광자/중성자와 물질의 상호작용

광자와 물질의 상호작용

광자인 감마선과 엑스선은 전자와 질량이 없는 에너지를 띤 전자파로써 물질을 직접 이온화시키지는 못하지만 에너지를 물질에 전달하는 과정에서 생성되는 2차 하전입자에 의해 간접적으로 원자를 이온화시킨다. 광자는 전기적으로 중성인 전자파이므로 물질 내에서 모든 에너지를 물질에 부여하기까지 상당한 거리를 투과할 수 있다. 공기 중에서 광자가 투과할 수 있는 거리는 초기 에너지에 따라 수 m에서 수백m에 이른다. 광자는 에너지와 물질의 원자번호에 따라 물질 내에서 광전효과, 컴프턴산란, 전자쌍생성 및 광핵반응에 의해 에너지를 상실하여 소멸하는데, 방사선 측정과 방호에서 중요한 상호작용은 광전효과, 컴프턴 산란, 전자쌍생성이다.

광전효과

광전효과는 물질에 입사한 광자가 원자의 내각전자와 충돌하여 모든 에너지를 전달함으로 궤도전자가 원자 밖으로 튀어나오는 반응이다. 이때 튀어나온 전자를 광전자라고 부른다. 광자에너지가 전자 결합에너지보다 크면 모든 궤도전자에 대해 광전효과가 일어날 수 있다. 궤도전자가 광전자로 방출되면 결과적으로 원자는 들뜨게 되고 궤도전자가 튀어 나간 빈자리는 다른 궤도의 전자로 채워지게 되는데, 이때는 궤도전자 간의 에너지 차에 의해 특성 X선 또는 오제전자가 방출되며, 특성 X선의 에너지가 클 경우에는 제2차 광전효과도 가능해진다. 광전효과는 에너지가 낮은 광자가 높은 원자번호의 물질에 입사하는 경우에 일어나는 지배적인 반응이다.

컴프턴 산란

컴프턴 산란은 입사에너지인 광자가 정지해 있는 자유전자와 탄성충돌을 하여, 그 결과 에너지를 상실한 광자와 에너지를 얻은 전자가 원자 밖으로 산란하는 과정이다. 이렇게 산란하여 원자 밖으로 방출되는 전자를 반도전자 또는 되툄전자라 하며, 되툄전자는 물질 내를 진행하는 동안 베타입자처럼 에너지를 상실하면서 이온화에 의한 2차 전자를 생성한다. 이때 충돌 전후의 광자와 되툄전자의 에너지와 운동량은 보존된다.

전자쌍생성

전자쌍생성은 입자 광자가 물질 내에서 원자핵의 근방을 지날 때 원자핵의 강한 쿨롱력에 의하여 소멸하면서 전자와 양전자 쌍이 생성되는 과정이다. 전하보존법칙에 따라 생성된 두 전자는 질량이 같고 서로 반대의 전하를 갖는다. 전자의 정지질량에너지는 0.511MeV이므로 전자쌍이 생성되기 위해서는 광자의 에너지가 적어도 1.02MeV 이상 되어야 한다. 전자쌍생성에서 생성된 양전자(e+)는 흡수체에서 다른 전자(e-)를 만나면 즉시 소멸하는데, 이때 에너지가 0.511MeV의 감마선 2개가 180도 방향으로 방출된다.

기타 상호작용

아주 높은 에너지의 감마선이 원자핵에 직접 흡수되는 경우에는 양자, 중성자 또는 드물게 알파입자와 같은 하전입자를 방출하기도 하는데, 이를 광핵반응 또는 광 붕괴반응이라고 한다. 광핵반응을 일으키기 위한 광자의 에너지는 핵자 당 결합에너지(보통 6~8MeV)보다 커야 하는데 이는 전가 가속기나 광 가속기에서나 가능한 반응이며, 주로 15~20MeV의 에너지를 갖는 광자에서 잘 일어나는 것으로 알려져 있다.

중성자와 물질의 상호작용

중성자는 전하를 띠지 않아 전기적으로 중성이며 양성자보다 약간 무거운 입자이다. 중성자는 하전입자와는 달리 전자와 상호작용을 거의 하지 않기 때문에 물질 내에서 직접 여기나 이온화를 일으키지 않으나 원자핵과 충돌 시에 탄성산란, 비탄성산란, 중성자 포획 등에 의한 핵반응을 통해 간접적으로 여기나 이온화를 일으킨다. 중성자는 에너지에 따라 다음과 같이 분류된다.

• 냉중성자 10^(-3) eV 이하
• 열중성자 0.025 eV 이하
• 저속중성자 0.1~0.3 eV
• 중속중성자 0.1~10 k eV
• 고속중성자 10 k eV~10MeV
• 고에너지중성자 10MeV 이상

 

탄성충돌 및 산란

높은 에너지의 중성자는 수소나 탄소와 같은 가벼운 원소를 만나면 원자핵과 탄성충돌 및 산란의 과정을 거치면서 에너지를 상실한다. 원자핵과 탄성산란을 일으켜서 중성자 에너지를 감속시키는 물질을 감속재라고 하는데, 물은 훌륭한 중성자 감속재이다. 탄성충돌 및 산란은 중성자가 에너지를 상실하는 주요 반응이며, 탄성충돌 및 산란 시 산란 전후에 에너지와 운동량이 보존된다.

비탄성충돌 및 산란

중성자는 원자핵과 비탄성충돌 및 산란을 하기도 하는데, 이 과정에서 중성자의 에너지를 흡수한 원자핵은 여기상태의 복합핵에 순간적으로 머물다가 감마선 또는 다른 종류의 방사선을 방출하여 안정상태로 복귀한다. 중성자가 원자핵을 여기시킬 만큼 충분한 에너지(> 0.1 MeV)를 가지고 있지 못하면 비탄성산란이 일어나지 않는다.

중성자 포획

탄성 및 비탄성 충돌 시에 중성자 에너지가 충분히 작으면 중성자가 원자핵에 포획될 확률이 높아진다. 중성자가 핵에 포획 또는 흡수되면 핵의 질량수는 1이 증가하면서 불안정한 핵이 되며, 결과적으로 핵반응을 일으켜 알파입자, 양성자, 또는 감마선을 방출함으로 안정상태의 원자핵으로 돌아간다. 중요한 중성자포획반응 중의 하나는 원자로에서 일어나는 방사화 반응으로 안정 시료의 원자핵이 중성자를 포획하여 방사능을 띄게 되는 핵반응으로 많은 방사성동위원소가 이 방법으로 생산된다.