감마선

감마선

[ γ ray ]

전자기파의 일종으로써 침투성을 갖는 감마선(gamma ray)은 원자핵의 방사성 붕괴에 의해 생성되는데 짧은 파장을 갖기 때문에 큰 광자 에너지를 갖게 된다. 감마선은 프랑스의 화학자이자 물리학자였던 빌라드(P. Villard)가에 의해 1900년도에 최초로 발견되었지만, 감마선이라는 이름은 1903년 러더포드(E. Rutherford)에 의해 붙여졌다. 그는 이미 발견한 두 개의 방사성 물질인 알파선(alpha ray)와 베타선(beta ray)보다 더 강한 침투성을 갖는 이 전자기파의 특성에 이어 감마선이라 명명하였다.

감마선 방출 ()

방사성 붕괴에 의해 발생되는 감마선의 에너지는 대략 수keV~8MeV의 범위를 갖는데, 이는 상대적으로 긴 수명을 갖는 일반적으로 원자핵의 에너지 준위와 일치한다. 감마선 에너지 스펙트럼은, 붕괴되는 방사성 핵종(radionuclides)의 종류를 식별하기 위해 사용되는 감마선 분광법(gamma spectroscopy)에 활용되며, 백조자리(Cygnus)의 X-3 퀘이사(microquasar)에서는 100~1000Tev(teraelectronvolt)의 매우 높은 감마선 에너지가 관찰되기도 하였다.

지구에서 자연적으로 발생하는 대부분의 감마선은 방사성 붕괴나 우주선(cosmic ray) 입자가 대기와 상호작용으로 발생하는 2차 방사선이다. 그러나, 가끔 지구 감마선 폭발(terrestrial gamma-ray flashes)과 같이, 핵과 전자의 상호작용에 의한 감마선이 발생되기도 한다. 특별한 감마선 발생 원인으로는 핵반응로에서 발생하는 핵분열이나 고에너지 물리학 실험에 이용되는 중성파 이온 붕괴, 핵융합 등이 있다.

감마선과 X-선은 모두 전자기파이며 스펙트럼 영역이 겹치지만, 학문 분야에 따라 부르는 명칭이 다르다. 특정 물리학 분야에서는 이 둘을 발생원에 따라 구별하고 있는데 감마선은 핵의 붕괴에 의해 생성되고, X-선은 핵의 밖에서 생성되는 특징이 있다. 또한 천문 우주학에서는 광자 에너지가 100KeV 이상이면 감마선, 100KeV 이하이면 X-선으로 각각 구분하고 있다. 이러한 관례는 초기에 생성된 인공 X-선이 100KeV 정도였고, 많은 감마선이 더 높은 에너지를 가졌기 때문이다.

감마선은 전이 방사선으로써 생물학적으로 위험하다. 알파선이나 베타선과는 다르게 감마선은 쉽게 몸을 관통할 수 있다. 또한 감마선은 투과 세기가 강력하기 때문에, 골수와 힘줄에 피해를 줄 수 있다. 따라서 감마선으로부터 보호받기 위해서, 납 또는 콘크리트와 같은 고밀도 재료로 만든 차폐물이 필요하다.

목차

감마선의 특성

물체 투과성

알파 입자는 종이나 피부를 투과할 수 없고 베타 입자은 알루미늄판으로 차단이 가능하다. 하지만 감마선은 투과성이 뛰어나기 때문에 몸에 해롭지 않은 수준까지 차단하려면 많은 양의 차단 물질을 사용해야 한다. 감마선을 잘 흡수하는 물질은 대부분 원자 번호가 크고 밀도가 높다. 특히, 납의 경우 원자 번호가 낮은 물질과 비교하면 같은 질량 대비 20~30% 차단률이 높다. 또한 알루미늄, 콘크리트, 물, 토양들과 비교할 경우, 납은 높은 밀도를 갖기 때문에 차폐물을 소형화하는 것이 가능하다. 일반적으로 감마선의 에너지가 클수록 더 두꺼운 차폐물(shielding materials)을 사용하여야 한다. 또한 차폐물의 성능은 감마선의 세기를 반으로 줄이기 위해 필요한 해당 물질의 두께(half value layer, HVL)로 측정된다. 예를 들어, 차폐 두께로 각각 납은 1cm, 콘크리트 6cm, 토양 9cm의 HVL을 갖는다.

감마선의 투과성을 알파선, 베타선의 투과성과 비교()

물질과의 작용

감마선이 물체를 통과할 때 흡수되는 비율은 물체의 두께나 밀도에 비례하는데 전체 흡수량은 입사면으로부터의 거리가 멀어질수록 급격히 감소한다. 이러한 감마선은 물질을 통과할 때 광전 효과(photoelectric effect), 컴프턴 산란(Compton scattering), 쌍 생성(pair production)의 3가지 과정을 통해 이온화된다.

광전 효과

감마선의 광자는 원자의 전자와 상호작용을 통해 에너지를 전달하게 된다. 이로 인해 원자로부터 해당 전자가 방출된다. 이렇게 생성된 광전자의 운동에너지는 입사한 감마선의 에너지에서 전자의 결합에너지를 뺀 것과 동일하다. 50keV 이하의 에너지를 갖는 X-선과 감마선에서는 광전 효과가 주된 에너지 전이 방법이지만, 그 보다 높은 에너지를 영역에서는 광전 효과의 중요성이 상대적으로 적다.

컴프턴 산란

입사된 감마선의 광자가 원자의 전자를 방출시키고 일정한 에너지를 잃은 후, 광자에 남아있는 에너지가 낮은 에너지를 갖는 새로운 감마선의 광자로써 방출되는 현상이다. 이와 같은 새로운 감마선의 방출 방향은 입사 방향과는 다르게 된다. 컴프턴 산란이 발생할 확률은 감마선의 에너지가 증가할수록 감소한다. 컴프턴 산란은 100keV~10MeV 사이의 중간 정도 에너지 영역을 갖는 감마선의 주된 흡수 메커니즘으로 생각되고 있다. 또한 컴프턴 산란은 원자 번호에 의한 영향이 상대적으로 적기 때문에 차폐물을 구성하는 물질의 밀도의 중요도가 상대적으로 작은 것이 사실이다.

쌍 생성

쌍 생성은 1.02MeV 이상의 높은 에너지를 갖는 감마선에서 발생되며 5MeV 이상의 에너지를 갖는 감마선의 주된 흡수 메커니즘이다. 핵의 전기장과의 상호작용에 의해, 입사된 광자의 에너지는 전자-양전자 쌍(electron-positron pair)의 질량으로 전환된다. 이러한 두 입자의 질량을 초과하는 감마선 에너지는 전자-양전자 쌍의 운동 에너지(kinetic energy)나 방출되는 핵의 반동(recoil of the emitting nucleus) 형태로 나타나며, 이러한 양전자는 결국 자유 전자와 결합하여 사라지게 된다. 이때 사라지는 양전자와 자유 전자의 전체 질량은 각각 최소 0.51MeV 에너지를 갖는 감마선 광자로 변환하게 된다.

빛과의 작용

먼 우주의 퀘이사(quasar)로부터 발생된 고에너지(high-energy) 감마선(80GeV~ 10TeV)은 우주의 은하계 밖 배경 빛(extragalactic background light)을 추정하는데 사용된다. 높은 에너지를 갖는 광선은 배경 빛의 광자와 쉽게 상호작용하기 때문에. 배경 빛의 밀도는 우주로부터 오는 감마선의 스펙트럼을 분석하여 추정할 수 있게 된다.

활용

감마선은 우주에서 발생하는 다양한 현상에 대한 정보를 제공할 수 있지만 이러한 감마선은 지구 대기에 의해 대부분 흡수된다. 따라서 페르미 감마선 망원경(Fermi Gamma-ray Telescope)과 같은 장비들을 높은 고도 열기구(high-altitude balloons)나 인공위성 등에 탑재하여 우주로부터 오는 감마선의 정보를 얻게 된다.

또한 감마선에 의해 발생되는 분자 변화를 이용하여 준-보석(semi-precious stones)의 성질을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 백색 토파즈(white topaz)를 블루 토파즈로 변화시키는데 감마선이 이용되기도 한다.

감마선 광원(sources of gamma radiation)을 이용하는 비접촉식 센서는 정제, 채광, 화학, 식품, 비누, 세정제, 펄프 및 종이 제조업 등의 분야에서 양, 밀도, 두께 등을 측정하는데 사용된다. 일반적으로 Co-60이나 Cs-137 동소체 등이 이러한 감마선 광원으로 사용된다.

또한 미국에서는 컨테이너 안정 협정(container security initiative, CSI)의 일부분으로 감마선 검출기를 사용하기 시작했다. 감마선 검출기를 이용하면 시간당 30개의 컨테이너를 정밀 검사할 수 있다. 종종 살아 있는 유기체를 죽이기 위해 감마선을 사용한다. 고압 증기 멸균이나 화학적 방법을 사용하는 대신에 의료 장비를 살균할 때, 식품을 부식시키는 박테리아를 제거하고 신선도와 향을 유지하고자 할 때, 그리고 채소나 과일의 싹이 트는 것을 방지하고자 할 때 사용된다.

감마선은 암을 유발시킬 수도 있지만, 동시에 감마선은 암세포를 죽일 수도 있기 때문에 일부 암을 치료하는데 사용되기도 한다. 감마선은 핵의학의 이미징(imaging) 기법으로 활용되어 진단 목적으로 사용되기도 한다. 이 때 여러 가지 방사선 동위원소가 사용된다. 예를 들면, PET 정밀 검사에서는 플루도옥시글루코스(fludoxyglucose)라는 방사성 동위원소가 부착된 설탕을 이용하는데 이러한 특정 글루코스(glucose)는 암 조직을 주변 일반 세포조직보다 더 부각시켜 쉽게 이미지화할 수 있도록 도와준다.

몸에 미치는 영향

감마선은 세포에 손상을 일으키고 몸을 투과할 정도의 에너지를 갖기 때문에 몸 전체에 피해를 줄 수 있다. 하지만 감마선은 투과력이 상대적으로 작은 알파선이나 베타선에 비하여 이온화 정도가 작다. 적은 양의 감마선이라도 암이나 유전자 손상을 일으킬 수 있으며, 많은 양의 감마선은 급성 조직 손상과 같이 신체에 심각한 영향을 끼칠 수 있다. 이와 같이 인체에 미치는 영향은 인체에 흡수된 양을 Gray 단위(Gy)로 측정하여 비교 평가할 수 있다.

인체와의 반응

감마선이 DNA 분자를 파괴하게 되면 우리 체내의 세포는 완벽하게는 아니지만 어느 정도 손상된 유전자 물질을 복구할 수 있다. 특정 연구에 따르면 이러한 유전자 물질 복구 과정은 높은 수위의 감마선에 노출된 경우에는 잘 작동하지만 낮은 레벨의 감마선에 노출된 경우에는 훨씬 느리게 복구된다는 것이 밝혀졌다.

위험 평가

인체가 자연계의 감마선에 노출되는 양은 영국의 경우 연간 1~2mSv이고 미국의 경우 3.6mSv정도이다. 광전 효과로 인해 인체에 존재하는 높은 원자 번호의 물질이 감마선을 방출해 감마선 피폭량이 약간 증가 할 수도 있다.

이에 비해 인공적인 피폭량을 알아보면, 흉부 방사선 촬영에 의한 피폭량은 0.06mSv이며 이는 자연계로부터 오는 피폭량에 비해 매우 작다. 또한 흉부 CT 촬영을 하게 되면 5~8mSv의 방사선에 노출되며, 전신 PET/CT 촬영의 경우 일반적으로 14~32mSv 정도의 방사선에 노출된다. 형광 투시를 사용하여 위를 촬영하는 경우는 피폭량이 50mSv에 까지 이른다.

전신이 1Sv(1000mSv)의 선량에 노출되면 혈액에 약간의 변화를 일으킬 수 있다. 하지만 2~3.5Sv 선량에 노출되면 탈모나 출혈 등 심각한 문제를 일으킬 수 있고 치료하지 않을 경우 사망 확률이 10~35%에 이른다. 만약 5Sv 이상의 방사선에 노출되면 사망 확률이 50% 이상으로 늘어나게 되고, 7.5~10Sv 이상의 방사선이 전신에 노출되면 골수 이식 등과 같이 특별한 치료를 하여도 사망을 막을 수 없게 된다.

원자력 관련직 종사자들과 같이 연간 19mSv 정도의 낮은 수준의 방사선에 노출되는 경우 백혈병으로 사망할 위험이 2% 증가하고, 10 mSv의 선량이 노출될 경우 사망 위험이 10% 증가한다.

참고 문헌

1. Retrieved on 2019-7-29.

동의어

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