x선의 성질 - 특성 스펙트럼, 흡수

1) 특성 스펙트럼

 

 x선 관의 전압을 특정 임계치보다 높이면 연속 스펙트럼에 겹쳐서, target 물질에 특유하고 매우 뚜렷한 강도의 극대가 나타난다. 이 극대는 폭이 매우 좁기 때문에, 파장이 사용한 target 금속에 고유하기 때문에 특성 선이라고 한다. 이 선은 여러 조로 나뉘는데, 파장이 짧은 쪽에서 긴 쪽으로 순서대로 K, L, M들로 하고, 이 선 모두 함께 target으로 사용한 금속의 특성 스펙트럼을 형성한다. Molybdenum target에서 K 선은 파장이 0.7 옹스트롬, L 선은 약 0.5 옹스트롬, M 선은 더욱더 길다. 대개 K 선만 x선 회절에서 유용한데, 그 까닭은 더 긴 파장의 선은 심하게 흡수하기 때문이다.

 임계 K 여기전압, 즉 K 특성 방사선을 여기 하는 데 필요한 전압은 몰리브덴에서 20.01kV이다. 전압을 임계 전압기보다 높이면 특성 스펙트럼의 강도는 연속 스펙트럼에 비하여 증가하지만 다르지 않다. 전압을 높이면 연속 스펙트럼은 한층 더 짧은 파장으로 이동하고 K 선의 강도는 연속 스펙트럼에 비하여 증가하나 파장의 변화는 없다. 연속선 위에서 측정한, 어떤 특성 선의 강도도 x선 관의 전류 i와 그 선의 임계 여기전압을 초과하는 인가전압 V의 양에 모두 의존한다. 특성 선의 강도는 대단히 크다. 특성 선은 폭이 좁으며, 거의 모든 이 선은 최대강도의 반에서 측정하여 그 폭이 0.0001옹스트롬보다 작다. 이렇게 강하고 예리한 특성 선에 대해서 대단히 강한 x선 회절이 가능한데, 왜냐하면 많은 회절 실험에서는 단색이거나 거의 단색인 방사선의 사용이 필요하기 때문이다.

 

 연속 스펙트럼은 전자가 target에 충돌하여 급격히 감속하면서 발생하지만, 특성 스펙트럼의 원인은 target 물질 자체의 원자에 있다. 이 현상을 이해하기 위해서는 전자로 둘러싸인 중심 원자핵으로 되어 있는 한 원자를 고찰해보자. 만일 target에 충돌하는 전자들 가운데 하나가 에너지가 충분하다면, 그 전자는 K 각에서 전자를 때려낼 수 있고, 그 원자는 들뜬 높은 에너지 상태로 남길 것이다. 외각의 전자들의 하나는 바로 K 각의 빈자리로 떨어지며, 그 과정에서 에너지를 방출하며, 원자는 다시 한번 정상적인 에너지 상태가 된다. 이때 방출한 에너지는 일정한 파장의 방사선 형태로 있고, 이것이 특성 K 방사선이다. K 각의 빈자리를 외각들의 어느 하나에서 온 한 개의 전자가 채울 수 있고, 따라서 한 계열의 K 선이 발생한다. 특성 방사선의 특정 임계 전압이 존재하는 것은 충돌을 당하는 원자의, 뚜렷하게 경계가 난 전자각과 관계가 있다. 예로서 x선 관의 전압이 충돌하는 전자에 충돌하는 전자에 충분한 에너지를 주어 target 원자의 K 각에서 한 개의 전자를 쫓아내지 못하는 한, K 방사선은 여기 할 수 없다. L 전자는 K 전자보다 원자핵의 바깥쪽에 있기 때문에 L 전자를 떼어내는 데에서 K 전자보다 더 작은 에너지가 필요하다. 따라서 당연히 L 선의 여기전압은 K 선의 여기전압보다 작고 K 특성 방사선은 반드시 L, M 특성 방사선을 수반한다.

 

2) 흡수

 

 원자 안에서 일어나는 전자 전이를 더 잘 이해하려면 원자와 전자의 상호작용뿐만 아니라 x선과 원자의 상호작용도 고찰해야 한다. x선이 어떤 형태의 물질과 만나면 일부는 투과하고 일부는 흡수한다. 강도 I인 x선이 균일한 물질을 통과할 때 강도의 감소 부분은 물질을 가로지른 거리 x에 비례한다는 것을 확립하였다. 비례상수는 선형흡수계수라고도 하며, 이 상수는 고찰하는 물질의 종류, 밀도, x선의 파장 등에 의존한다. 때때로 두 종류 이상의 원소를 함유한 물질의 질량흡수계수를 알아야 할 필요가 있다. 그 물질이 기계적 혼합물, 용액이나 화합물이든지 간에, 그리고 그것이 고체, 액체나 기체의 상태에 있든지 간에, 이것의 질량흡수계수는 간단히 구성 원소의 질량흡수계수를 가중 평균한 값이다. 흡수계수가 파장에 따라 변하는 방식은 x선과 원자 사이의 상호작용에 관한 실마리를 준다. 이 변화는 모든 물질을 대표하며 곡선은 합수단이라 하는 매우 예리한 불연속선이 나눈 두 개의 비슷한 가지로 되어 있다. 이 두 가지는 대략 파장에 따라 흡수계수가 변한다. 파장이 짧은 x선은 물질을 잘 투과하며 경질이라 하지만, 파장이 긴 x선은 물질에 쉽게 흡수를 일으키며 연질이라 한다. 물질은 x선을 두 개의 독특한 방식, 즉 산란과 진 흡수로 흡수하고 이 두 과정은 함께 총흡수를 구성한다. 원자에서 x선의 산란은 공기 중의 먼지에서 빛의 산란과 비슷하다. x선 산란은 모든 방향으로 일어나고, 산란 빔에서 에너지는 투과 빔에서 나타나지 않기 때문에, 투과 빔에 관한 한 흡수한다고 할 수 있다. 아주 가벼운 원소를 제외하고 x선 회절에서 사용하는 파장의 범위에서 산란은 x선의 총흡수에서 일부만 차지한다는 것을 아는 것만으로 충분하다. 진 흡수는 원자 안에서 전자의 전이로 발생하는데, 이 흡수는 양자론으로 가장 잘 설명할 수 있다. 에너지가 충분한 전자가 원자에서 K 전자를 내쫓고, K 특성 x선을 방출하는 것과 같이 입사 x선의 양자도 에너지가 같은 최소량이면 그렇게 할 수 있다. 후자에서 방출전자를 광전자라고 부르고 이때 방출 특성 방사선을 형광 방사선이라 부른다. 이 x선은 모든 방향으로 방사하며, 전자가 금속 target에 출동할 때 나오는 특성 방사선과 파장이 같다. 이 현상은 스펙트럼의 자외선 영역에서 일어나는 광전효과에 대응하는 짝이다. 광전자는 금속 원자의 외곽에서 방출하는데, 일정한 값보다 파장이 작은 자외선의 충돌로 튀어 나간다.