치과방사선 바로보기(4)

방사선은 공포의 대상이기도 하지만 일상에서 널리 활용되고 있다. 벼, 보리, 콩, 고구마, 고추 등의 농작물 종자에 방사선을 쬐어 품종을 개량할 수 있다. 무궁화는 수술의 중앙인 단심에 방사선을 쬐면 흰색으로 변한다. 식품 신선도를 장기간 유지할 수 있어 보존기간을 늘릴 수도 있다. 방사선 처리를 하면 대장균 O-157 등의 미생물이 제거돼 제품이 상하는 것을 막을 수 있다.

공장에서는 제품의 균열 검사에 방사선을 이용한다. 사람의 손이 닿지 않거나 직접 들어가기 위험한 곳에 방사선을 이용하면 균열 여부를 쉽게 알아낼 수 있다.
화성에서 물의 흔적을 알아낸 것도 방사선 덕분이었다. 미국항공우주국(NASA)은 방사선의 일종인 감마선을 방출하는 ‘뫼스바우어 분광기’를 우주선에 실어 화성에 보내 물 흔적을 분석해냈다. 이 분광기는 방사선을 이용해 이온화 형태와 결함에너지를 측정할 수 있는데 고동도의 황산염을 화성의 암석에서 포착했다. 이는 과거 화성에 물이 존재했다는 증거였다.

① 텅스텐으로 만들어진 필라멘트 C에 Uh 전압을 가하면, 필라멘트 C에 전류가 흐르면서 가열된다. Uh 전압을 가하는 것과 동시에, 필라멘트 C를 음극(cathode) 전극으로 하고 금속판 A를 양극(anode) 전극으로 하여 수kV ~ 수십kV의 고전압을 가한다.

② 가열된 필라멘트 C에서 에너지를 얻은 열전자(thermal electron)가 tube로 방출되는데 방출된 전자는 고전압에 따라 가속되게 된다.

③ 방출된 전자가 진행할 수 있도록, tube의 내부는 진공상태를 유지해야 한다. 일반적으로 진공 tube 내의 기압은 대기압보다 약 10억분의 1 정도로 낮도록 유지한다.

④ 고전압으로 가속된 전자는 양극 전극인 금속판 A에 충돌하는데 이때 전자가 가지고 있던 운동에너지가 빛에너지와 열에너지로 변환된다.

⑤ 전자의 운동에너지가 빛에너지로 바뀐 것이 X-ray다.

⑥ X-ray 가 조사되는 동안 발생하는 열을 외부로 방출하기 위하여 공냉식 또는 수(유)냉식 냉각시스템이 반드시 필요하다.

엑스선의 파장의 한계는 분명하게 정의되어 있지 않으나, 보통 10−10 m의 수백 배에서 수 백만분의 1의 파장의 빛을 엑스선이라 부르고 있다. 엑스선은 엑스선의 발생방법에 따라 2가지 종류가 있다. 하나는 제동 복사에 따라 만들어지는 연속 엑스선으로서 전자가 원자나 원자핵에서 받는 쿨롱 힘에 의해 갑자기 진로가 바뀔 때에 발생하는 엑스선이다. 
다른 하나는 특성 엑스선으로서 원자 속의 깊은 에너지준위에 있는 전자가 제외되었을 때, 그 공백을 메우려고 바깥쪽 궤도에서 전자가 이동할 때 발생하는 엑스선이다.

엑스선은 매우 빠르게 움직이는 전자가 무거운 원자에 충돌할 때 발생한다. 가열된 음극 필라멘트로부터 나온 전자는 양극 표적을 향해서 가속된다. 이때 전자의 최종 속도는 전자가 얻은 운동 에너지가 전기장에 의해서 전자에 한 일(단위: 전자볼트)와 같다고 계산할 수 있다. 이 전자의 운동에너지는 충돌 시 대부분 열로 전환되며, 단지 1% 미만의 에너지만이 엑스선을 발생시키는데 이용된다. 

양극의 역할을 하는 표적으로는 보통 크로뮴, 철, 코발트, 니켈, 구리, 몰리브데넘, 텅스텐 등을 쓴다. 표적에 도달한 고속의 전자는 원자핵의 쿨롱 장에 의해서 강하게 굴곡되어 저지당한다. 이때 전자의 운동 에너지 중 일부가 제동 복사로 방사되는데, 이것이 바로 엑스선이다. 이런 종류의 엑스선의 스펙트럼은 연속적이므로 이를 연속 엑스선'이라고 한다. 

X-선의 발견은 의학발전에만 국한되지 않았다. 뢴트겐의 발견에 자극 받은 프랑스 물리학자 ‘앙투안 베크렐’은 우라늄에서 최초로 방사선을 발견했고 이것으로 노벨 물리학상까지 수상했다. 또 X-선 발견에 결정적 계기가 된 음극선 연구가 더 활발해지면서 1897년 영국 물리학자 ‘조지프 존 톰슨’은 전자를 발견했으며 이를 계기로 빛의 입자성이 부각됐다.

나아가 빛의 입자성 발견은 20세기에 상대성이론이 출현하는 중요한 계기가 됐고 X선의 본성에 대한 논쟁과정에서 “빛이 파동이면서 동시에 입자라는 이중성을 갖고 있다”는 새로운 인식도 출현했다.

이렇듯 X-선의 물리적 성질과 효과가 밝혀지면서 X-선을 가리키는 ‘미지’(未知)라는 의미는 사라졌다. 일부에서는 발견자에 대한 예우로 X-선 대신 ‘뢴트겐선’이라는 용어를 쓰자는 의견도 나왔다. 그러나 뢴트겐선보다 X-선의 발음이 쉽기 때문에 오늘날 X-선이란 용어가 널리 쓰이고 있다. 

엑스선은 파장이 짧은 전자기파이기 때문에 물질을 잘 통과한다. 엑스선의 회절을 이용하여 물질의 구조를 결정하거나 조영제를 사용하여 인체 내부의 이상을 알아보는 등 응용 범위는 매우 넓다. X선은 일반영상 검사(Simple radiography), 투시검사, 혈관조영 검사, CT검사 등 여러 분야에서 이용된다. 또 엑스선과 우라늄의 방사능의 발견이 도화선이 되어 20세기의 원자물리학의 발전이 시작되었다.

글_김영진 박사
• 前) 건강보험심사평가원 상근심사위원
• 조선치대졸업(1981)
• 동 대학원에서 ‘치과방사선학’으로 석사 박사학위 취득
• 제 23회 ‘치과의료문화상’수상
• 제 30회 보건의 날 ‘대한민국국민포장’수훈