||<:><-6><tablewidth=100%><tablebordercolor=#303030><tablebgcolor=#000><bgcolor=#fff,#000>전자기파·빛의 종류
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| 전리 방사선 | 전자기파 | ||||
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1. 개요
감마선(Gamma ray, γ-ray)은 강력한 전자기파로서 파장이 극히 짧고 진동수가 높아 물질 투과성이 좋은 것이 특징이다. 방사능 물질이 핵붕괴를 일으켜 방출하는 방사선의 한 종류로 1900년 빌라드가 라듐으로부터 발견, 러더퍼드가 그리스 문자를 사용해 알파선과 베타선과 함께 명명했다.2. 성질
알파선과 베타선이 입자선(Particle ray)인 반면, 감마선은 X선과 같은 전자기파(Electromagnetic wave)이다.[1] 감마선은 전자기파면서도 물리적 성질들이 양자화되어 있다는 특징을 보인다. 일례로 감마선의 에너지는 hν라는 양자역학적인 방식으로 표현된다. h는 플랑크 상수이며, '에이치'라고 읽거나 '하'라고 읽는다. ν는 파동의 진동수이다. ν가 그리스 문자라 쓰기 힘들고 속력의 v랑 헷갈리기도 해서 진동수를 f로(Frequency) 나타낼 때도 있다.감마선과 같은 전자기파는 질량이 없기 때문에 총에너지를 γmc²으로 나타낼 수 없다. γ는 특수 상대성 이론에 등장하는 로렌츠 인자이다.
감마선은 광전효과[2]에 의한 검출이 불가능하여 CCD를 이용해 관측할 수 없기 때문에, 감마선 망원경은 감마선이 금속 포일과 충돌하면서 생기는 쌍생성을 이용해 광자의 궤적을 검출하는 방법으로 감마선을 관측한다.
2.1. X선과의 비교
감마선은 가시광선, 자외선, X선과 같은 전자기파의 한 형태이며, 발생원과 에너지 분포를 통해서만 구별된다. 감마선은 파장이 매우 짧고 주파수(진동수)가 매우 높아 에너지도 매우 높다. 가시광선의 광자 하나의 에너지가 대략 2~3.1eV 정도이고 의료용 X선은 약 2,000 eV 정도인데, 우주 감마선은 통상 1천만 eV(10 MeV)에서 3천억 eV(300GeV) 정도이니 X선의 1만~1억 배의 에너지를 가지고 있다. 포항 방사광 가속기는 최고 25억 eV(2.5 GeV)정도를 낼 수 있다. X선과 감마선의 파장 대역이 겹치는 부분이 있어서 그 겹치는 파장의 전자기파를 관측자가 X선과 감마선으로 구분하는 정확한 기준은 존재하지 않으며, 단지 예상 선원을 통해(즉, 어디서 나왔는지로) 판단할 수 있을 뿐이다. Cs-137에서 발생하는 감마선은 668KeV 정도로서 30cm 두께의 콘크리트로 1/100 차폐할수 있다.예상 선원으로 판단할 수 있다는 의미는 두 현상의 발생 원인에 근본적인 차이가 있다는 것인데, X선의 주된 선원은 전자의 이동 궤적이 크게 변할 때 일어나는 제동복사(Bremsstrahlung), 그리고 원자의 외곽의 궤도에 있던 전자가 어떤 원인으로 인해 자리가 비어버린 내부의 궤도로 천이할 때 발생하는 특성선(Characteristic ray)으로, 둘 다 전자에 의해 주로 발생하는 것을 알 수 있지만, 감마선의 주된 선원은 원자핵 그 자체다. 포항 방사광가속기는 에너지는 감마선 급이지만 발생원리는 의료용 X선 장치와 같은 제동복사라 1백만 배 정도의 엄청나게 강력한 X선 장치라고도 볼 수 있다.
간단히 말하면, 방사성 붕괴로 인해 생성된 불안정한 원자핵이 안정화되면서 남은 에너지를 전자기파의 형태로 방출하는 과정에서 생성되는데[3] 아래의 예를 보면 이해가 빠를 것이다.
코발트60의 원자핵은 두 가지 과정을 거쳐 니켈60으로 붕괴할 수 있는데 가장 확률이 높은 과정에서 코발트60은 0.31 MeV의 베타선과 1.17 MeV의 감마선을 방출하며 들뜬 상태의 니켈60 원자핵으로 붕괴한다. 이 들뜬 상태의 니켈60 원자핵은 1.33 MeV의 감마선을 다시 방출하고 안정화된다.
이때 방출되는 감마선의 에너지는 기본적으로 방출 전과 방출 후 핵의 에너지 준위차와 같지만, 불확정성 원리에 기인한 약간의 폭을 가지며 그 폭은 들뜬 핵의 반감기가 짧을수록 넓어진다. 이때의 에너지 분포는 코시 분포를 따르며, 코시 분포에 의해 나타나는 선 윤곽을 로런츠 선윤곽(Lorentzian Profile)이라 부른다.[4] 또한 감마선은 전자와의 상호작용에 따른 콤프턴 산란에 의해 에너지를 잃기 때문에 핵붕괴에서 나오는 감마선의 스펙트럼을 분석하면 에너지가 작은 쪽에 콤프턴 산란에 의해 생겨난 두껍고 긴 꼬리가 나타난다.
원자핵의 한 부분(정확히는 헬륨의 원자핵인 양성자 2개, 중성자 2개)이 통째로 떨어져 나오는 알파 붕괴나 원자핵 내부에서 중성자가 양성자로 바뀌며 고에너지 전자와 중성미자를 내는 베타 붕괴와는 다르게 원자핵 자체가 안정되는 과정이므로 내부 핵변환이 일어나지 않는다.[5]
또한 파장 대역에서 겹치는 부분이 있다고 위에서 서술했지만, 전체적으로 보면 감마선의 파장 대역이 X선의 파장 대역보다 짧은 쪽에 치우쳐 있으며 따라서 대체로 감마선이 갖는 에너지가 크다.
방사선 물질이 아닌 여름철 태풍으로 인한 감마선이 관측되기도 한다. 이 경우, 구름 속 정전기로 인해 충분히 가속된 전자가 원자와 충돌하여 발생한다. 관련 영상
3. 위험성
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| [1] 암의 종류에 따라 1군/2A군으로 나뉜다. [2] GMO, 항생제 등 고기 잔류 물질이 문제가 아니다. IARC에서는 확실히 밝히지는 않았지만 고기의 성분 자체가 조리되면서 발암 물질을 필연적으로 함유하기 때문이라고 논평하였다. 청정우 같은 프리미엄육을 사 먹어도 발암성이 있다는 뜻이다. 이에 전세계의 육류업자들이 고기를 발암물질로 만들 셈이냐며 정식으로 항의하기도 하는 등 논란이 있었다. [3] 단, 올바른 조리 과정을 거치면 먹어도 문제는 없다. 문서 참조. [4] 카프로락탐. 2019년 1월 18일 IARC 서문 개정에 따라 불필요하다고 판단되어 삭제되었다.# | }}}}}}}}} | |
질량을 가지는 입자인 알파선, 베타선과는 달리 관통력이 매우 강하다. 인체나 생물에 장시간 조사(照射)되면 세포가 파괴되고, DNA 사슬이 끊어져 암을 유발할 가능성이 있다. 이 원리를 이용해서 라면 건더기라든가 의료용 탈지면, 우주식품의 멸균, 수출용 감자와 고구마 발아억제에 사용된다. 가열이나 약품처리와 달리 처리 대상 물질에 끼치는 영향이 적으면서[6] 빛이라 잔존물이 전혀 남지 않는다는 장점도 한몫을 한다.
워낙 관통력이 강하기 때문에 종이 한 장이나 사람의 피부에도 차폐되는 알파선이나 알루미늄 호일 한 장으로 차폐되는 베타선과는 달리 감마선을 원래 감마선의 반의 강도로 줄이기 위해서는[7] 두께 1cm의 납벽이 필요하다. 따라서 이론적으로 두께 10cm의 순수한 납으로 된 벽은 감마선을 원래 감마선의 강도의 0.1% 이하로 줄일 수 있다. 그러나 두께 10cm의 순수한 납으로 된 벽이라는 것은 가격도 가격일 뿐더러 가공도 가공인 데다 장난이 아닌 무게를 자랑하므로 보통 건물에서는 콘크리트로 감마선을 차폐하는데 재질이 콘크리트로 바뀌는 순간 HVL값은 6배로 늘어난다. 피난소의 두꺼운 벽이나 대학 연구실 등에 존재하는 방사선 차폐실은 감마선 차폐를 위해 만들어졌다.
우주에서 초신성이 폭발할 때, 중성자별이 서로 충돌할 때 등의 경우에 대량의 감마선이 발생하는데 이를 '감마선 폭발(GRB)'이라고 한다. 이때의 감마선은 폭발지점에서 5광년 이내에 있는 행성의 생명체들을 문자 그대로 완전히 절멸시켜 버린다고 한다. 또한 거성이 폭발하며 생을 마감할 때도 초신성보다는 못한 강도지만 감마선을 몇 분~ 몇 시간 동안 방출한다고 한다.
항상 핵융합을 하는 태양에서 방출된, 그리고 어딘가의 별이 최후에 방출한 감마선과 엑스선을 비롯한 우주 방사선은 지구에도 언제나 내려쬐이고 있다. 먼 길을 지나오느라 강도도 약하고 대부분 대기에 흡수되어서 지표에는 무시할만한 양만 도달할 뿐. 대신 대기가 미약한 높은 고도를 비행하는 비행 승무원은 지표보다 확연히 많은 양의 우주 방사선에 피폭당한다. 특히 밴 앨런대가 약한 북극 항로를 자주 비행하는 승무원은 평균적으로 무려 2.2mSv의 방사선에 피폭당하며, 이에 따라 백혈병 발병률도 유의미하게 높게 나타난다.
의외로 알파선, 베타선에 비해 이온화력은 약하다. 대신 입자선이 아니라 빛이라 투과력이 엄청나기 때문에 쉽게 차폐할 수 있는 알파선, 베타선보다 다량으로 피폭당하기 쉬워서 더 위험하게 인식되는 것.
4억 4500만 년 전 고생대 오르도비스기 말에 발생한 대멸종 사건의 원인으로 추정되는 가설중 하나다. 초신성 폭발에 의한 것인지 2개의 중성자별이 충돌하면서 생긴 것인지는 모르지만, 어쨌든 우주에서 발생한 감마선폭풍(Gamma-ray burst)이 지구를 덮치는 바람에 해양 생물 50% 멸종. 해양 무척추동물의 100여 과(family)가 멸종. 완족류, 태선류(이끼벌레)의 2/3가 멸종, 삼엽충, 필석류, 극피동물, 그리고 코노돈트의 쇠퇴 등의 피해를 냈다고 한다. 비록 확실히 원인으로 결론이 나지는 않았지만, 무시해서는 안 되는 자연현상이란 것만은 분명하다.
4. 대중매체
마블 코믹스의 헐크는 이 감마선에 의해 탄생했다. 엘 유잉의 이모탈 헐크 시리즈에서는 원 빌로우 올이라는 신적인 존재가 사용하는 힘이라는 설정이 붙었다.[8]기동전사 건담 SEED에서는 감마선을 사용한 병기 제네시스가 등장한다. 비록 3발만 쏘고 파괴되었지만,[9] 그 위력은 1사 때에는 지구연함군 우주함대를 거의 잡아먹고 2사 때에는 달의 프톨레마이오스 기지를 통째로 갈아먹는 위력을 보여주었다. 우주에서 쐈을 때 이 정돈데 마지막 발사 목표였던 워싱턴에 이게 꽂히면 지구상 모든 생명체의 97%가 사멸한다고 한다.
기동전사 건담 SEED DESTINY에서는 요새 메사이아와 일체화 + 소형화된 네오 제네시스가 등장한다. 소형화시킨 만큼 위력도 절반 정도로 떨어졌지만, 그래도 메사이아로 접근해오는 오브군 함대의 절반을 날려버리는 쾌거(?)를 올렸다.
벤10 에일리언 포스에 나오는 외계인 중 하나인 크로마스톤은 빛에너지를 흡수해서 감마선을 발사할 수 있다고 한다.
네이버웹소설의 홍정훈이 집필한 검이여 노래하라에서는 감마레이 버스트라는 명칭으로 세계관 내 인류 멸종의 원인으로 등장했다.
겁스에서는 TL12 문명에서 감마선 레이저라는 무기로 사용된다고 한다. 감마선 자체의 이용은 현대(TL8)에도 가능한만큼 감마선 자체의 TL은 저거보다 훨씬 낮다.
넷플릭스 드라마 어둠 속으로(2020)는 태양 발 감마선 폭발로 전 인류가 멸종 위기를 겪는 상황을 소재로 하고 있다. 주인공들은 나토 소속 군인 하나가 비행기를 탈취하고 비행기를 계속 해가 없는 밤 시간 대의 지역으로 비행기를 향하게 하는 걸로 시작한다.
슈퍼소년 앤드류(My Secret Identity, 1988-1991)에서 주인공 앤드류가 옆 집 박사의 감마선을 맞고 초능력을 얻게 된다.
마블 시네마틱 유니버스의 인피니티 스톤은 전부 특징적인 감마선을 뿜어내며 인피니티 스톤을 인피니티 건틀릿에 전부 끼우고 핑거 스냅을 사용시 모든 스톤이 동시에 작동하며 막대한 양의 감마선이 방출된다. 그 양은 감마선으로 인해 탄생한 헐크조차 고통스럽게 하고 불구로 만들 정도.
[1] 모든 파동과 입자는 이중성을 가진다고 알려져 있으므로 어떻게 쓰든 상관 없긴하다.[2] 13.6eV 이상의 에너지에 방출되는 전자 유리화.[3] 원자에서 전자의 천이를 통해 방출선이 나오는 것과 유사한 작용인데, 원자핵에서 발생하는 작용이고 전자가 아닌 핵자가 천이하며 에너지 준위차가 매우 크다는 차이가 있다. 덧붙여, 원자핵에서 양성자와 중성자의 에너지 준위는 원자 오비탈 유형과 비슷한 껍질 모형(shell model)으로 기술할 수 있다.[4] 로런츠 선윤곽은 원자의 전자 천이에서도 똑같이 나타나지만, 원자의 전자 천이에서는 원자의 열적 운동에 따른 도플러 선폭증가에 의해 나타나는 가우스 선윤곽(Gaussian Profile, 정규분포의 확률밀도함수와 형태가 같다)이 훨씬 크기 때문에 불확적성 원리에 따른 로런츠 선윤곽은 보통 무시할 수 있다.[5] 그래서 그런지 알파 붕괴나 베타 붕괴라는 말은 자주 쓰지만 감마 붕괴라는 말은 잘 쓰지 않는다. 감마선만 단독으로 방출하는 과정에서 원자핵은 붕괴 안 하니까...[6] 과다하게 조사할 경우 식품의 화학 조성이 변화하여 맛이 변질되거나 포장이 변성될 가능성이 있다.[7] 이를 Half-Value Layer, HVL이라고 부르며 각각의 물질마다 고유한 값을 가진다. 화강암의 경우는 4.2cm, 콘크리트는 6cm. 흙의 경우는 9cm.[8] 마블 세계관 창조주 원 어보브 올의 다른 일면이다. 원 빌로우 올의 지옥에는 죽은 감마인들이 녹색 문을 통해 오게 되며, 다시 녹색 문으로 나가면 부활하게 된다. 원래는 부활 후에는 지옥에서의 기억을 잃게 되나 이모털 헐크 시점에서 주요 인물들이 이 문의 존재를 눈치채고 지옥과 현세를 오가게 된다. 혹은 흔치 않은 일이지만 녹색 문에서 나온 악마나 다른 죽은 감마인에게 몸을 빼앗길 수도 있다.[9] 마지막 1발은 발사되자마자 아스란 자라가 제네시스 내부에서 저스티스 건담을 자폭시켜서 불발로 그쳤다. 뭐, 발사되면서 프로비던스 건담을 홀라당 태워먹었으니 반은 성공일지도 모른다.