여서 뒤돌아 나오는 후방산란(backscattering)을 하게 된다. α선의 경우에는 1∼2% 만이 후방산란하지만 β선은 80%까지 후방산란을 한다. β선이 하나의 원자와 상호작용을 하는 방법은 대체로 다음 세가지로 생각할 수 있다. 실제 β선이 물질에 의해 산란 하는데에는 다음의 여러 가지 충돌이 거듭되어 누적된 결과로 나타날 것이다.

		그림 1. 원자핵에 의한 라더퍼드 산란
	첫째로 핵과 충돌하여 산란되는 것을 라더퍼드 산란(Rutherford scattering)이라 한다. 원래 라더퍼드가 원자의 구조를 알기 위해 α입자를 핵에 산란시킨 것처럼, 핵의 + 전하와 β입자의 - 전하(양전자인 경우에는 +전하)가 단순히 전자기적인 상호작용을 하여 혜성이 태양 가까이 다가와서 진로가 완전히 꺾여 되돌아 가는 것과 비슷하게 전자가 핵의 인력에 의하여 진로가 꺾여서 되돌아 나가게 된다. 이 과정에서 β입자는 핵보다 질량이 월등히 작아서 에너지를 거의 잃지 않기 때문에 일종의 탄성충돌이라 할 수 있다. 둘째로 핵과 비탄성충돌을 하여 에너지를 잃어버리는 경우이다. 이 잃어버리는 에너지는 광자가 가지고 나가는데 이 현상을 제동복사(bremsstrahlung)라 한다. 이는 전하를 가진 물체가 가속운동을 할 때 전자기파가 발생된다는 고전전자기학 이론으로 설명할 수 있다. 이 과정에서 전자는 운동방향이 꺾여질 뿐만 아니라 속도도 줄게 된다. 셋째로 원자의 궤도전자와 충돌하여 전자를 떼어내어 원자를 이온화 시키고 -입자는 에너지를 잃는 비탄성충돌이 있다. 이러한 과정에 의하여 β입자가 완전히 뒤로 꺾이지 않더라도 물질속에서 운동을 하다가 여러 다른 원자들에 의하여 산란을 거듭하여 결국에는 물질을 다시 벗어나게 된다. 그 산란되는 정도는 대체로 산란 시키는 물질의 원자번호, 물질의 두께, 공기에 의한 흡수율, β입자의 에너지 분포, 방사선원과 물질과의 거리 등에 따라 달라진다.
		그림 2. 제동복사에 의해 에너지를 잃고 광자를 발생함.
		그림 3. 전자를 떼어 내어 원자를 이온화 시키고 산란됨.
	< 후방산란의 원자번호, 두께 의존성 > 본 실험에서는 두께를 일정하게 하고 물질을 바꾸어가며 산란되는 정도를 측정하여 물질의 원자번호-산란율의 관계를 알아본다. 여기서 우선 후방산란율을 다음과 같이 정하자. 방사선원을 그림 4 처럼 놓고 계수량을 측정한 것을 r_o라 하고, 뒤에 물체를 붙여서 후방산란의 효과가 가세된 계수량을 r이라 하자. 그러면 후방산란율(b)는 <식 1> 대체로 후방산란에서 산란 물질의 원자번호가 커지면 산란율이 거의 선형으로 증가하지만 원자번호가 2(He), 10(Ne), 18(Ar), 36(Kr), 54(Xe) 등 불활성 기체로부터는 그 기울기가 줄어들어 원자번호-후방산란율 그래프는 몇 개의 꺾어진 직선으로 되어있다. 본 실험에서는 또 어떤 한 물질에 대해 두께를 달리하여 후방산란율의 두께 의존성을 알아본다. 두께에 의존하는 경향은 다음과 같은 정성적인 고려로서 알 수 있다. 만일에 물질의 두께가 극히 작다면 거의 후방산란을 하지 않을 것이다. 두께가 증가하면 산란율이 점차 증가할 것인데 무한히 두껍다면 거의 100%가 후방산란을 할 것이다. β입자가 침투하는 깊이는 두께(d)에 따라 exp(-d/d_o)형태인 지수함수로 감소할 것이므로, 후방산란율은 <식 2> 형태일 것이다. 보통 방사선의 흡수나 산란의 두께를 정의할 때 '길이'의 두께가 아닌 두께에 밀도를 곱한 양으로 정의한다. 그 이유는 보통 물질의 두께 뿐만 아니라 밀도가 커질수록 흡수나 산란이 같이 증가하기 때문이다. 새로운 두께는 두 물리량을 곱한 mg/cm³ ×cm = mg/cm²의 차원을 갖는다.

실험장치

"방사선 측정"의 실험장치 참조

(1) 가이거 관 : 방사선이 물질에 부딪혀 산란이 되더라도 가이거 관의 창에 대해 일정한 각도 내에 들어오는 방사선만이 계수된다. 창쪽으로 편향되지 않고, 다른 방향으로 산란되는 방사선은 계수되지 않는다.

(2) 계수기(scaler) 및 전원

(3) -선원 : 0.02∼0.1 μCi의 ³²P 또는 ²⁰4Ti 등. 방사선은 방사선원에서 모든 방향으로 방출된다.

(4) 관 고정 장치

(5) 각종 산란 물질 : 유리, 알루미늄, 철, 구리, 은, 납 등. 포화가 일어나지 않을 정도로 얇고 서로 동일한 두께이어야 한다.

(6) 여러 두께의 산란 물질 : 위의 물질들 중 하나로서 서로 다른 두께를 가진 것 약간.

(7) 측면산란을 측정하기 위한 여러 물질의 원기둥 관.

실험방법
	< 물질에 따른 후방산란 측정 > (1) β선원(시료)을 준비한다. (2) 자연방사선을 측정한다. (이때 가이거 관은 다음 (3)∼(6)의 과정에서의 위치와 방향을 그대로 해서 측정하는 것이 좋다) (3) 시료의 계수량을 구한다. (4) 그림 4와 같이 받침판을 시료밑에 단단히 붙인다. (이때 (3)에서의 시료의 상대 위치가 변해서는 안된다.) (5) 계수량을 구한다. (6) 받침판의 물질을 바꿔가며 실험을 반복한다. (7) 자연방사선 계수량을 구한다. (2)의 측정과의 평균값으로서 자연 방사선을 정한다. (8) 모든 계수량 기록에서 자연방사선 계수량을 빼어준 값으로 계수량을 정한다. (9) 각 물질의 후방산란율을 계산하여 원자번호에 대한 그래프로 그려보고 그 경향성을 알아본다.
	그림 4. 후방산란 실험에서 시료 설치 방법.
	< 두께에 따른 후방산란 측정 > (1) β선원(시료)을 준비한다. (2) 자연방사선을 측정한다. (3) 시료의 계수량을 구한다. (4) 그림 4와 같이 받침판을 시료밑에 단단히 붙여서 계수량을 구한다. (5) 받침판의 두께를 바꿔가며 같은 실험을 반복한다. (6) 자연방사선 계수량을 구한다. (2)의 측정과의 평균값으로서 자연 방사선을 정한다. (7) 모든 계수량 기록에서 자연방사선 계수량을 빼어준 값으로 계수량을 정한다. (8) 두께에 대한 후방산란율을 계산하여 그래프로 그려보고 식 (2)의 형태와의 일치여부를 알아본다. (두께는 2장 이론에서 설명한 것처럼 mg/cm²의 차원을 같도록 할 것)

	< 측면산란 측정 > (1) 그림 5처럼 β선원(시료)과 가이거 관을 배치한다. (2) 시료와 가이거 관을 감싸고 있는 원기둥의 관 없이 계수량을 측정한다. (3) 여러 가지 관을 그림 5처럼 삽입한 상태에서 계수량을 측정한다. (관을 설치할 때 기하학적인 배치가 달라지지 않도록 주의하여야 한다) (4) 각 물질에 대한 측면산란율을 표로 작성한다. (이때 자연방사선을 뺀 계수량을 사용하여 후방산란율과 같은 식을 적용하여 계산한다)
		그림 5. 측면산란 측정장치의 구성

방사선의 산란

실험목적

이론

실험장치

실험방법

질문

참고도서

실험목적
	β선을 물질에 조사시켜 그 산란 물질의 원자번호와 두께에 따른 후방산란 및 측면산란의 정도를 측정하여, 방사선과 물질과의 상호작용을 이해한다.

질문
	(1) α선이나 γ선의 경우에 대해 후방산란을 실제 측정해 보고 결과를 -선의 경우와 비교하여 설명하라.