감마선

감마선은 정확히 경계가 정해져 있지는 않지만 파장이 10^-11 m 정도 이하로 가장 짧은 영역의 전자기파, 혹은 진동수 10¹⁹ Hz 이상의 전자기파이며, 에너지가 10⁵ eV 정도 이상으로 높은 광자이다.

감마선 다음으로 파장이 짧은 전자기파는 엑스선(X-ray)이다. 초기에 알려진 들뜬 원자에서 나오는 전형적인 엑스선은 들뜬 핵에서 나오는 전형적인 감마선과 파장의 영역으로 잘 구분이 되었다. 그렇지만 고속의 전자를 정지시키면서 엑스선을 얻는 인공 엑스선 발생장치에서 나오는 엑스선은 들뜬 핵에서 나오는 전형적인 감마선보다 파장이 짧기 때문에, 지금은 감마선과 엑스선의 파장 영역이 많이 겹친다고 할 수 있다. 따라서 엑스선과 감마선을 파장보다는 그 발생 원인으로 구분하기도 한다. 엑스선은 주로 전자에 의해 발생하는데, 원자 안의 전자가 높은 에너지 상태에 있다가 낮은 에너지 상태로 전이하면서 발생하거나 고속의 전자가 정지하거나 곡선 운동을 할 때 발생한다. 감마선은 핵이나 다른 기본 입자에 의해 발생하는데, 핵이 들뜬상태에서 바닥상태로 전이할 때나 기본 입자가 붕괴하거나 소멸할 때 발생한다.

감마선은 방사성원소로부터 나오는 방사선의 일종이다. 감마선은 라듐의 방사선을 연구하던 프랑스 화학자이자 물리학자인 빌라(P. U. Villard, 1860-1934)에 의해 1900년에 발견되었고, 1903년에 러더퍼드(E. Rutherford, 1871-1937)에 의해 감마선으로 이름이 지어졌다 ¹⁾. 자연 방사선은 세 종류가 있는데, 러더퍼드는 물질을 투과하는 정도가 약한 순서대로 그리스 알파벳을 따라 알파선(α선), 베타선(β선), 감마선(γ선)으로 이름을 붙였다. 알파선은 헬륨의 원자핵으로서 양의 전하를 가졌고, 베타선은 전자로 음의 전하를 가졌으며, 감마선은 전자기파 혹은 광자로 전기적으로 중성이므로 이들 세 방사선은 서로 전혀 다른 실체이다.

감마선은 금속에 쪼여줄 때 금속으로부터 전자가 방출되는 광전 효과, 전자 등의 자유 입자와 충돌하여 에너지를 전달하고 파장이 긴 전자기파로 산란하는 콤프턴 산란, 전자와 양전자를 쌍으로 만드는 쌍생성 등의 반응을 일으킨다. 감마선은 이온화 작용을 통해 세포에 영향을 미쳐서 DNA를 포함한 세포를 변형시키거나 죽이고 암을 일으키거나 생물을 기형으로 만들기도 한다. 따라서 인체는 일정한 세기 이상의 감마선에 노출되지 않도록 하여야 한다.

세포를 죽이는 성질을 이용하여 감마선을 소독이나 식품의 멸균 처리 등에 이용할 수 있다. 또한 감마나이프(gamma knife) 수술에서는 감마선을 종양 부위에 쪼여줄 때 정확하게 초점을 맞추어 종양 세포만을 죽이고 주위의 정상 세포들에게는 영향을 미치지 않게 한다. 양전자 단층 촬영(positron emission tomography, PET)에서는 양전자를 방출하는 의약품을 사용하여 몸 안에서 양전자가 전자와 결합할 때 나오는 감마선을 측정함으로써 의약품의 체내 분포를 파악하는 방식으로 암을 진단한다.

투과력이 강한 전자기파로서 감마선은 물체에 직접 접촉하거나 물체를 파괴하지 않고도 물체 내부의 구조를 파악하는데 사용할 수 있는데, 예를 들어 컨테이너 안에 들어 있는 물건을 알아낼 수 있다. 또한 감마선이 고체 내의 핵에 의해 되튐 없이 공명 흡수되거나 방출되는 뫼스바우어 효과를 이용하여 핵과 그 주변 전자들과의 상호작용을 연구하는데 사용되기도 한다.

1. 감마선,