α입자와 물질과의 상호작용

기체를 직접 전리시키는 방사선인 하전입자들(α, β)과 물질과의 상호작용에 대하여 알아보자.

- 방사선이 물질 내에서 여러 작용을 통해 영향을 미치고 동시에 방사선도 영향을 받아 진로나 에너지의 변화 등을 가져오며 차후 소멸된다.

- 방사선과 물질간의 상호작용은 방사선 측정, 방사선 차폐 등에 관한 기본 사항이므로 중요하다. 시험쪽에는 광자와 물질과의 상호작용이 많이 나오는 듯 하지만 이 부분도 중요하다.

하전 입자(α, β)의 물질 내 에너지 손실과정

오늘은 하전입자와 물질과의 상호작용을 공부하고자 한다. 일반적으로 방사선과 원자와의 충돌과정은 고속으로 입사하는 방사선에 대한 정지하고 있는 표적원자로 가정한다. 탄성, 비탄성에 대한 개념이 잘 세워지지 않네ㅡ,.ㅡ 

1) 탄성산란 : 원자핵과의 상호작용으로 입사하는 입자가 방향만 바꾸는 과정, 에너지 보존법칙이 성립되며, 전 운동에너지도 보존된다.

•쿨롱력
– α입자와 원자의 원자핵 사이에 전기적 반발력 작용
• 탄성충돌: 충돌 전후 운동에너지 합이 변하지 않는 충돌
• 탄성산란: 하전입자가 운동에너지를 잃지 않고 단지 진로가 변하는 현상
• 러더퍼드의 산란공식

 
– 하전입자가 굽혀지는 정도는 에너지가 작고, 물질의 고유번호가 클수록 커진다.

2) 비탄성산란(충돌손실) : 하전입자의 물질 내에서의 에너지 손실과정은 비탄성충돌이 대부분을 차지한다. 충돌전후에 있어서 입사입자와 표적입자의 본질은 변하지 않지만 내부에너지가 변하는 과정 ( 전리 확률 < 여기 확률 )

– α입자에 의한 원자의 이온화, 혹은 들뜸현상을 비탄성 산란이라 함.
– α입자는 이온화 혹은 들뜸에 상응하는 몫 만큼의 운동에너지를 잃음.
• α입자의 에너지 = 4∼9MeV
– 한번의 비탄성산란으로 잃는 에너지100∼200eV
– 수만번의 비탄성산란에 의해서 중성의 He원자로 되거나 멈추게 된다.
– 2차전자: 이온화 작용으로 생긴 전자 ( δ-선)
• 멈춤능력 (저지능 Stopping Power) :
– 물질에서 단위거리당 입자에 의한 에너지 손실
– 물질의 중하전입자의 진행을 저지하는 능력
   S(E)= dE/dX   [eV/μm]

• 에너지전달(LET, Linear Energy Transfer) : 멈춤 능력의 절대값

  

• 고유이온화도(비전리, Specific Ionization) : 하전입자가 물질속으로 지나갈 때, 단위길이당 매질에서 생성시키는 이온쌍의수고유이온화도가 클수록 물질원자를 이온화하는 능력은 크지만, 도달거리(비정)는 짧아짐.

 

• 브래그(Bragg)곡선 : 중하전입자가 물질 속으로 입사하여 멈출 때까지, 그 동안에 고유이온화도가 어떻게 변하는지 나타내는곡선.  α입자와 같은 중하전입자가 물질에 입사하여 진행하면서 에너지를 잃어가면 저지능 값이 근사적으로 1/E에 따라 증가하다가 입자가 정지상태에 이른다. 이처럼 최대도달거리(비정) 직전 저지능이 최대로 된 피크를 bragg 피크라고 한다.

• 도달거리(비정) 

중하전입자가 물질 속으로 입사하여, 원자와 산란이나 이온화·들뜸을 되풀이 하면서, 그 에너지를 전부 잃을때까지 진행한 거리

일정한 에너지를 갖는 α 선의 경우 일정한 비정을 가진다.

비정은 알파선의 세기와 비행거리간의 관계로 정의된다.

 

여기서 R = 도달거리(비정), E = 중하전입자의에너지, S = 저지능(stopping power)

 

3) 제동복사(방사손실) : 원자핵의 콜롱력에 의해 입사하전입자가 제동되면서 그 속도의 감소량만큼을 전자파로 방출하는 현상. 이때 방출되는 전자파를 제동복사선이라 하며 연속 스펙트럼분포를 나타낸다.

제동복사시 에너지 손실률은 흡수물질의 원자번호의 제곱(Z^)과 에너지(E)에 비례하고 입사입자의 질량의 제곱(m^)에 반비례한다. 전자의 경우 제동복사가 가장 문제가 된다.

4) 체렌코프 효과 : 매질 내에서 광속도보다 빠른 속도로 하전입자가 진행할 때 전자파를 방출하는 현상. 이때 방출되는 복사선을 체렌코프 방사선이라 한다.