감마선
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감마선(γ線, Gamma ray; Gamma radiation)은 전자기파 가운데 광자 에너지가 매우 높은 영역을 가리키며, 전형적으로 들뜬 원자핵의 에너지 준위 전이, 방사성 붕괴 및 고에너지 천체 현상 등에서 발생하는 전리 방사선이다.
감마선은 전파·적외선·가시광선·자외선·X선과 본질적으로 같은 전자기파이다. 질량과 전하가 없는 광자로 이루어지며 진공에서 빛의 속도로 이동한다.
전자기 스펙트럼에서 감마선은 일반적으로 가장 짧은 파장과 가장 높은 광자 에너지를 가진 영역으로 분류된다. NASA는 감마선을 전자기 스펙트럼에서 파장이 가장 짧고 에너지가 가장 높은 복사로 설명한다.[1]
광자의 에너지는 다음 관계를 가진다.
- E = hf = hc / λ
- E : 광자 에너지
- h : 플랑크 상수
- f : 주파수
- c : 빛의 속도
- λ : 파장
따라서 파장이 짧을수록 주파수가 높고 광자 하나의 에너지도 커진다.
감마선은 높은 광자 에너지로 인해 물질의 원자나 분자를 이온화할 수 있는 전리 방사선에 해당한다.[2]
감마선과 X선은 모두 고에너지 전자기파이며, 에너지와 파장 범위가 서로 겹칠 수 있다.
전통적인 핵물리학에서는 두 복사를 발생 원인으로 구분한다.
| 구분 | 대표적인 발생 과정 |
|---|---|
| X선 | 원자 전자의 에너지 준위 전이, 고속 전자의 제동복사 등 |
| 감마선 | 들뜬 원자핵의 에너지 준위 전이와 핵반응·방사성 붕괴 등 |
IAEA는 감마선이 원자핵의 에너지 상태 변화에서 발생하는 반면 X선은 주로 원자의 전자 구름에서 발생한다고 설명한다.[3]
따라서
- 감마선 = 무조건 X선보다 에너지가 높은 전자기파
라고 단순하게 정의하는 것은 정확하지 않다.
매우 높은 에너지의 X선과 비교적 낮은 에너지의 감마선은 에너지 범위가 겹칠 수 있으며, 같은 에너지라면 물질과 상호작용하는 물리적 성질도 본질적으로 동일하다.[3]
감마선은 다양한 핵반응과 고에너지 현상에서 발생한다.
대표적인 발생 과정은 감마 붕괴이다.
방사성 붕괴가 일어난 뒤 생성된 원자핵이 에너지가 높은 들뜬 상태에 남는 경우가 있다. 이 원자핵이 더 낮은 에너지 상태로 전이하면서 에너지 차이를 광자로 방출하면 감마선이 된다.
IAEA는 방사성 붕괴 후 딸핵이 들뜬 상태에 남았다가 더 낮은 핵 에너지 준위로 전이하면서 방출하는 광자를 감마선이라고 설명한다.[5]
감마 붕괴 자체에서는 보통 원자핵의 양성자 수와 중성자 수가 변하지 않고 에너지 상태만 낮아진다.
예를 들면
들뜬 원자핵 → 낮은 에너지 상태의 원자핵 + γ
와 같이 표현할 수 있다.
알파 붕괴나 베타 붕괴 후 생성된 딸핵이 들뜬 상태에 있을 경우 감마선이 뒤이어 방출되는 경우가 많다.
감마선은 다음과 같은 핵 과정에서도 발생할 수 있다.
- 핵분열
- 핵융합
- 중성자 포획
- 입자와 원자핵의 충돌
- 핵폭발
미국 원자력규제위원회(NRC)는 감마 방사선이 원자핵에서 방출되는 고에너지·단파장 전자기 복사이며 알파·베타 방출에 동반되는 경우가 많고 핵분열에도 수반된다고 설명한다.[6]
감마선 폭발(Gamma-Ray Burst; GRB)은 우주에서 짧은 시간 동안 매우 강한 감마선이 방출되는 현상이다.
일부 감마선 폭발은 매우 무거운 별의 붕괴와 연관되고, 일부는 중성자별끼리의 충돌과 같은 천체 병합에서 발생하는 것으로 알려져 있다.
감마선 폭발은 짧은 시간 동안 막대한 에너지를 방출하기 때문에 고에너지 천문학의 주요 연구 대상이다.
NASA의 페르미 감마선 우주망원경(Fermi Gamma-ray Space Telescope)과 스위프트(Swift) 등의 우주망원경이 감마선 폭발과 다양한 우주 감마선원을 관측한다.[1]
감마선을 방출하는 방사성 동위원소를 감마 방출체(Gamma emitter)라고 한다.
대표적인 예로 다음이 있다.
- 코발트-60(Co-60)
- 세슘-137(Cs-137)
- 테크네튬-99m(Tc-99m)
코발트-60은 의료기기 살균과 방사선 처리 등에 널리 사용되는 대표적인 산업용 감마선원이다.
IAEA에 따르면 대규모 산업용 감마선 조사 시설에서는 주로 코발트-60이 사용되며 의료제품 살균, 식품 조사, 식물검역 처리 등에 활용된다.[7]
감마선은 전하가 없는 광자이므로 알파선이나 베타선처럼 물질의 전자와 연속적으로 전기적 상호작용을 하면서 즉시 에너지를 잃지는 않는다.
대신 물질 속을 이동하다가 확률적으로 원자와 상호작용한다.
NIST는 X선·감마선의 물질 내 감쇠를 계산할 때 광전 효과, 산란 및 전자-양전자 쌍생성 등의 상호작용을 고려한다.[8]
대표적인 상호작용은 다음 세 가지이다.
광전 효과(Photoelectric effect)는 감마선 광자가 원자에 흡수되면서 자신의 에너지를 전자에 전달해 전자를 방출시키는 과정이다.
입사 광자는 사라지고 그 에너지가 전자의 운동에너지 등에 전달된다.
상대적으로 낮은 광자 에너지와 원자번호가 큰 물질에서 중요해질 수 있다.
컴프턴 산란(Compton scattering)은 감마선 광자가 전자와 충돌하여 에너지 일부를 전자에 넘긴 뒤 더 낮은 에너지의 광자로 방향을 바꾸어 진행하는 현상이다.
γ + 전자 → 에너지가 낮아진 γ + 반동 전자
컴프턴 산란은 감마선과 X선의 입자적 성질을 보여주는 대표적인 현상이다.
미국물리학회는 컴프턴 효과를 X선 또는 감마선 광자가 물질과 상호작용하면서 에너지가 감소하고 파장이 길어지는 현상으로 설명한다.[9]
감마선의 에너지가 충분히 높으면 광자가 원자핵 등의 전기장과 상호작용해
- 전자(e⁻) + 양전자(e⁺)
쌍으로 변환될 수 있다.
전자와 양전자의 정지에너지를 합하면 약 1.022 MeV이므로 핵 주변에서의 쌍생성이 가능하려면 입사 광자의 에너지가 최소 약 1.022 MeV 이상이어야 한다.[10]
양전자는 이후 주변의 전자와 만나 소멸하면서 일반적으로 두 개의 511 keV 광자를 생성할 수 있다.
감마선은 전하가 없고 물질과의 상호작용 확률이 상대적으로 낮아 높은 투과력을 가진다.
알파선은 종이나 피부 표면에서도 쉽게 차단되고 베타선은 비교적 얇은 물질로 감쇠시킬 수 있지만, 감마선의 외부 피폭을 충분히 낮추려면 일반적으로 두꺼운 고밀도 물질이 필요하다.
CDC는 감마선이 물질을 깊이 통과할 수 있으며 차폐에는 수 인치 규모의 납이나 다른 고밀도 물질이 필요할 수 있다고 설명한다.[11]
대표적인 차폐 재료는 다음과 같다.
- 납
- 콘크리트
- 강철
- 기타 고밀도 재료
다만 감마선을 특정 두께에서 완전히 '차단'한다고 표현하기보다는 감쇠시킨다고 표현하는 것이 정확하다.
감마선 광자는 확률적으로 물질과 상호작용하기 때문에 차폐 두께를 증가시킬수록 통과하는 광자의 수가 지수적으로 감소한다.
단순한 좁은 빔 조건에서는 다음과 같이 표현할 수 있다.
- I = I₀e-μx
- I₀ : 차폐 전 강도
- I : 차폐 후 강도
- μ : 선형 감쇠계수
- x : 물질의 두께
감쇠계수는 감마선의 에너지와 차폐 물질의 종류에 따라 달라진다.[8]
감마선 차폐 성능을 표현할 때 반가층(Half-Value Layer; HVL)을 사용하기도 한다.
반가층은 특정 에너지의 방사선 세기를 절반으로 감소시키는 데 필요한 차폐 물질의 두께이다.
예를 들어 동일한 감마선이라도
- 납
- 콘크리트
- 물
은 밀도와 원자 구성 등이 다르므로 서로 다른 반가층을 가진다.
또한 같은 물질이라도 감마선의 에너지가 달라지면 필요한 차폐 두께가 변하므로 '납 몇 mm면 감마선을 막는다'와 같이 에너지를 지정하지 않은 표현은 정확하지 않다.
감마선은 사람의 눈이나 일반 카메라로 직접 볼 수 없다.
감마선 검출기는 감마선이 물질과 상호작용하면서 만들어내는 전자, 이온화 또는 섬광 등을 측정한다.
대표적인 장치는 다음과 같다.
- 가이거-뮐러 계수관
- 섬광 검출기
- 반도체 검출기
- 감마 카메라
- 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기
감마선은 방사성 동위원소마다 특정한 에너지의 선을 나타낼 수 있기 때문에 검출된 광자의 에너지 분포를 분석하면 방사성 물질을 식별할 수 있다.
CDC도 특정 동위원소가 서로 다른 에너지의 감마선을 방출하는 특성을 이용하여 시료 속 감마 방출체를 식별할 수 있다고 설명한다.[11]
이를 감마선 분광법(Gamma-ray spectroscopy)이라고 한다.
감마선의 높은 투과력과 생물학적 세포 손상 능력은 의료에서도 활용된다.
고에너지 감마선을 암세포에 집중적으로 조사하면 DNA 등에 손상을 일으켜 암세포의 증식을 억제하거나 파괴할 수 있다.
코발트-60 감마선을 이용한 방사선 치료는 대표적인 전통적 응용이다.
현대 방사선 치료에서는 의료용 선형가속기가 발생시키는 고에너지 X선도 널리 사용되기 때문에 모든 방사선 치료가 감마선을 사용하는 것은 아니다.
방사성 의약품이 체내에서 방출하는 감마선을 외부에서 검출하여 장기의 기능과 분포를 영상화할 수 있다.
대표적인 장치가 감마 카메라이며 이를 이용한 영상법 가운데 하나가 SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)이다.
핵의학에서는 테크네튬-99m과 같은 감마 방출 방사성 동위원소가 널리 사용된다.
PET(Positron Emission Tomography)에서는 양전자를 방출하는 방사성 동위원소를 이용한다.
방출된 양전자가 전자와 만나 소멸하면 서로 거의 반대 방향으로 약 511 keV의 광자 두 개가 발생하며, PET 장치는 이 두 광자를 동시에 검출하여 발생 위치를 추정한다.
감마선은 미생물의 DNA와 기타 세포 구성물을 손상시켜 증식을 막을 수 있기 때문에 살균에 사용된다.
특히 감마선은 포장재와 제품 내부까지 깊이 투과할 수 있어 제품을 최종 포장한 상태로 조사할 수 있다는 장점이 있다.
IAEA는 코발트-60 감마선 시설이 다음과 같은 제품의 살균에 널리 이용된다고 설명한다.[7]
- 일회용 의료기기
- 주사기
- 의료용 임플란트
- 의약 관련 제품
- 조직 기반 의료제품
감마선 살균 과정에서는 열을 이용하지 않아 열에 민감한 일부 제품을 처리하는 데에도 활용할 수 있다.
감마선은 식품의 미생물·곤충을 감소시키거나 발아 및 숙성 과정을 조절하는 식품 조사(Food irradiation)에도 사용된다.
미국 FDA는 식품 조사에 사용할 수 있는 방사선원 가운데 하나로 코발트-60과 세슘-137에서 나오는 감마선을 설명한다.[12]
목적은 다음과 같다.
- 식중독균 감소
- 해충 제거
- 저장 기간 연장
- 발아 억제
- 숙성 지연
감마선을 조사한 식품 자체가 방사성 물질이 되는 것은 아니다. FDA는 허가된 조건의 식품 조사가 식품을 방사성으로 만들지 않는다고 명시한다.[12]
마찬가지로 IAEA는 코발트-60을 이용한 의료기기 감마선 살균도 처리 제품에 방사능을 남기지 않는다고 설명한다.[13]
감마선은 높은 투과력을 이용하여 비파괴검사에도 활용된다.
금속 구조물이나 용접부 뒤에 검출기를 놓고 감마선을 투과시키면 내부의 균열이나 기공처럼 밀도가 다른 부분에 따라 방사선 투과량이 달라진다.
이를 이용해 다음을 검사할 수 있다.
- 용접부
- 배관
- 주조품
- 압력용기
- 금속 구조물
또한 산업 공정에서는 감마선의 감쇠량을 이용해 밀도, 두께 또는 용기의 내용물 높이를 비접촉으로 측정하기도 한다.
감마선은 우주에서 가장 격렬하고 에너지가 높은 현상을 관측하는 중요한 수단이다.
다만 우주에서 오는 대부분의 감마선은 지구 대기에 흡수되므로 지상에서 일반 광학망원경처럼 직접 관측하기 어렵다.[14]
따라서 감마선 천문학에서는
- 인공위성
- 우주망원경
- 고고도 기구
등을 사용한다.
매우 높은 에너지의 감마선은 대기와 충돌하면서 2차 입자의 연쇄 반응인 공기 샤워를 만들기 때문에, 이때 발생하는 체렌코프 빛 등을 지상에서 관측하여 원래의 감마선을 간접적으로 추정하는 방식도 사용된다.
감마선 관측은 다음과 같은 천체 연구에 이용된다.
- 블랙홀
- 중성자별
- 펄서
- 초신성 잔해
- 활동은하핵
- 감마선 폭발
감마선은 전리 방사선이므로 세포의 원자와 분자를 이온화하고 DNA를 직접 또는 간접적으로 손상시킬 수 있다.
건강 영향의 크기는 단순히 '감마선을 맞았는가'만으로 결정되지 않는다.
- 흡수된 방사선량
- 선량률
- 노출 시간
- 노출된 신체 부위
- 방사선의 에너지
- 연령과 건강 상태
등이 중요하다.
CDC는 방사선의 건강 영향에서 선량이 매우 중요한 변수이며, 높은 방사선량은 심각한 조직 손상이나 사망을 일으킬 수 있고 장기적으로 암 위험을 증가시킬 수 있다고 설명한다.[15]
감마선은 높은 투과력 때문에 외부 피폭에서 특히 중요하다.
알파 방사선은 외부에 있는 경우 피부 표면에서도 대부분 차단되지만 감마선은 몸 깊숙한 조직까지 도달할 수 있다.[11]
따라서 감마선원이 몸 밖에 있더라도 충분한 방사선량을 받을 수 있다.
감마선을 방출하는 방사성 물질이
- 흡입
- 섭취
- 상처
등을 통해 체내에 들어오면 내부에서 지속적으로 감마선을 방출할 수 있다.
이 경우 문제는 '감마선이 몸속에 남는다'는 것이 아니라 감마선을 만들어내는 방사성 물질이 체내에 존재하는 것이다.
방사선에 노출되는 것과 방사성 물질에 오염되는 것은 다른 개념이다.
예를 들어 사람이 외부의 감마선원 옆에 있다가 자리를 떠난 경우에는 감마선의 조사가 끝난다. 단순히 감마선을 받았다는 이유로 그 사람이 감마선을 계속 방출하는 것은 아니다.
반면 방사성 먼지나 액체가 피부·옷에 묻거나 체내에 들어왔다면 방사성 물질 자체가 존재하므로 계속 방사선을 방출할 수 있다.
따라서
- 방사선 노출 ≠ 방사능 오염
이다.
감마선 방호의 기본 원칙은 시간(Time), 거리(Distance), 차폐(Shielding)이다.
CDC는 이를 방사선 노출을 낮추는 세 가지 기본적인 방법으로 제시하고 있으며, 불필요한 피폭은 합리적으로 달성 가능한 한 낮게 유지하는 ALARA(As Low As Reasonably Achievable) 원칙을 사용한다.[16]
| 방법 | 원리 |
|---|---|
| 시간 | 방사선원 주변에 머무르는 시간을 줄인다. |
| 거리 | 방사선원에서 가능한 한 멀리 떨어진다. |
| 차폐 | 방사선원과 사람 사이에 납·콘크리트 등의 물질을 둔다. |
점광원에 가까운 조건에서는 거리가 증가할수록 방사선 강도가 대략 거리의 제곱에 반비례하여 감소한다.
일반적인 작업복이나 방진복은 방사성 물질이 피부에 묻는 것을 줄이는 데에는 도움이 될 수 있지만 강한 외부 감마선을 직접 차폐하는 효과는 제한적이다. CDC 역시 개인보호구만으로 외부 감마선 피폭을 차단할 수 없으며 시간·거리·적절한 차폐가 중요하다고 설명한다.[16]
감마선은 1900년 프랑스 물리학자 폴 빌라르(Paul Villard)가 라듐에서 나오는 방사선을 연구하는 과정에서 발견하였다.
당시 알려져 있던 알파선과 베타선보다 훨씬 투과력이 높고 자기장에 의해 쉽게 휘어지지 않는 새로운 복사가 관찰되었다.
이후 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)가 알파(α), 베타(β)에 이어 이 복사에 그리스 문자 감마(γ)를 사용하면서 감마선이라는 이름이 정착되었다.[17]
초기에는 감마선의 정체가 명확하지 않았으나 이후 연구를 통해 X선과 마찬가지로 전자기 복사라는 사실이 확립되었다.
방사성 붕괴에서 함께 언급되는 알파선·베타선과 감마선은 성질이 근본적으로 다르다.
| 구분 | 정체 | 전하 | 투과력 | 대표적 차폐 |
|---|---|---|---|---|
| 알파선 | 헬륨 원자핵 | +2 | 낮음 | 종이, 피부 표면 |
| 베타선 | 전자 또는 양전자 | -1 또는 +1 | 중간 | 플라스틱·금속 등 |
| 감마선 | 광자·전자기파 | 0 | 높음 | 납·콘크리트 등 |
즉 감마선은 알파선이나 베타선처럼 질량을 가진 입자 방사선이 아니라 전자기 복사이다.
다만 양자역학에서는 전자기파 역시 광자라는 입자의 형태로 기술할 수 있으므로 '감마선은 파동이고 알파·베타선만 입자다'라고 단순하게 구분하는 것도 정확하지 않다.
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