과학과 공학사이에서

X선을 이용한 응용기술들이 다방면에 쓰이고 있습니다. 그 중에 이번에 알아 볼 것은 형광 X선 ( X-ray Fluorescence)과 오제이전자(Auger Electron)입니다. 먼저 X선의 특징에 대해 알아보죠.

X선은 투과율이 좋습니다. 이 특징을 응용한 사례가 바로 병원에서의 엑스레이 촬영이죠.

엑스레이 사진에서 보듯 X선은 우리 몸속의 조직을 통과합니다. X선이 물질을 통과할때 X선의 강도는 감소합니다. 뼈과 같은 밀도가 높은 물질의 경우 통과하지 못해서 못합니다. 만약 뼈가 부러졌을경우 그 틈으로 X선이 통과하게 되고 그로 인해 엑스레이 필름에 나타나게 되죠.

위의 사진은 X선을 처음 발견한 빌헬름 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen)이 자기 아내의 손을 X선으로 찍은겁니다. 이것이 바로 인류 최초의 의학적인 X선응용입니다. ( Hand with ring; the first medical x-ray taken on 22 December 1895) 

X선은 비교적 높은 에너지를 가지고 있습니다. X선은 Hard X-rays 과 Soft X-rays 로 나눠어지는데 보통 10,000 일렉트론 볼트(10keV) 이상의 에너지를 가지면 Hard라 칭합니다. 에너지의 크기는 파장에 반비례합니다. 그림에서 보시다시피 X선의 파장이 짧은 편에 속한다는 것을 알수 있죠.

이제 본격적으로 형광X선에 대해알아보죠.

X선을 임의의 물체에 쏘게 되면은 3가지의 다른 현상을 관찰할 수 있습니다. 물체를 통과하거나(transmitted) 튕겨나오는 (scattered) 것은 쉽게 추측가능하죠. 그런데 의외로 형광빛의 방출또한 관찰됩니다.

이 형광빛은 어디에서 온 걸까요? 이것을 이해하기 위해선 먼저 원자의 구조에 대해 알아야 합니다. 원자핵(양성자&중성자)는 중간에 자리잡고 있고 상대적으로 매우 가벼운 전자는 이 무거운 입자들를 중심으로 인공위성이 지구를 돌듯 돌고 있습니다.

XRF의 원리

X-선의 입자가 원자핵이나 전자와 충돌할때 산란(scattering)이 일어납니다. 보통 원자핵과의 충돌은 산란이 일어납니다; 원자핵이 무겁기 때문이죠. 그러면 가벼운 전자와 충돌하면 어떻게 될까요? 사실 전자는 양성자사이의 전기적힘에 의해 묶여있었는데 외부의 힘, X선과의 충돌 에너지가 더 클 경우, 전자는 원자에서 떨어져 나가게 됩니다. 이 현상을 광전효과 (Photoelectric effect) 라 합니다. 전자가 떨어져 나가면은 빈공간이 남게 되는데 이것을 Vacancy 라고 합니다. 이 vacancy는 또 다른 외곽에 머물던 전자가 이동을 하며 채우게 됩니다. 이 때 에너지 차이로 발생하는데 잉여에너지가 빛의 형태로 방출됩니다.

좀 더 말하자면, 외곽의 전자가 vacancy를 채울때 발생되는 에너지 차이는 빛의 형태로 방출되는 경우도 있고 또 다른 전자가 원자로 부터 방출되는 경우도 있습니다. 전자(former)의 경우가 바로 형광 X선( Fluorescent radiation or secondary x-ray also known as characteristic radiation)이 방출되는 현상입니다. 후자의 경우 튀어나오는 전자( secondary electron)를 오제이전자( Auger electron) 라고 합고 이런 현상을 Auger emission process라 합니다. (처음에 튀어나온 것 이후에 또 다른 전자가 튀어 나왔기에 secondary라 한겁니다.)

Auger Effect

이 정도만 알고 다음장 (X선 발생방법)으로 넘어갑시다.