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방사선과 방사능

원자와 원자핵

방사선과 방사능

원자핵반응

방사선피폭과 방사선량

방사성핵종

방사평형

방사선과 물질과의 상호작용

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4 차시, 방사선

• 방사선: 에너지 흐름의 한 형태

• 종류

입자( 알파입자, 베타입자, 중성자 등)

전자파(X선, 감마선)

• 전리방사선 = 통상 핵 방사선 (다만, X선은 전자의 궤도에서 방출)

• 비전리방사선: 전파, 가시광선, 저주파 ,

마이크로웨이브, 자외선

방사선

방사능

전리방사선(ICRU 1971)

- 직접전리방사선 : 하전입자 (charged particle), 중하전입자 (알파, 양성자, 핵분열생성물)

- 간접전리방사선 : 비하전입자(non charged particle) ⇒ 광자(X-선, 감마선), 중성자

비방사능

방사선 방호의 양과 단위

방사선 생성

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방사선의 분류

1. 방사선의 존재형태에 따른 분류 : 자연 방사선, 인공방사선

2. 방사선의 전리능력에 따른 분류 - 직접전리방사선과 간접전리방사선 3. 방사선의 물리적성질에 따른 분류 - 입자 방사선과 전자기파 4. 방사선의 에너지 스펙트럼 현상에 따른 분류 - 선스펙트럼과 연속스펙트럼

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입자방사선 : 하전입자[베타입자. 양성자선, 파이중간자(𝜋 −𝑚𝑒𝑎𝑠𝑜𝑛𝑠),

델타선, 중이온 입자]와 비하전 입자(중성자, 중성미자) 전자기파 : X선, 감마선 특성 : 질량도 없고, 전하도 없다. 진공속에서 속도는 광속과 같다. 파장범위가 매우 넓다(103~10−12𝑚).

물리적 성질에 따른 분류

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선 스펙트럼 : 알파, 감마, 고유 엑스선(특성 x선)

연속 스펙트럼 : 베타선, 중성자선, 중성미자, 제동방사선

방사선의 에너지 스펙트럼에 따른 분류

방사선의 에너지 (방사선의 에너지는 전자파와 입자방사선의 정의가 다름)

1. 원자 에너지

상대성원리 : 질량과 에너지 등가(질량이 에너지로 변환)

𝐸 = 𝑚𝑐2 𝐽 , 𝑐 광속 = 2.997 × 10−8𝑚/𝑠

2. 전자파에너지(질량이 없으므로)

𝐸 = ℎʋ 𝐽 , ℎ:플랑크 상수 = 6.62 × 10−34 𝐽 ∙ 𝑠 , ʋ : 진동수

3. 입자선의 운동에너지

𝐸 =1

2𝑚𝑣2

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방사선 분류 요약

비전리방사선 자외선, 가시광선, 적외선, 초단파, 단파, 중파, 저주파

전리방사선

입 자 중하전입자(알파, 양성자, 핵분열생성물),

베타, 중성자

전자파 엑스선, 감마선

방사선 형태 질량(AMU) 전하

알파 입자 4 +2

베타 입자 1/1836 1

광자 전자파 0 0

방사선의 이중성(wave-particle duality)

• 전자기파 : 파동으로 간주하지만, 질량이 없는 입자들의 연속적인 흐름으로 설명 - 파장인 긴 라디오파는 파동으로 간주 - 입자와 파동으로 간주 : 가시광선 - 파동이 짧은 엑스선, 감마선은 입자로 간주 • 입자도 파동을 가지고 있다고 설명 - 물질파(material wave), 드브로이파(de Broglie wave)

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전자기파의 입자성 (Particle properties of electromagnetic wave)

• 전자기파를 금속표면에 쪼이면 전자가 튀어나옴 : 광전자(photoelectron) ← 광전효과

• 아인쉬타인은 광전효과를 설명하기 위해

플랑크 양자론 도입 :

𝑬 = 𝒉𝝂 [𝐡: 𝟔. 𝟔𝟑 × 𝟏𝟎−𝟑𝟒 𝑱 ∙ 𝒔 ]

• 광양자 : 에너지를 갖고있는 입자(광자)

- 운동량 𝑷 =𝑬

𝒄=

𝒉𝝂

𝒄=

𝒉

𝝀 (∵ 𝑣 =

𝑐

λ)

• 광자의 에너지를 전자볼트(eV)로 전환하면:

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𝑬 = 𝒉𝒗 = 𝒉𝒄

𝝀= 𝟔. 𝟔𝟑 × 𝟏𝟎−𝟑𝟒 𝑱. 𝒔 ×

𝟏𝒆𝑽

𝟏.𝟔×𝟏𝟎−𝟏𝟗𝑱 ×

𝟑×𝟏𝟎𝟖(𝒎

𝒔)

𝝀=𝟏𝟐.𝟒×𝟏𝟎−𝟏𝟎 𝒎

𝝀(𝒌𝒆𝑽)

입자의 파동성 (Wave properties of particle rays)

• 입자의 파동성을 설명하기 위해 드브로이(De Broglie) 파장으로 입증𝑬 = 𝒉𝒗 = 𝒉

𝒄

𝝀

• 운동량 𝑷 =𝑬

𝒄=

𝒉𝝂

𝒄=

𝒉

𝝀 (∵ 𝑣 =

𝑐

λ)

• 드브로이 파장(물질의 파장) :

질량이 있는 물체도 파장을 갖고 이동

- 𝝀 =𝒉

𝑷=

𝒉

𝒎v=

𝒉

𝟐𝑬𝑲𝒎

(𝐸𝐾:입자의 운동에너지) 10

• 질량이 있는 물질(입자)의 물리량

- 운동 에너지 𝑲.𝑬 = 𝟏

𝟐𝒎𝒗𝟐

- 운동량 𝑷 = 𝒎𝒗

• 질량이 없는 전자파의 물리량

- 에너지 𝑬 = 𝒉𝝂

- 운동량 𝑷 =𝑬

𝒄=

𝒉𝝂

𝑪=

𝒉

𝝀

• 드브로이 파장(물질의 파장) :

질량이 있는 물체도 파장을 갖고 이동

- 𝝀 =𝒉

𝑷=

𝒉

𝒎𝒗=

𝒉

𝟐𝑬𝑲𝒎

- 𝒎 =𝒎𝟎

𝟏− 𝒗𝟐

𝒄𝟐

• 질량-에너지 등가 원리

- 정지 질량 에너지 𝑬𝟎 = 𝒎𝟎𝒄𝟐

- 질량결손에 따른 에너지로 변환, 반응전후 질량과 운동에너 합 보존

𝑬 = 𝜟𝒎𝒄𝟐

• 상대론적 질량

- 𝒎 =𝒎𝟎

𝟏− 𝒗𝟐

𝒄𝟐

( m : v의 속도로 운동하고 있는 질량, 𝒎𝟎 : 정지하고 있는 입자 질량)

• 상대론적 운동량

- 𝑷 = 𝒎𝒗 = 𝒎𝟎

𝟏− 𝒗𝟐

𝒄𝟐

𝒗

• 상대론적 운동에너지

- 총 에너지 𝑬 = 𝒎𝒄𝟐 = 𝒎𝟎𝒄

𝟐

𝟏− 𝒗𝟐

𝒄𝟐

- 𝑬 = 총에너지 −정지질량에너지 = 𝒎𝒄𝟐 −𝒎𝟎𝒄𝟐 = 𝒎𝟎𝒄

𝟐(𝟏

𝟏− 𝒗𝟐

𝒄𝟐

− 𝟏)

방사선의 작용

• 형광작용(photoluminance)

• 사진(감광) 작용(photographic effect)

• 전리(이온화) 작용(ionization effect)

• 투과작용

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구 분 Z N A 예

동위체(isotope) = ≠ ≠ 11H, 21H

동중체(isobar) ≠ ≠ = 9038Sr, 90

39Y

동중성자체(isotone) ≠ = ≠ 5927Co, 60

28Ni

핵이성체(isomer) = = = 137m56Ba, 137

56Ba

핵종의 종류

핵종, 방사성핵종, 동위원소

1H 2H 3H 전자

양성자

중성자

수소 (hydrogen)

중수소(deuterium)

삼중수소(tritium)