뢴트겐 X-ray 발견 (3) "유용성 과 유해성, 그리고 현대 응용범위"
- Business News / 문광주 기자 / 2020-03-30 12:08:15
(읽기 5분)
감마선과 달리 X-선은 원자핵을 통과하지 못하고 원자 껍질을 지나간다.
X선 발견 후 20년이 지나서 엑스레이 방사선을 방호 지침이 만들어졋다.
의학의 CT, 3차원 분석, 예술품 진위분석 및 우주연구분야까지 매우 다양.
가속된 전자
뢴트겐이 발견한 방사선은 소위 X-선 튜브에서 인공적으로 만들 수 있다.
이 진공 유리 튜브에서, 두 개의 전극 사이에 고전압이 인가되고 음극인 캐소드가 강하게 가열되면 이를 통해 전자가 방출하고 반대편 양극으로 가속된다. 애노드 물질에서는 그곳의 입자 일부 입자가 양으로 하전된 원자핵에 의해 끌리면서 갑자기 속도를 줄인다. 여기에서 에너지는 열과 *제동복사로 뢴트겐선의 한 형태인 연속 스펙트럼을 방출한다.
*제동 복사 [Bremsstrahlung, 制動輻射]
하전입자(주로 고속전자)와 물질의 원자핵과의 작용으로 하전입자가 감속하면서 발생하는 전자파.
동시에, 소위 불연속 또는 특성 X선이 생성된다.
튜브에서 가속된 전자는 양극 물질 원자의 내부 껍질에서 전자를 두드린다.
외피로부터 전자에 의해 폐쇄되는 갭이 생성된다. 이 전자 전이 동안 방출된 에너지는 일반적으로 X-선 범위에 있다. 자연에서, 예를 들어 뇌우 또는 지구와 멀리 떨어진 우주에서 고에너지 방사선이 발생한다.
밀도가 중요하다.
엑스레이는 사람의 눈에는 보이지 않지만 특정 물질을 자극하여 발생 할 수 있다.
X선은 때때로 가시광선 파장범위에서도 발생한다. 이것이 왜 뢴트겐이 조명 효과로 광선을 추적할 수 있었는지 설명해준다.
X-선은 흡수되거나 편향되지 않고 많은(투명하지 않은) 재료를 관통한다.
그러나 매우 조밀한 물질은 일부 방사선을 통과시키지 못한다. 인간 조직이 흰색에서 검은색으로 X-레이 이미지에 나타나는 이유이기도 하다.
예를 들어 뼈는 근육보다 밀도가 높아 방사선의 대부분을 흡수한다.
결과적으로, 감광판에 적은 양이 도달해 이를 검게 할 수 있으며, 해당 영역이 더 밝게 유지된다. 대조적으로, 구멍 및 물이 풍부한 조직 부분은 많은 X-선이 통과할 수 있다.
방사선이 사진을 어둡게 한다.
유해한 부담
그러나 X- 레이가 인체와 같은 물질을 통해 항상 좋은 결과만을 주는 것은 아니다.
무엇보다도 세포를 손상 시킬 수 있다. Röntgen 당시에는 투과 방사선의 잠재적 부작용은 아직 알려지지 않았다. 그 당시 신발 가게에서는 생각없이 어린이 발을 엑스레이로 검사해서 신발이 발에 잘 맞는지 확인했다. 박람회에서도 엑스레이는 사람들을 즐겁게 하는 인기 있는 명소였다.
사실, 최초의 방사선 방호 지침은 X-선 발견 후 20년이 지나 발간됐다.
가능한 위험에 대한 발견들이 쌓여갔다. 과학자들은 특히 피부 화상, 탈모 또는 눈 문제를 겪었다. "사람들은 X-선 화상에 관해 간결하게 이야기했다."고 마스트리히트 대학 병원(Maastricht University Hospital)의 게리트 케메린크(Gerrit Kemerink)가 벨트(Welt)신문에 말했다.
방사선 전문의는 연구용으로 1896년 최초의 X-선 기계를 가동해 방사선량 당시 74밀리 시버트(mSv)로 한 손을 촬영했다. 현재는 0.05mSv 만 필요하다. 신체의 부위와 노출 유형에 따라 X-레이 노출시간은 평균 1천~1만 배 줄어들었다.
<응용범위 : 고고학에서 천문우주분야까지>
엑스레이는 발견 직후부터 의학에서 사용됐다.
Roentgen 부인의 손 이미지는 처음부터 특히 의사들을 흥분시켰다. 이 영상은 의사들로 하여금 사람을 투명하게 볼 수 있는 오래된 꿈이 실현된 것 같은 느낌을 갖게 했다.
실제로 X-레이는 신체를 자르지 않고도 처음으로 장기와 뼈를 검사 할 수 있게 해준다.
X-ray 기술은 수년에 걸쳐 지속적으로 발전됐다.
컴퓨터 단층촬영(CT)과 같은 방법은 가능한 응용범위를 넓히고 이미지의 해상도를 향상시켰다. 오늘날 3D 및 컬러의 X-선 이미지도 가능하다. 기록은 뼈가 부러졌음을 보여주는 것에서 나아가 미세한 헤어 라인 균열이나 암성종양까지도 볼 수 있다.
재료를 살펴보기
미연방 방사선 방호청(Federal Office for Radiation Protection)의 계산에 따르면, 독일에서만 의료 및 병원에서 약 1억 4천만 엑스레이 검사가 실시되고 있다.
엑스레이는 의학외에 완전히 다른 영역에서도 사용된다. 예를 들어, 산업에서 전자파는 첨단 플라스틱에서 금속 합금에 이르기까지, 심장과 신장 제품의 재료와 제조를 검사하기 위해 중요한 역할을 한다.
바람직하지 않은 에어포켓 또는 재료 섬유의 방향은 3차원 X-선 이미지로 알아낼 수 있다. 뷔르츠부르크 소재 플라스틱 센터의 하인리히 라이시트(Heinrich Leicht)는 “X-ray CT를 사용해 복합 재료에서 유리 섬유의 정렬을 설명 할 수 있으며, 결과적으로 안정성 같은 특성에 대한 결론을 도출 할 수 있다.”고 설명한다.
숨겨진 이미지의 흔적
예술 전문가들도 오랫동안 형광 투시 검사에 의존해 왔다.
다른 시대의 색소는 X선을 다르게 흡수하기 때문에 원본의 위조품 혹은 정품을 확인하는 데 사용된다.
엑스레이를 볼 때 때때로 놀라운 사실이 있다.
예를 들어, 연구원들은 최근 16세기의 그림에서 숨겨진 성탄 장면을 발견했으며, 피카소의 여성 인물 사진에서 화가 동료를 그린 초상화가 공개되었으며, 엑스레이의 도움으로 에드가 드가(Edgar Degas)와 렘브란트(Rembrandt)의 사진도 발견되었다.
우주로부터의 신호
X-ray 기술은 고고학에서와 비슷한 흥미로운 발견을 가능하게 한다.
수천 년 전에 사람들이 겪은 질병, 미라가 어떻게 죽었고 고대 물질로 만들어진 재료는 무엇인지? 방사선은 이 모든 질문에 대답 할 수 있다.
다른 과학에서는 엑스레이도 눈에 보이지 않는 것을 눈에 보이게 한다.
예를 들어 기후 연구자들은 X선을 이용해 산호 성장 고리의 사진을 찍어 환경 조건의 변화에 대한 결론을 도출한다. 그리고 천문학 자들은 이 방사선으로 우주의 현상을 연구한다. 우주에서 많은 고에너지 과정에서 X-선이 방출되기 때문이다.
독일 물리학자인 월터 겔라흐(Walter Gerlach)는 한때 과학에 대한 이 방사선의 다면적 중요성에 대해 다음과 같이 썼다. "우리는 원자의 구성에서 자연의 결정, 기술의 재료, 유전자 및 염색체에 이르기까지 애니메이션 및 무생물에 대해 알고 있는 모든 것을 X-ray가 우리에게 가르쳐 주었다.”
-끝-
감마선과 달리 X-선은 원자핵을 통과하지 못하고 원자 껍질을 지나간다.
X선 발견 후 20년이 지나서 엑스레이 방사선을 방호 지침이 만들어졋다.
의학의 CT, 3차원 분석, 예술품 진위분석 및 우주연구분야까지 매우 다양.
관통하는 효과
X-ray의 유용성과 유해한 특성
가시광선과 마찬가지로 X선은 전자기파로 구성된다.
이들의 스펙트럼 범위는 0.001-10nm(나노미터) 길이의 파장을 갖고 있다.
X선은 자외선과 훨씬 더 에너지가 많은 단파 감마선 사이에 있다.
감마선과 달리 X-선은 원자핵을 통과하지 못하고 원자 껍질을 지나간다.
뢴트겐선은 고에너지 전자 프로세스를 통해 발생한다.
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▲ 뢴트겐이 발견한 방사선은 인공적으로 소위 X- 선 튜브에서 생성 될 수 있다. |
가속된 전자
뢴트겐이 발견한 방사선은 소위 X-선 튜브에서 인공적으로 만들 수 있다.
이 진공 유리 튜브에서, 두 개의 전극 사이에 고전압이 인가되고 음극인 캐소드가 강하게 가열되면 이를 통해 전자가 방출하고 반대편 양극으로 가속된다. 애노드 물질에서는 그곳의 입자 일부 입자가 양으로 하전된 원자핵에 의해 끌리면서 갑자기 속도를 줄인다. 여기에서 에너지는 열과 *제동복사로 뢴트겐선의 한 형태인 연속 스펙트럼을 방출한다.
*제동 복사 [Bremsstrahlung, 制動輻射]
하전입자(주로 고속전자)와 물질의 원자핵과의 작용으로 하전입자가 감속하면서 발생하는 전자파.
동시에, 소위 불연속 또는 특성 X선이 생성된다.
튜브에서 가속된 전자는 양극 물질 원자의 내부 껍질에서 전자를 두드린다.
외피로부터 전자에 의해 폐쇄되는 갭이 생성된다. 이 전자 전이 동안 방출된 에너지는 일반적으로 X-선 범위에 있다. 자연에서, 예를 들어 뇌우 또는 지구와 멀리 떨어진 우주에서 고에너지 방사선이 발생한다.
밀도가 중요하다.
엑스레이는 사람의 눈에는 보이지 않지만 특정 물질을 자극하여 발생 할 수 있다.
X선은 때때로 가시광선 파장범위에서도 발생한다. 이것이 왜 뢴트겐이 조명 효과로 광선을 추적할 수 있었는지 설명해준다.
X-선은 흡수되거나 편향되지 않고 많은(투명하지 않은) 재료를 관통한다.
그러나 매우 조밀한 물질은 일부 방사선을 통과시키지 못한다. 인간 조직이 흰색에서 검은색으로 X-레이 이미지에 나타나는 이유이기도 하다.
예를 들어 뼈는 근육보다 밀도가 높아 방사선의 대부분을 흡수한다.
결과적으로, 감광판에 적은 양이 도달해 이를 검게 할 수 있으며, 해당 영역이 더 밝게 유지된다. 대조적으로, 구멍 및 물이 풍부한 조직 부분은 많은 X-선이 통과할 수 있다.
방사선이 사진을 어둡게 한다.
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▲ X-ray 장비 Image by homebasemarketing from Pixabay |
유해한 부담
그러나 X- 레이가 인체와 같은 물질을 통해 항상 좋은 결과만을 주는 것은 아니다.
무엇보다도 세포를 손상 시킬 수 있다. Röntgen 당시에는 투과 방사선의 잠재적 부작용은 아직 알려지지 않았다. 그 당시 신발 가게에서는 생각없이 어린이 발을 엑스레이로 검사해서 신발이 발에 잘 맞는지 확인했다. 박람회에서도 엑스레이는 사람들을 즐겁게 하는 인기 있는 명소였다.
사실, 최초의 방사선 방호 지침은 X-선 발견 후 20년이 지나 발간됐다.
가능한 위험에 대한 발견들이 쌓여갔다. 과학자들은 특히 피부 화상, 탈모 또는 눈 문제를 겪었다. "사람들은 X-선 화상에 관해 간결하게 이야기했다."고 마스트리히트 대학 병원(Maastricht University Hospital)의 게리트 케메린크(Gerrit Kemerink)가 벨트(Welt)신문에 말했다.
방사선 전문의는 연구용으로 1896년 최초의 X-선 기계를 가동해 방사선량 당시 74밀리 시버트(mSv)로 한 손을 촬영했다. 현재는 0.05mSv 만 필요하다. 신체의 부위와 노출 유형에 따라 X-레이 노출시간은 평균 1천~1만 배 줄어들었다.
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▲ 6손가락을 가진 10살 어린이의 왼손을 X-ray로 촬영한 사진. 출처:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Polydactyly_01_Lhand_AP.jpg |
<응용범위 : 고고학에서 천문우주분야까지>
엑스레이는 발견 직후부터 의학에서 사용됐다.
Roentgen 부인의 손 이미지는 처음부터 특히 의사들을 흥분시켰다. 이 영상은 의사들로 하여금 사람을 투명하게 볼 수 있는 오래된 꿈이 실현된 것 같은 느낌을 갖게 했다.
실제로 X-레이는 신체를 자르지 않고도 처음으로 장기와 뼈를 검사 할 수 있게 해준다.
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▲ CT 촬영 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:X-ray_applications.svg#/media/File:Ct-workstation-neck. |
X-ray 기술은 수년에 걸쳐 지속적으로 발전됐다.
컴퓨터 단층촬영(CT)과 같은 방법은 가능한 응용범위를 넓히고 이미지의 해상도를 향상시켰다. 오늘날 3D 및 컬러의 X-선 이미지도 가능하다. 기록은 뼈가 부러졌음을 보여주는 것에서 나아가 미세한 헤어 라인 균열이나 암성종양까지도 볼 수 있다.
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▲ 2018 년에 과학자들은 처음으로 인체의 컬러 엑스레이 촬영에 성공했다. © MARS Bioimaging Ltd |
재료를 살펴보기
미연방 방사선 방호청(Federal Office for Radiation Protection)의 계산에 따르면, 독일에서만 의료 및 병원에서 약 1억 4천만 엑스레이 검사가 실시되고 있다.
엑스레이는 의학외에 완전히 다른 영역에서도 사용된다. 예를 들어, 산업에서 전자파는 첨단 플라스틱에서 금속 합금에 이르기까지, 심장과 신장 제품의 재료와 제조를 검사하기 위해 중요한 역할을 한다.
바람직하지 않은 에어포켓 또는 재료 섬유의 방향은 3차원 X-선 이미지로 알아낼 수 있다. 뷔르츠부르크 소재 플라스틱 센터의 하인리히 라이시트(Heinrich Leicht)는 “X-ray CT를 사용해 복합 재료에서 유리 섬유의 정렬을 설명 할 수 있으며, 결과적으로 안정성 같은 특성에 대한 결론을 도출 할 수 있다.”고 설명한다.
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▲ X-ray 파장별 응용범위 |
숨겨진 이미지의 흔적
예술 전문가들도 오랫동안 형광 투시 검사에 의존해 왔다.
다른 시대의 색소는 X선을 다르게 흡수하기 때문에 원본의 위조품 혹은 정품을 확인하는 데 사용된다.
엑스레이를 볼 때 때때로 놀라운 사실이 있다.
예를 들어, 연구원들은 최근 16세기의 그림에서 숨겨진 성탄 장면을 발견했으며, 피카소의 여성 인물 사진에서 화가 동료를 그린 초상화가 공개되었으며, 엑스레이의 도움으로 에드가 드가(Edgar Degas)와 렘브란트(Rembrandt)의 사진도 발견되었다.
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▲ 우주에서의 X 선 :이 찬드라 망원경 이미지는 Fornax 은하단의 여러 X선 소스를 보여준다. © NASA/ CXC, McGill University/ X. Jin et al. |
우주로부터의 신호
X-ray 기술은 고고학에서와 비슷한 흥미로운 발견을 가능하게 한다.
수천 년 전에 사람들이 겪은 질병, 미라가 어떻게 죽었고 고대 물질로 만들어진 재료는 무엇인지? 방사선은 이 모든 질문에 대답 할 수 있다.
다른 과학에서는 엑스레이도 눈에 보이지 않는 것을 눈에 보이게 한다.
예를 들어 기후 연구자들은 X선을 이용해 산호 성장 고리의 사진을 찍어 환경 조건의 변화에 대한 결론을 도출한다. 그리고 천문학 자들은 이 방사선으로 우주의 현상을 연구한다. 우주에서 많은 고에너지 과정에서 X-선이 방출되기 때문이다.
독일 물리학자인 월터 겔라흐(Walter Gerlach)는 한때 과학에 대한 이 방사선의 다면적 중요성에 대해 다음과 같이 썼다. "우리는 원자의 구성에서 자연의 결정, 기술의 재료, 유전자 및 염색체에 이르기까지 애니메이션 및 무생물에 대해 알고 있는 모든 것을 X-ray가 우리에게 가르쳐 주었다.”
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[더사이언스플러스=문광주]
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