핵의학물리 4) 방사선과 물질의 상호작용

4) 방사선과 물질의 상호작용

(1) 하전입자와 물질의 상호작용

하전입자와 물질의 상호작용이라 함은 대전된 질량을 가진 입자가 빠른 속도로 움직이고 있을 떄 이 입자가 물질 내에서 물질과 어떻게 반응하는지에 대한 미시적인 작용을 말한다. 빠르게 운동하는 하전입자라 함은 일반적으로 방사성 붕괴의 결과로서 발생하는 알파입자와 베타입자를 말한다. 이들은 임의의 매질을 만나면 매질 내 물질들과 확률적인 상호작용을 일으키는데 이러한 상호작용은 상대적으로 입자가 크고 무거운 경우와 작고 가벼운 경우 서로 다르게 나타난다.

 

가. 중하전입자

상대적으로 크고 무거운 입자라는 것은 양성자, 중성자 또는 알파입자 등을 말한다. 이 중 방사성 붕괴에 의해서 생성될 수 있는 입자는 알파입자이다. 어떤 입자든 매질 내에서 진입하게 되면 매질 내 원자의 원자핵보다는 궤도전자와 탄성 또는 비탄성 충돌하게 된다.

 

알파입자는 매질 내 빠른 속도로 움직이면서 전자들과 충돌하며 에너지를 잃는다. 물론 자신보다 가벼운 물질들과의 충돌이지만 이런 충돌이 누적되다 보면 입자의 속도는 점차 줄어들게 되고 어느 시점에서 입자는 멈춰버리게 될 것이다. 또한 상대적으로 매우 가벼운 입자와의 충돌이기 때문에 알파입자의 경로는 직선에 가깝게 된다. 물론 러더퍼드의 실험에서 보이듯 매우 드물게 원자핵과 부딪히기도 하며 이때는 원자핵과 부딪힌 직후 경로가 크게는 180도 방향으로 되돌아오는 경우도 있다. 그러나 대체적으로 원자핵과 부딪힐 확률은 매우 낮으므로 알파입자의 매질 내 운동 경로는 직선으로 보는 것이 일반적이다. 매질 내 알파입자가 이동하며 잃는 에너지는 이동하는 거리에 따라 다른 양상을 보인다.

 

단위거리당 잃는 에너지는 입자가 매질 내 진입한 이후로 점점 커지는 양상을 보인다. 이렇게 점점 커지다가 어느 정도 싶이에 이르렀을 떄 최댓값이 되는데, 이 최댓값이 되는 지점에서 알파입자의 에너지를 가장 많이 잃는다. 즉 알파입자가 매질 내로 들어왔을 때 그 속도가 크면 상대적으로 적은 충돌을 하여 단위거리당 잃는 에너지는 작지만 점차 속도가 줄어들면 단위거리당 잃는 에너지는 커진다. 이것이 매우 급속도로 상승하게 되면 알파입자는 어느 순간 모든 운동에너지를 잃고 멈추게 된다. 이를 브래그 피크(Bragg peak)라고 하는데, 이는 중입자를 이용한 방사선 치료에서 매우 중요한 개념이다. 알파입자나 양성자를 이용한 치료에서 인체 내 암 조직의 깊이에서 가장 많은 에너지를 잃게끔 중입자를 가속시켜 주면 주변 조직의 손상을 최소화하며 암 조직을 선택적으로 파괴할 수 있다.

 

어느 정도 거리를 지난 후 상대적 검출 수는 급격히 줄어드는데 상대적으로 50%의 입자가 검출되는 지점을 평균 도달 거리(mean range)라고 한다.

 

나. 베타입자

앞서 보았듯이 입자가 매질 내를 이동할 떄 원자핵보다는 전자들과 충돌할 확률이 매우 큰데, 베타입자는 알파입자와는 다르게 입사되는 입자와 충돌하는 입자의 질량이 서로 같다. 입사된 전자가 매질 내 원자의 궤도 전자와 부딪히게 되면 질량이 동일한 입자와의 충돌이므로 전자는 궤도가 매우 크게 변하게 된다. 또한 궤도전자는 정지된 상태가 아니라서 운동에너지를 가지고 있기 때문에 입사된 전자를 90도 이상의 매우 큰 각도로 산란시키는 것도 가능하다. 이로 인해 전자의 매질 내 경로는 직선이 될 수 없고 충돌 후 전자의 경로가 크게 바뀌는 임의의 경로가 된다. 그러므로 베타입자의 경우 거리에 따른 상대적인 검출수를 보면 입사 직후부터 매우 빠른 속도로 감소하는 경향을 보인다.

 

알파입자와 베타입자의 평균적인 도달 거리를 비교하면 비록 알파입자가 직선으로 이동하기는 해도 베타입자의 도달 거리가 훨씬 길다. 일반적으로 원자핵으로부터 방출되는 알파선의 경우 체내에서 0.1 mm 이내, 베타선의 경우도 수 mm 밖에 움직일 수 없다.

 

(2) 광자와 물질의 상호작용

광자라 함은 전자기파 형태의 에너지를 말한다. 알파선이나 베타선 등과 같은 입자성 방사선과의 다른 점은 정지질량이 없다는 것과 빛의 속도로만 움직인다는 것이다. 입자성 방사선의 경우 속도는 방사선 입자의 운동에너지에 따라 달라지는 값이 되지만 광자는 에너지가 낮은 라디오파나 에너지가 매우 높은 감마선의 경우나 모두 동일하게 빛의 속도로 움직인다. 이들의 에너지 차이를 보여주는 인자는 진동수로 진동수는 광자의 에너지와 정비례한다.

 

광자의 에너지가 가시광선 이하로 낮은 경우, 광자들은 물질과 부딪히면 열에너지 형태로 흡수되거나 표면에 반사된다. 그러나 광자의 에너지가 자외선 이상의 높은 에너지일 때는 원자 수준에서 보았을 떄 원자의 상태를 변화시키기도 한다. 이 경우 광자와 물질과의 상호작용을 다음과 같이 크게 3가지 경우로 나누어서 설명할 수 있다.

1. 광전효과(Photoelectric Effect)
2. 컴프턴 산란(Compton Scattering)
3. 쌍생성(Pair Production)

 

가. 광전효과(Photoelectric Effect)

비교적 낮은 에너지 영역의 광자에서는 광전효과가 발생한다. 광전효과란 매질 내 운동하는 광자가 원자의 외곽 전자와 부딪혔을 때 생기는 현상으로, 외곽 전자가 광자의 모든 에너지를 흡수하고 원자의 궤도를 벗어나 자유전자가 되는 경우를 말한다. 이때 원자는 이온화되었다고 한다.

나. 컴프턴 산란(Compton Scattering)

광전효과를 일으킬 수 있는 광자의 에너지보다 조금 더 높은 에너지 영역에서는 컴프턴 산란이 일어날 수 있다. 컴프턴 산란은 광전효과와 마찬가지로 매질 내에서 이동하는 광자가 원자의 궤도전자와 충돌하였을 때 일어나는 현상이다. 광전효과에서는 광자가 자신의 모든 에너지를 전자에게 넘겨주고 자신은 소멸되지만, 컴프턴 산란에서는 광자의 에너지 중 일부만을 전자에게 넘겨주고 자신은 에너지가 낮은 광자의 형태로 방출된다. 에너지가 낮은 형태의 광자라고 하는 것은 진동수가 낮아진(파장이 길어진) 광자를 의미한다.

 

다. 쌍생성(Pair Production)

컴프턴 산란을 일으킬 수 있는 광자보다 더 높은 에너지를 갖는 광자(더 정확히는 1.022 MeV보다 높은 광자)는 쌍생성을 일으킬 수 있다. 쌍생성은 쌍소멸의 역과정이라고 볼 수 있다. 쌍소멸은 질량을 갖는 전자와 양전자가 만나 소멸하면서 그 질량에 해당하는 만큼의 광자를 발생시키는 현상인데, 쌍생성은 1.022 MeV(전자 두 개 만큼의 정지질량 에너지) 이상의 광자가 원자핵 주위를 지나면서 전자와 양전자를 발생시키는 현상이다. 정지질량이 없던 광자가 정지질량을 갖는 두 개의 입자로 변환되면서 정지질량의 에너지에 해당하는 1.022 MeV를 질량으로 변환하고 그 나머지 에너지는 생성된 전자, 양전자의 운동에너지로 변환된다.