x선의 성질 - 전자기 방사선, 연속 스펙트럼

1) 전자기 방사선

 

오늘날에는 x선은 빛과 성질이 똑같지만, 파장이 매우 짧은 전자기 방사선인 것은 확실하다. x선 영역에서 측정 단위는 옹스트롬이고, 거의 모든 회절에서 사용하는 x선은 0.5-2.5 옹스트롬 범위에 있다. 이와는 달리 가시광선의 파장은 약 6000옹스트롬 정도이다. 그러므로 x선은 전체 전자기 스펙트럼에서 감마선과 적외선 사이 영역에 있다. 때때로 x선을 측정하는 데 쓰이는 다른 단위는 X 단위와 kilo X 단위이다. x 단위는 옹스트롬보다 약간 더 크다. x선 영역의 파장에서 승인받은 SI 단위는 나노미터이다.

 먼저 전자기파의 일부 성질에 대해 짧게 알고 가는 것이 이후 이해를 위해 좋을 것 같다. 만일 단색 파장의 x선이 x 방향으로 움직이고 있다고 가정하자. 이때 x선은 전기장 E가 y 방향에 있고, 자기장 H가 이것과 직각인 방향인 z 방향에 있다. 만일 x선 파가 진행하는 동안 전기장이 XY 평면에만 한정하여 있는 경우, 그 파는 연 편 광이라고 한다. 완전히 무 편광인 파장의 경우 전기장 벡터 E와 자기장 벡터 H는 y 평면의 모든 방향에 있다고 할 수 있다. 고찰하는 면 편광 파에서는 E는 시간에서 일정하지 않고, 공간에서 특별한 점, 예를 들어 x=0, +y 방향의 최댓값에서 0을 지나 -y 방향의 최댓값까지 변하고 되돌아간다. 어떤 순간에, 예를 들어 t=0에서 E는 x축 방향으로 같은 방법으로 변한다. 만일 두 변화는 사인곡선을 그린다고 가정하면 하나의 식으로 나타낼 수 있다.

 

 전기장 E의 변화는 반드시 사인곡선 모양이 아니라도 무방하고 파동의 정확한 모양은 그다지 중요하지 않다. 가장 중요한 것은 주기성이다. 파장과 진동수에는 관계가 성립한다. x선 빔과 같은 전자기 복사선은 에너지를 수반하고, 이 복사선의 진행 방향으로 수직인 단위면은 지나는 빛의 에너지양을 그 빛의 강도라고 한다. 강도의 평균값은 빛의 진폭 제곱에 비례한다. 절대 단위로서 빛의 강도를 측정하지만 이와 같은 측정은 매우 어려워서 거의 할 수가 없다. 대부분 x선 강도의 측정은 일반적으로 검출기에 들어온 광자의 수를 계수하거나 x선 빔에 노출한 감광지의 흑화고를 재서 하게 된다. 

 가속한 전하는 에너지를 방사한다. 가속은 물론 양이거나 음이고, 그 결과 어떤 평균점을 기준으로 하여 연속으로 진동하는 전하는 전자기 복사선의 좋은 발생원으로 작용한다. 예로서, 전자파는 방송 안테나에서 전하가 앞뒤로 진동하기 때문에 생긴다. 또한 가시광선은 빛을 방출하는 물질의 원자에서 전자가 진동하기 때문에 생긴다. 각 예에서 방사선의 진동수는 그것을 방출한 전하의 진동수와 같다. 

 이제까지 고전이론의 관점에서 전자기파를 파동의 움직임으로 설명하였다. 그러나 양자론에 따르면, 전자기파를 양자와 광자라 하는 입자의 흐름으로 정의한다. 모든 광자는 에너지가 h인데, 여기서 h는 plank 상수이다. 앞에서 설명한 두 관점은 광자의 에너지에서 파동의 진동수를 계산하고, 역의 관계도 성립한다는 점에서 서로 관계가 있다. 그 결과 빛은 파동과 입자의 이중성이 있다. 우리는 일반적으로 고전적인 파동론을 적용이 가능할 때마다 많이 쓰겠지만, 여러 현상을 설명하는 데서 때때로 둘 중 하나를 사용할 것이다.

 

2) 연속 스펙트럼

 

 운동에너지가 충분한 전기적으로 하전한 어떤 입자도 급격하게 정지할 때는 x선이 생긴다. 전자가 보통 하전 입자로 쓰이는데, 전자의 발생원과 두 개의 금속 전극을 포함하는 x선 관에서 방사선이 생긴다. 이 전극을 가로질러 걸린 수만 볼트의 높은 전압은 전자를 양극, 즉 target으로 빠르게 끌어당기고, 전자는 거기에 대단히 높은 속도로 충돌한다. x선은 충돌한 지점에서 발생하며 모든 방향으로 방사한다. e를 전자의 전하라 하고, V를 전극 사이의 전압이라 하면, 충돌에서 운동에너지 식으로 표현할 수 있다. x선 관의 전압이 30,000 volt일 때, 전자의 속도는 빛의 속도의 약 1/3이다. Target에 충돌한 전자의 운동에너지는 대부분 열로 전환하는데, 이 중 1% 이하의 에너지가 x선으로 전환된다.

 Target에서 나오는 x선을 분석하면, 그 광선에는 여러 파장의 x선이 혼합하여 있고, 각 파장에 따른 강도의 변화는 x선 관의 전압에 비례한다는 것을 알 수 있다. 단파장 한계란 최고점까지는 강도가 매우 빠르게 상승하고, 어느 순간 이후에 감소한다. 장파장 영역에서는 명확한 끝이 없다. x선 관의 전압을 올릴 때, 모든 파장의 x선 강도는 증가하고 단파장 한계와 최대강도의 위치는 둘 다 단파장 쪽으로 이동한다. Molybdenum target의 예에서, 20kvV 이하의 전압에 대응하는 완만한 곡선을 고찰한다고 가정해보자. 그러한 곡선으로 나타나는 x선은 다색, 연속 혹은 백색 x선이라 하는데, 그 까닭은 백색광과 비슷하게 여러 파장의 x선으로 되어 있기 때문이다. 백색 x선은 braking radiation이라는 뜻의 독일어로, 전자의 감속으로 발생한다는 의미를 담고 있다. 

 앞서 설명한 바와 같이 감속하는 전자는 모두 에너지를 방출하기 때문에, 연속 x선은 target에 충돌하는 전자의 급격한 감속으로 발생한다. 그러나 모든 전자가 같은 방식으로 감속하는 것은 아니다. 어떤 것은 단 한 번의 충돌로 모든 에너지를 방출하고 정지하지만, 이와는 달리 다른 것은 타깃의 원자를 만나서, 이렇게 저렇게 방향을 바꾸며 완전히 소모할 때까지 계속하여 총 운동 에너지를 조금씩 잃는다. 단 한 번의 충돌로 모든 에너지를 잃고 정지하는 전자는 에너지가 최대인 광자를 생성하며, 가장 짧은 파문의 x선을 발생한다. 이러한 전자는 모든 에너지를 광자 에너지로 전환한다.