방사선의 성질과 물질투과력

알파입자는 무겁고 (+)2가의 전하를 띠므로 물질내에서 단위거리당 부여하는 에너지(저지능)가 크다. 따라서 종이 또는 인체의 표피를 투과할 수 없다. 알파선원을 취급할 경우 주의해야 할 것은 알파선에 의한 외부피폭보다는 동반되는 감마선에 의한 외부피폭이며 알파선원의 호흡 및 섭취를 통한 내부피폭이다.
베타입자는 알파입자보다 상대적으로 아주 가볍고 (±)1가의 전하를 띠기때문에 물질에서의 에너지손실이 천천히 일어난다. 베타선에 의한 위해는 피부 또는 수정체의 외부피폭과 내부피폭에 의한 것이며 차폐물질로 플라스틱, 유리 또는 원자번호가 낮은 금속을 사용한다.
감마선은 투과력이 강하므로 납과 같은 원자번호가 높은 금속이나 콘크리트를 이용하여 차폐하며 외부피폭에 주의해야 한다.

모든 방사선은 에너지를 지니고 있으며 방사선이 물질을 투과하는 동안 물질의 원자에 에너지를 부여(energy transfer)함으로써 방사선의 에너지는 점차 감쇄된다. 이러한 방사선의 에너지 부여과정은 주로 전리,여기 또는 제동복사에 의해 이루어지며 다음과 같은 이유에서 주요한 관심이 된다.

• 인체조직에서의 에너지 부여는 인체에 유해한 영향을 초래한다.
• 방사선검출기의 검출원리가 된다.
• 에너지 부여정도와 상호작용의 종류는 차폐설계에서 가장 중요한 인자이다.

전자의 여기란 입사방사선이 원자의 궤도전자에 에너지 부여하여 안쪽궤도(전자의 결합에너지가 큰 궤도)에 있던 전자를 바깥쪽궤도(전자의 결합에너지가 작은 궤도)로 이동시키는 과정이며 원자는 여전히 중성인 상태로 남아 있다.

중하전입자는 물질내에서 주로 원자의 전리 및 여기에 의한 충돌과정으로 에너지를 잃고 핵과의 반응으로 잃는 에너지의 양은 무시할 정도로 작다. 중하전입자는 반응대상이 되는 궤도 전자보다 질량이 상당히 무겁기 때문에 단위충돌에서 잃는 에너지는 작으며 물질내에서의 진로는 거의 직선적이다.
이와 같이 물질을 구성하는 원자의 전리 및 여기로 대표되는 중하전입자의 에너지 소모과정은 결국 에너지가 작아져 정지상태에 이르럿을때 주위에 있는 두 개의 전자를 포획함으로써 안정된 헬륨원자로 된다.
중하전입자는 질량이 무겁고 많은 전하(알파입자의 경우 전자보다 약8000배 무겁고 (+)2가의 전하를 띤다)를 띠기 때문에 반응확률이 높으며 단위거리당 생성되는 이온쌍의 수가 많다. 그러므로 이러한 종류의 방사선은 상대적으로 짧은 거리를 이동하는 동안에 대부분의 에너지를 잃어버린다. 다시 말해서 중하전 입자는 이온화밀도가 높은 약투과성 방사선이다.
하전입자가 물질 내에서 단위거리를 이동하면서 소모하는 에너지는 저지능(Stopping power)으로 표현되고 아래식으로 정의된다.
                          
저지능이란 명칭은 에너지를 흡수하는 물질의 입장에서 입사되는 방사선의 에너지를 감쇄시킨다는 의미에서 유래했으며 높은 저지능을 지닌 물질일수록 하전입자의 차폐능은 좋아진다. 또한 하전입자가 물질을 투과할 수 있는 평균거리를 비정(range)라 하며 어떤 물질내에서 "하전입자의 비정이 길다"는 것은 "물질의 저지능이 낮다"는 것과 일치한다.
알파입자의 경우 비정은 대개 아래의 실험식과 같은 공기 중(1atm, 15^ºC)에서의 도달거리(cm)로 표현된다.
                        R=0.56E, E<4MeV
                                     R=1.24E-2.62, 4<E<8MeV

중하전입자와 마찬가지로 베타입자도 원자의 전리 및 여기에 의한 충돌과정으로 에너지를 잃는 반면 궤도전자와 질량이 동일하므로 알파입자보다 단위충돌에서 잃는 에너지의 양이 많고 진로가 크게 변하여 물질 내에서의 진로는 'zigzag'한 거동을 나타낸다.
중하전입자에 비하여 베타입자는 크기가 작고 (-)1가의 전하를 띠므로 물질 내에서 반응확률이 낮다. 따라서 베타입자의 비정은 동일한 에너지를 지닌 알파입자보다 상당히 길다.
이와 함께 베타입자가 물질의 핵주위를 지날 때 강한 정전기적 힘이 작용하여 베타입자는 회절 하면서 에너지를 잃고 제동복사선을 방출하게 된다. 그러므로 베타입자의 저지능은 충돌(collision)에 의한 저지능과 복사(radiation)에 의한 저지능의 합으로 표현된다.
                          
한편, (+)전하를 띤 베타입자의 물질과의 상호작용은 (-)전하를 베타입자와 유사하지만 물질 내에서 에너지를 잃어버리고 거의 정지상태가 되었을 때 주위의 자유전자와 결합하여 각각의 정지질량에 해당하는 0.511MeV의 에너지를 지닌 두 개의 광자를 방출하면서 소멸하게 된다. 이때 방출되는 광자를 "소멸감마선(annihilation gamma-ray)"이라 부른다. 물론, 생성된 소멸감마선은 광자가 에너지를 잃는 과정 즉, 광전효과 및 컴프턴 산란으로 에너지를 잃게 된다.

광자는 전하를 띠지 않기 때문에 물질내에서의 에너지 소모과정은 정전기적인 힘과는 무관하며 원자와 직접적인 물리적 접촉을 통해 에너지를 잃는다. 광자의 크기는 원자의 크기보다 물리적으로 아주 작다. 따라서 전자 또는 핵과 반응하기 전까지 물질을 자유롭게 투과할 수 있으며 물질과 반응한 확률은 매우 낮다.
광자가 물질의 원자 또는 핵과 반응을 하면 2차전리를 일으킬 수 있는 하전입자(전자)를 생성하므로 이런 종류의 방사선을 "간접전리방사선(indirectly ionizing radiation)"이라 부른다.
한편, 감마선과 X-선의 구분은 광자의 발생원이 핵으로부터(감마선)인가 핵의 외부에서 발생(X-선)하는가에 따라 구분하여 칭할 뿐이며 성질 및 물질과의 반응형태는 동일하다.

입사광자가 흡수체 원자의 궤도전자에 모든 에너지를 부여하는 과정으로 대개 전자의 결합에너지보다 큰 에너지가 전달되므로 전자는 궤도로부터 이탈하게 된다. 이 과정에서 이탈된 전자를 광전자(photoelectron)라 부른다. 광전자의 운동에너지는 아래 식과 같다.
        E_e = E_r - E_b
광전효과가 일어날 확률은 광자의 에너지가 전자의 결합에너지에 상응할 때 최대가 되므로 물질의 전자결합에너지만큼 낮은 에너지영역에서 지배적으로 일어나며 물질의 원자번호가 높을수록 증가한다.

입사광자가 원자에서 느슨하게 결합된 전자(최외각전자)에 부분적으로 에너지를 전달하는 과정으로 광자는 더 낮은 에너지로 산란되고 2차전리를 일으킬 수 있는 반도전자 또는 되튐전자(recoil electron)를 생성한다. 컴프턴 산란은 중간에너지 영역의 광자에서 지배적으로 일어난다. 물질의 원자번호가 높은 수록 확률은 증가한다. 산란된 광자의 에너지는
        
이고, 반도전자의 운동에너지는 "E_e = E_r - E_r'"로 주어진다.

입사광자가 강한 전기장을 형성하는 핵 주위에서 소멸되고 음전자와 양전자를 생성하는 과정이다. 물론 이들 전자의 질량은 광자의 에너지로부터 생성(E=mc²)되므로 전자쌍생성은 입사광자의 에너지가 전자쌍의 정지질량에너지인 1.022MeV이상인 경우에만 발생한다.
1.022MeV 이상의 에너지를 지닌 광자가 전자쌍생성을 일으킨다면 여분의 에너지는 음전자와 양전자의 운동에너지로 전환된다.
전자쌍생성이 일어날 확률은 입사광자의 에너지가 클수록 또는 물질의 원자번호가 높을수록 증가한다. 여기서 생성된 음전자와 양전자가 각각 2차전리를 일으키다가 정지하게 되면 양전자는 주위의 음전자와 결합하여 소멸감마선으로 전환된다.