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동위원소검사 강의 2

2. 원자력의 기초와 이용

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원자력의 기초와 이용 1. 원자의 성질 1). 원자는 중심에 +전하를 띤 원자핵과 그 주위에 -전하를 띤 전자로 구성. ①. 원자핵은(+)전하를 띤 양성자 와 전하를 띠지 않은 중성자로 구성. ②. 원자핵주위 전자가 분포함 (-전하 띔) 2). 원자의 구성입자 : 핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 구성 3).원자의 크기 ①. 원자의 지름 약 10-10 m ②. 원자핵의 반지름은 약 10-15 ∼10-14m ③. 원자핵의 부피는 원자전체 부피의 1/1012 해당.

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4). 원자를 구성하고 있는 입자의 종류

입자 기호 상대 전하 질량수 관련 특성

핵 양성자 P + 1 1 원자번호 결정

중성자 n 0 1 동위원소

전자 e- -1 1/1836 화학적 성질 결정

5).질량수 : 원자핵은 원자에서 아주 작은 공간을 차지 질량은 원자전체 질량의 대부분을 차지한다. 양성자의 질량은 중성자의 질량과 같고 전자의 질량은 양성자질량의 1/1836에 해당함 ①. 원자번호(원자핵 속의 양자 수) = 양성자 수 = 전자 수 ②. 질량수 = 양성자 수 + 중성자 수

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6). 원자의 전하 ①. 원자핵 내부에 있는 양성자는 +1의 상대전하를 갖음 ②. 전자는 -1의 상대전하를 갖음 ③. 중성자는 0 의 상대전하를 갖음 특징: 원자는 전체적으로 중성물질. 양성자수와 전자 수는 항상 동일, 양성자수와 중성자수는 동일하지 않다 7) 원자량 질량수 12인 탄소를 기준해서 다른 원소들의 질량을 상대적으로 정한 값 8) 동위원소(isotope) : 원자번호(=양성자수)는 동일, 질량수(중성자수)다른 원소. 모든 동위원소는 둘 이상의 동위원소를 갖고 있다 ex). 수소, 중수소, 삼중수소 (1) 동위원소(isotope)의 성질 ; 화학적 성질, 모양, 원자의 크기 등은 같으나 물리적 성질 즉 질량이 다르다. 동위원소는 지구상의 어디에서나 그 존재 비율이 일정하다.

.

(2) 동위원소(isotope)의 이용 ① 음식물의 보관 : 방사선을 쬐어 식품을 장기간 저장하거나 부패를 방지한다. ② 비파괴 검사 : 코발트(60Co)나 이리듐(192Ir)등의 방사성 동위 원소는 산업 부분 에서 용접부분의 결함을 찾거나 제품의 두께를 정확히 측정하는 장치 등으로 널 리 이용한다. ③ 추적자(tracer) 실험 : 화학공장의 반응 탑 내부에 방사성 동위 원소가 포함된 원료를 섞어 넣으면 원료의 혼합 상태나 제조과정에서의 이동 상황을 효과적 으로 추적할 수 있다. ④ 생체 내에서 미량의 방사성 동위 원소를 보통의 원소에 섞어서 넣고 사진을 통해 그 행방을 추적하여 물질 대사에 작용을 조사할 수 있다. ⑤ 폐기물 처리 : 방사선 원소에서 나오는 감마선을 이용하여 연구실의 폐기물을 멸균하거나, 가정 쓰레기와 하수 처리, 독성 화합물의 성분을 파괴하는 데 이용. ⑥ 연대 측정 : 고고학상의 자료, 미술공예품의 감정 등에 이용.

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9). 핵종 (Nuclide) – 핵 내의 양성자수와 중성자에 의해 분류된 원자. 양성자와 중성자의 수에 의해 특징지어지는 개개의 원자핵. 질량수(A)와 원자번호(Z)를 함수로 결정되는 원자핵의 종류.

방사성핵종 (Radionuclide)

핵종들 중에서 불안정하여 붕괴하는 핵종

동위원소 (Isotope) 원자번호(Z)는 같으나 중성자수(N)질량수(A) 다른 원소.

방사성동위원소 (Radioisotope)

동위원소 중 핵이 불안정하여 방사선을 방출하는 원소. 외부요인과 관계없이 스스로 다른 종류의 원자핵으로 붕괴되어가는 원소

동중(체)원소 (Isobar)

질량수(양성자수와 중성자수의 합)는 같고 양자수(Z)와 중성자수(N)가 다른 원소

동중성자(체)원소 (Isotone)

중성자수(N)는 같으나 양자수가 다른 핵종 원자번호, 질량수, 화학적 성질이 다르다

핵이성체 (Isomer)

같은 질량수와 원자번호를 가지는 2개 이상의 핵종중 하나를 말하며 핵에너지 준위만 다르다.

핵종의 종류

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※. 핵종의 종류 비교

Z (양성자수)

N (중성자 수)

A (질량수)

EX

동위원소 (isotope)

같음 =

다름 ≠

다름 ≠

동중체 (isobar)

다름 ≠

다름 ≠

같음 =

동중성자체 다름 ≠

같음 =

다름 ≠

핵이성체

같음 =

같음 =

같음 =

핵종 : 양자와 중성자의 수와 에너지 준위로 규정되는 개개의 원자핵을 의미

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10). 안정한 핵종 핵의 안정성은 중성자(N)/양자(P)의 비(ratio)로 알 수 있다. 가벼운 핵종의 경우에는 N/P의 비가 1이 되므로 안정 하나 처럼 N/P=3/2=1.5비가 1.5이상일 때는 불안정하다. 12C의 경우 Z=6, N=6으로 안정하나 중성자(N)가 2개 증가하면 14C로 불안정하여 β-ray를 방출한다 질량이 큰 원소 은 양자수에 비해 중성자의 수가 50%가 많은 N/P비가 1.5이상이 되므로 쉽게 불안정해진다.

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11). 핵종의 표기

X ; 원소이름 A ; 질량수 (원자량 = 양자+중성자) Z ; 원자번호 (원자핵을 구성하는 양성자수 or 전자수) N ; 원자핵을 구성하는 중성자 수 (A-Z)

중성자 수N 는 A=Z+N에서 N=A-Z에서 알 수 있듯이 생략할 때가 많다

(수소--1)

(탄소--12)

(우라늄--235)

X A

Z N

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2. 방사선(radiation) 방사선(radiation)이란 : 원자량이 매우 큰 원소(U. 원자번호92)는 핵이 무거워서 스스로 붕괴한다. 붕괴해서 다른 원소로 바뀔 때 몇 가지 입자나 전자기파를 방출하는 것 방사능(radioactivity) : 방사선을 내놓는 능력을 말한다 . 방사선 ; α선, β선, γ선, ×선, 중성자선 등 입자선 ; α선, β선, 중성자선 전자기파 ; γ선, ×선 ※. 방사선의 발생(Radioactive rays ) a. 자연방사선 우주선(Cosmic rays), 지각방사선(Radiation from soil and Rocks) 라돈과 라돈자손(Radon and its progeny) 인체내부의 자연방사선 : 음식물에 함유된 소량의 방사성핵종에 기인 자연방사선의 준위가 높은 지역 : 토양 속에 함유된 방사성 광물의 농도 b. 인공방사선 의학용이나 연구산업용으로 쓰기 위해 인공적으로 만들어 낸 방사선 성질이나 영향은 자연방사선과 같다. c. 산업체 발생 방사선 지구상에 존재하는 모든 생물은 끊임없이 자연방사선에 노출되며, 그 양은 사람을 기준으로 할 때 1인당 연간 2.4밀리시버트 정도.

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1). 방사선의 작용(형광, 사진, 전리, 투과, 화학) (1). 형광작용(특정물질에 빛을 조사하면 특이한 빛을 발생하는 현상) 물질에 방사선을 조사하면 방사선에 의해서 여기된 원자나 분자가 여분의 에너지를 빛의 형태로 방출하는(발광하는)경우가 있다. 들뜬 상태에서 정상 상태로 돌아가기 위해 방출하는 빛을 이용 형광 : 물질이 내부의 에너지를 빛으로 방출할 때 내는 빛 Scintillation : 방사선조사에 의한 경우에는 이 형광을 이르는 말 Scintillation counter : 형광작용을 이용한 시료의 감마선 측정 (2). 사진작용(감광작용) 방사선을 사진 필름, 사진건판에 조사후 현상하면 방사선을 쪼인 부분이 검게 나타나는데 검은 정도를 광도계로 측정하면 조사된 방사선의 양을 알 수 있다.

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(3). 전리작용 방사선을 조사하면 물질을 구성하고 있는 원자의 전자는 핵의 쿨롱력을 배제하고 빼내어 궤도밖으로 끌어내는 2차 전자를 방출하는 현상 (4). 투과작용 방사선은 에너지를 가지고 있고 물질을 통과하는 강한 투과력이 있으며 파장이 짧을수록 강하다. 물질 통과시 방사선 에너지는 물질 속에 흡수되어 점점 줄어들며 이는 방사선의 종류, 에너지 크기, 통과물질의 종류에 따라 다르다. (5). 화학작용 전리 또는 들뜸 현상이 일어나면 활성화되므로 즉시 화학적 변화가 일어 나는 경우가 있다. 고분자 공업에서 재질경화, 반응촉진 등에 이용한다.

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3. 방사성동위원소(Radioisotope ; RI) 원자핵 중에 에너지 상태가 불안정하여 에너지의 일부를 방사선으로 방출하여 안정된 상태로 이행하는 경향이 있는데 이같은 성질을 방사성(radioactive)이라 하며 이런 성질을 가진 동위원소 압력, 온도, 화학적 처리 등 외부 조건에 관계 없이 원자핵이 스스로 방사선을 방출하여 다른 종류로 변환한다. 특징 : 방사선(α선,β선,γ선)을 방출하면서 일정한 속도로 붕괴, 화학적 성질은 보통원소와 같고 생체 속에서도 같은 양상으로 대사되므로 이 특징을 이용하여 대사의 연구, 질병 진단에 널리 사용되며 또 신체내의 특정장기에 축적된 방사선동위원소에서의 방사선이 각종 질병의 치료에 이용된다. 자연에 존재하는 방사성 동위원소; 우라늄, 토륨, 라듐, 칼륨 등 70 여종 원자로, 가속기를 이용 인공적으로 만들어 내는 방사성동위원소; 2,000여종 이상

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1). 방사성 붕괴(Decay) 방사능(activity) : 원자핵이 방사선을 방출. 다른 종류의 원자핵으로 변환하는 성질 붕괴(Decay) : 방사성 원소가 핵분열에 의하여 α혹은 β입자를 방출하여 모원소가 새로운 원소로 변환되는 현상. 방사능은 불안정한 원자핵의 붕괴 때문에 생기는 것이므로 불안정한 원자핵의 수가 많을수록 강하다. 방사능은 불안정한 원자핵의 수에 비례한다.

붕괴방식 붕괴내용 양자 중성자 질량수

α 붕괴 핵 방출 -2 -2 -4

β붕괴 β- 붕괴 음전자(electron: e-)방출 +1 -1 0

β+ 붕괴 양전자(positron: e+)방출 -1 +1 0

전자포획(EC) 궤도전자를 핵내로 흡수 -1 +1 0

핵이성체전이(IT) γ선 방출 0 0 0

내부전환(IC) γ선 방출, X선 방출 0 0 0

γ선 방출 광자방출로 붕괴 후 감마선 방출 0 0 0

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(1). 알파(α)붕괴 (Alpha decay) α선이 방출되면 본래의 원자핵보다 양성자와 중성자가 각각 2개씩 감소된 원자핵이 남게되어 원자번호가 2개 감소하는 동시에 질량수 4가 감소하는 붕괴형식

A X

α A-4 Y +

4 H

Z Z-2 2

(2). 베타(β) 붕괴 원자핵에서 전자가 방출, 별개의 원자핵으로 변하는 과정 ①. 베타(β-) 붕괴 (음전자 붕괴) 중성자가 양성자로 변환하여 고속의 음전자가 방출되는 붕괴형식 이 때 방출되는 음전자를 β-선 이라고 한다.

A X

β- A Y + ν(중성미립자)

Z Z+1

3 H

β- 3 He (Z+1, n-1) 1 2

②. 양전자 (β+)붕괴 원자핵에서 양성자가 양전자를 방출하여 중성자로 변환하는 붕괴형식.

P → n + e + (β+) + ν(중성미립자) 14

O β+ 14

N (Z-1, N+1) 8 7

③. 원자핵의 궤도전자 포획 (EC, electron capture)

원자핵에 있는 양성자가 궤도전자를 포획, 중성자로 변환하는 붕괴형식

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(3).감마선 방출 핵붕괴 후에도 원자핵이 들뜬 상태에 있는 경우 대부분은 짧은 시간 내에 여분의 에너지를 전자파로 방출하고 안정상태로 돌아간다. 들뜬 원자핵에서 방출되는 전자파를 γ선(gamma ray)이라 한다. 원자핵에 기인하는 것이 γ선이며 핵 외에서 기인하는 것이 X선이다. γ선은 X선보다 일반적으로 에너지가 높기 때문에 투과력이 강하여 비파괴검사 등에 이용되며 GM계수관, 신틸레이션카운터, 전리함 등에 의해 검출된다 γ선은 방출되어도 핵변환이 일어나지 않기 때문에 γ붕괴라는 말은 사용하지 않고 그 대신에 γ선 방출이라고 한다. 들뜬 상태에 있는 원자핵이 γ선을 방출하는 대신 여분의 에너지를 궤도전자에 주므로 궤도전자가 원자 외부로 탈출하는 경우가 있다. 이와 같은 현상을 내부전환(internal conversion)이라고 하며, 이때 방출된 전자를 내부전환전자라고 한다.

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①. 핵이성체 전이 (IT, isomeric transition) 원자핵이 붕괴된 다음에도 들뜬 상태로 비교적 긴 시간 동안 머물고 있는 경우가 있는데 들뜬 상태가 오랫동안 지속되는 원자핵을 핵이성체(nuclear isomer)라고 한다. 핵이성체는 안정한 핵과 구별하기 위하여 질량수 다음에 m(metastable)을 붙여서 표기하는데, 예를 들면 99mTc와 같이 표시 핵이성체도 고유의 반감기를 갖고 있으며, γ선을 방출하여 안정상태에 도달한다. 이런 현상을 핵이성체전이(IT, isomeric transition)라고 한다

②. γ선의 내부전환 (internal conversion ; IC) 여기상태에 있는 원자핵이 기저상태로 전이될 때 γ선을 방출하는 대신 에너지를 궤도전자에 주어 전자를 원자외로 방출시키는 경우. 이때 방출된 전자를 내부전환전자(ICE)라 한다.

4.8MeV 1.71MeV

α1

α2

0.2MeV

0

r

+

2). 붕괴도식 (Decay schemes)

+

라듐에서 알파방출에 의한 라돈으로 붕괴

+ +

+ +

붕괴도식 기호 평행성(—) ; 핵의 에너지 상태를 표시 오른쪽 화살표(↘) ; 원자번호의 증가 (β- 붕괴) 왼쪽 방향 화살표( ↙); 원자번호감소의 붕괴(α,β+, Electron capture 붕괴) 화살표 아래쪽 방향(↓) ; 원자번호의 변화가 없을 경우 (γ붕괴, 핵이상체전이: IT) 붕괴도식으로 알 수 있는 사항 핵종의 종류, 핵종의 붕괴 종류 , 각종 방사선의 붕괴 방식과 그 비율, 방출 강도 및 에너지 준위

인에서 베타방출에 의한 황으로 붕괴

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3). 반감기(half life) 방사성동위원소의 원자집단에서, 방사성 원자수는 시간이 경과함에 따라 감소하게된다. 원자수가 처음의 반이 되는 시간 방사능은 원자수에 비례하므로 원자수의 반감기 = 방사능의 반감기 반감기는 방사성동위원소에 대하여 고유한 것으로 온도, 압력 같은 외계의 영향을 받지 않는다. 238U이나, 40K와 같이 수십억 년 이상, 100만분의 1초 이하의 짧은 것 까지 있다. 1Ci의 방사성동위원소는 1반감기 후에는 1/2Ci 2반감기 후에는 1/4Ci 3반감기 후에는 1/8Ci로 된다.

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4). 방사성 동위원소의 반감기계산

한 핵이 단위시간에 붕괴할 확률 즉 붕괴상수(decay constant)를 λ. 원자핵의 붕괴 시에 어떤 시간 t에 N(t)개의 핵이 있을 때 그 집단내의 원자핵(N개)이 단위시간(dt)에 붕괴하는 원자핵의 수(dn)은 존재하는 원자수에 비례한다. 시간 (dt) 에 핵은 λN(t)개가 붕괴할 것이다. 따라서 N(t)는 다음 방정식 -dn=λNdt , dn/dt = -λN ………… (1) (λ: decay constant) (1)에서 dn/N = - λdt, 적분하면 InN = -λt + C …… (2) t = 0에서 N0개의 원자핵이 있다면, InN0 = C……… (3) (3)→(2) ; In N = -λt + In N0, In(N/N0) = -λt, N = N0e-λt……(4) N0 : 시간 t=0일 때 존재하는 어미 핵종의 수, e : 자연정수(=2.7183) (4)식을 방사능의 세기 A로 나타내면, A = A0e-λt *반감기(Half Life, T) ; 방사성핵종의 원자수(방사능)가 반감하는 시간 N = N0/2 혹은 A = A0/2이 되는 시간 (4)식에 N = N0/2, t = T를 대입하면, N0/2 = N0e-λT, In(1/2) = -λT,

T(반감기) = = (5)

0.693

λ λ2ln

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-dn=λNdt , dn/dt = -λN ………… (1) (λ: decay constant)

λ는 단순한 비례상수가 아니고 단위시간당 붕괴확률을 나타내므로 붕괴상수라 한다. 붕괴상수가 클수록 반감기는 짧고 반감기가 길수록 붕괴상수는 작다. 같은 방사성물질이지만 반감기가 짧은 핵종이 방사능의 세기가 강하다. 경과시간 t가 반감기 T의 정수배 인 경우 방사능의 세기 N=N0

dtdΝΝ

−=λ

Tt

)21(

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예제) . 반감기(half life)의 계산

ex1). 120 mCi의 방사선인 32P (반감기 14일)은 28일 후에 몇 mCi로 되는가? 28일= 2반감기

120 mCi → (14일) 60mCi → (28일) 30 mCi 120 mCi ×1/22 = 30 mCi

ex2). 현재 100mCi인 방사성 물질 (반감기 8일)이 32일 후에는 몇 mCi로 되는가?

100mCi →(8일) 50mCi →(8일) 25mCi →(8일) 12.5mCi →(8일) 6.25mCi 100 mCi ×1/24 = 6.25mCi

ex3). 구입하였을 때 100Ci였던 60Co는 7.8년 후에 몇 Ci가 될 것인가? (60Ci의 반감기는 5.2년이다) 경과시간 t가 반감기 T의 정수배 이므로 N=N0(1/2)t/T

100X(1/2)7.8/5.2 =100X(1/2)3/2 100X0.353=35.3Ci

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5). 반감기 종류

(1). 물리적 반감기 (Physical half life : Tp ) 방사성동위원소가 붕괴되어 반으로 되는데 걸리는 시간으로 보통 화학반응과는

달리 온도나 압력에 관계없이 진행된다. Tp1/2 = 0.693/λ (λ ; 붕괴상수) (2). 생물학적 반감기 (biological half life ; Tb1/2) 어떤 방사성동위원소가 흡입 및 섭취되어 체내에 들어온 경우 정상적인 생리학

적인 기전(신진대사, 배설)을 통하여 감소되는데 처음 들어온 양의 반으로 줄어들 때까지 걸리는 시간을 말한다.

(3). 유효 반감기 (effective half life ; Te1/2) 어떤 방사성동위원소가 체내에 들어와서 붕괴(radioactive decay)와 생물학적인 배설(biological elimination)에 의한 손실등으로 인하여 반으 로 줄어드는데 걸리는 시간을 유효반감기라 한다

1

2

유효반감기= 생물학적인 반감기 X 물리적반감기

생물학적인 반감기 + 물리적 반감기

T, Tb, Te와의 관계 : 1/Te = 1/T + 1/Tb ⇒ Te = Tp x Tb / Tp + Tb ex). 131I의 물리적 반감기가 8일, 생물학적 반감기가 138일 일 경우 유효반감기는? Teff = Tp x Tb / Tp + Tb = 8×138 / 8+138 = 7.56days

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(4). 평균수명 (mean life) 방사성핵종은 이론상 무한대 시간 존재하기 때문에 각 방사성핵종의 수명에 대하여 통계적 평균수명을 사용하기도 한다. τ=1÷λ=1÷ =1.44T 최초 원자수가 36.8 %로 감소하는 시간이다. 체내의 방사성핵종에 의한 피폭선량이나 방사성 폐기물에 대한 발열량 계산에 사용된다.

T

0.693

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※. 각종 방사성동위원소의 반감기

구분 H C Cr Co Fe P Tc I I Xe

원자번호 1 6 24 27 26 15 43 53 53 64

원자량 (질량수)

3 14 51 57 59 32 99 125 131 133

물리적 반감기

12.26y

5730y 27.8d

271d

45d 14.3d 6.0h 60.1d

8.04d

5.27d

생물학적 반감기

19d 35d - - - 1200

d - 138d 138d -

유효 반감기

19d 35d - - - 14d - 7.6d 7.6d -

방출 방사선

β-,γ β- γ EC β,γ β γ EC,γ β,γ β,γ

용도 수용체검사

결핵균검사

적혈구수명

실링검사

철대사측정

치료 장기 스캔

RIA 갑상선

폐 기능

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3. 방사선과 물질의 상호작용

"방사선"이란 ? 불안정한 방사성 핵종이 좀 더 안정한 핵종으로 변환될 때 방출되는 입자나 전자파의 형태를 갖고 있는 에너지의 집합체. 어떤 매질을 직접 또는 간접으로 전리 시킬 수 있는 에너지의 흐름. 1). 방사선의 종류 알파선, 중양자선, 양자선, 베타선, 중성자선, 감마선 및 엑스선, 1Mev이상의 에너지를 가진 전자선. - 직접 전리방사선 물질을 직접 전리하는 능력이 있는 방사선.(알파, 양자선) - 간접 전리방사선 물질을 직접 전리하는 능력은 없으나 물질과의 상호작용(광전효과, 컴퓨턴효과, 전자쌍생성)에 의해 간접적으로 물질을 전리하는 능력을 가진 방사선.(엑스선, 감마선)

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분류 종류 특성

직접전리 방사선 (하전입자)

α ray 입자방사선 4He핵의 흐름

β+ ray p→n+ β+ + ν

β- ray n→p+ β- + ν

전자선 전자의 흐름

간접전리 방사선 (비하전입자)

γ ray 전자파방사선 원자핵이 방출하는 전자파

X ray 핵의 궤도전자에서 방출하는 전자파

중성자, 양성자 입자방사선 핵의 입자선의 흐름

방사선의 종류와 특성

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2). 방사선의 특징 ①. 방사능은 5감으로 느낄 수 없음.(간접적인 수단을 통해 검출) ②. 방사능은 인위적으로 소멸시킬 수 없음. (방사성 물질의 시간적 고유붕괴존재) ③. 질량이 소량일지라도 강력한 방사선을 방출하는 경우가 많음. ④. 방사성 물질이 한 번 체내에 들어가면 신체조직에 침착하여 자연 배설은 일반적으로 곤란. ⑤. 방사성 장해는 신체적 영향 및 유전적 영향이 있는 것과 동시에 장해발생 원인 과 인과관계가 명확치 못한 경우가 많음.

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3). 알파선의 특성 -. 알파선 : 중성자/양자 비가 극히 적을 때 방사성 동위원소로부터 방출되는 고에너지의 He핵. - U-235, U-238, Ra-226, Th-230과 같이 무거운 방사성핵이 붕괴, 방출. - 헬륨의 원자핵과 같은 방사선(He+2) - +2e의 전하를 가지며 질량은 4amu (automic mass unit, u) - α선을 내는 원소는 대개 중금속이므로 그 자체의 화학적 독성도 큼. 빠른 속도로 방사성 원자핵에서 방출. 에너지는 강하나 무겁기 때문에 이동거리가 짧고 종이 한 장으로도 차폐가능. - α입자를 방출하면 모핵종은 질량이 4amu 감소하고 원자번호는 2감 체내에 흡수되면 비 전리능이 커서 국부피폭의 문제 발생. α선의 작용 α선은 일정한 에너지를 가지며 물질속을 통과할 때 전리 및 여기작용에 의해 에너

지를 잃는다. α선은 직선적으로 움직이며, 질량이 크기 때문에 투과력이 대단히 작다.

알파입자는 질량이 전자에 비해 매우 크므로 물질 중 궤도전자와의 상호작용에서 진행방향이 굴절되지 않고 대부분 직진한다.

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4). β선의 특성 핵내부, 양자가 중성자로 중성자가 양자로 전환, 방출 되는 전자의 흐름. - 본질이 전자, 광속도의 98%정도의 속도를 가짐. - α입자보다 약 500배 정도 투과력이 큼. 베타붕괴시 원자번호가 1증가 또는 감소. - 외부피폭, 특히 피부의 장해 발생 가능성이 있음. 빠른 전자의 흐름이며, 물질 속을 통과할 때 전리 및 여기작용에 의해 에너지를 잃으며,원자핵 부근을 통과할 때는 제동복사(Bremsstrahlung) 에 의하여 에너지를 잃는다. 큰 에너지를 가진 β입자는 용액 속에서 입자속도가 광속도 보다 클 때 전자파를 방출 한다. 이 전자파를 체렌코브 방사선(Cerenkov's radiation) 이라 한다. ex). 원자로 핵연료 주변에서 볼 수 있는 방사선 β선은 원자핵과의 충돌에 의하여 탄성산란(elastic scattering)이 발생 β선의 에너지는 연속스펙트럼을 가진다.

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5). 감마선 :α붕괴 또는 β붕괴한 후 원자핵이 여기 상태면 파장이 짧은 전자파인 감마선이 방출되어 기저상태로 떨어지는 현상으로 감마선이 방출되어도 원자핵 종류가 변화하지 않기 때문에 감마붕괴라는 말은 사용하지 않고 감마선 방출이라고 함. -불안정한 원자핵에서 나오는 전자파의 일종, -파장이 매우 짧고 높은 에너지를 갖는 전자파. -자체는 전리작용을 일으키지 않으나 간접적 물질을 전리시키는 간접전리 방사선. - 질량도 없고 전하를 띠지 않고 있음. - α, β입자의 방출 후에 나타나거나 또는 동시에 나타남. -높은 에너지를 갖고 있기 때문에 납과 같은 밀도가 높은 물질을 사용하여 차폐. - 투과력이 큼. 빛의 속도로 직진.

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구 분 알 파 베 타 감 마 중 성 자

기 호 α β γ n

물리적 상태

헬륨원자핵의 흐름

전자의 흐름 전자기파 중성자의 흐름

차폐체 종 이 합판,고무,유리,알루미늄 등의 경금속

납,콘크리트 등의 중금속

물,파라핀, 콘크리트

무게 (무게비)

무거운 입자 4amu

가벼운 입자 1/1840amu

무게 없음 0

α,β의 중간 1amu

피폭유발 부위

체내피폭 피부 및 눈의 수정체

피부,눈의수정체 및 전신

피부,눈의 수정체 및 전신

방사선 가중치

20 1 1 5

기 타 선 스펙트럼 연속 스펙트럼2개의 소멸방사선

불안정하여 반감기(11.7 분)에 따라 붕괴하면서 베타선을 방출, 양자가 됨

※. 방사선의 종류별 특징

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※. 용어(Terms) 방사선(Radiation) : 방사성 물질로부터 방출되는 입자 및 전자파 사용단위; C/kg, Gy(gray), Sv(sievert)

방사능(Radioactivity) : 방사성 물질의 원자핵이 단위 시간당 붕괴되는 수 사용 단위; dps(disintergration per second), Bq(becquerel), sec-1

방사성(Radioactive) : 방사성 물질의 특성을 나타내는 것으로 방사성 오염, 방사성 물질, 방사성동위원소등으로 사용할 수 있다. 그러나 밀봉된 방사성 물질에 의해 방출하는 방사선 만이 존재하고 오염이 발생되지 않는 구역은 “방사성 구역”이 아니고 “방사선 구역” 으로 표현해야 한다. 유도공기 중 농도 : 방사선 작업자가 1년 동안 섭취할 경우 피폭방사선량이 한도선량에 이를 것으로 보이는 방사능의 양으로서 과기부 장관이 정하는 값에 의한다.

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4. 방사선 단위 1). 방사능 방사성동위원소가 다른 원소로 핵 변환하는 과정에서 이온화 방사선을 방출하는 물리적인 능력. 방사성동위원소의 단위시간당 붕괴되는 원자수 (불안정한 핵이 방사선을 방출, 안정한 핵으로 변하는 성질) ①. Bq(베크렐) : 매초에 원자가 한 개씩 붕괴하는 원자의 수 국제단위(SI)로 1초당 1개의 방사선을 방출할 때 세기 1Bq = 1dps (disintergration per second)= sec-1 ②. 큐리(Ci):실용적 단위로 226Ra 1g 의 방사능(1초당 방사성원자의붕괴수) 1 Ci = 3.7× 1010 dps (disintergration per second), [Bq=dps] = 3.7× 1010 Bq ③. dps (disintergration per second) : 원자핵의 1초당 붕괴수 ④. sec-1 : 국제단위 (SI : The International System of Units) SI의 단위 : Becqueral(Bq) = 1dps = 2.7 × 10-11Ci 1 mCi = 37 megaBq

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2) .조사선량(exposure dose) 선량; 방사선이 물질(생체를 포함)에 흡수 영향으로 일어나는 장해와 화학작용 등 을 일으킬 때 사용되는 개념 1956년 국제 방사선 단위 위원회(ICRU)에 의해 도입된 개념 정의 : 어떤 측정지점에서 광자에 의해 매질을 이온화시킬 수 있는 능력을 나타내는 방사선의 세기. X선이나 γ선의 공기에 대한 전자(電磁) 능력 X선이나 γ선에 의해 공기 단위질량당 생성된 전하량 공기 중에서 방사선의 노출량을 측정하는 단위 표준상태의 공기 1kg중에 2.58×10-4C/kg의 전기량을 일으키는 X선이나 γ선의 선량을 1Roentgen이라 한다. 단위 : C/kg. 1R(Roentgen)= 2.58×10-4C/kg

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(1). 조사선량률(exposure rate) 단위 시간당 발생한 조사선량의 변화를 말하며 C/kg•s, C/kg•h등이 이용 조사선량률 = Γδ ×A / r2

Γδ : 감마상수 A : 방사능, r : 거리 (2). 감마상수 ( 조사선량률 상수 : Γδ ) 방사능 1mCi의 점선원으로부터 거리 1cm의 거리에서 1시간 동안 조사되는 조사

선량률(R/h)로 나타낸 것을 말한다 (3). 조사선량률 계산 ex). 200mCi의 선원 137Cs 으로부터 2m거리의 조사선량률은? (감마상수 3.3) 조사선량률 = Γδ ×A / r2 = 3.3 ×200/2002 = 0.165R/h = 16.5mR/h

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3).흡수선량 (Absorbed dose ) 어떤 물질이 방사선의 조사를 받은 결과, 그 물질의 단위질량당 흡수되는 에너지를 말한다. 흡수선량은 방사선의 물질에 미친 영향 정도를 나타내는 기초가 되는 선량으로 모든 방사선과 물질에 대해 적용된다. 단위 시간당 흡수선량을 흡수선량률이라 하고 단위는 Gy/s등이 이용된다. 단위 : 그레이(Gray; Gy), 종래의 사용단위: 라드(rad) 물질 1kg당 1J의 에너지가 흡수될 때의 흡수선량 조직 1Kg이 1 Joule의 에너지를 흡수했을 때 SI unit 단위 : 그레이(Gray, Gy) 1 Gy = 1 J/Kg = 100 rad(radiation absorbed dose)

1rad= 1

J/kg= 1

= 0.01 (Gy) 100 100

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4). 등가선량 (relative exposure) 인체가 방사선을 맞는 경우에는 같은 흡수선량일지라도 방사선의 종류와 에너지에 따라 인체에 미치는 영향이 다르다. 조건이 다른 방사선이 조사되었을 때 인체에 미치는 위험도를 동일한 척도로 평가 하기 위하여 도입된 선량이 등가선량이다. (등가선량=흡수선량×방사선 가중치).

방사선 종류

γ선 X선 β선

중성자 양성자

α입자

<10keV

10∼100keV 0.1∼2MeV 2∼20MeV >20MeV

방사선가중치 1.0 5 10 20 10 5 5 20

흡수선량 단위로 그레이(Gy)를 사용하면 등가선량의 단위는 시버트(sievert, Sv)로 표시되며, 흡수선량의 단위를 과거에 사용하던 라드(rad)로 표시하면 등가선량의 단위는 렘(rem)으로 표시된다 Sievert와 렘의 관계 1Sv=100rem

방사선 가중치

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5). 유효선량(effective dose) 인체의 각 조직에 나타나는 영향 평가 위해 도입 등가선량에 조직의 감수성을 나타내는 조직 가중치를 곱한 (유효선량=등가선량×조직가중치) 선량 단위로 등기선량과 마찬가지로 시버트를 사용한다

조직 가중치 조직 가중치 조직 가중치

생식선 0.2 방광 0.05 갑상선 0.05

적색골수 0.12 유방 0.05 피부 0.01

결장 0.12 간 0.05 뼈조직 0.01

폐, 위 0.12 식도 0.05 기타조직 0.05

조직가중치

6) 집단선량 다수의 사람이 피폭되는 경우그 집단의 개인피폭방사선량의 총합계 집단선량의 단위로는 맨•시버트(man•Sv)가 사용된다

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7) 예탁선량 예탁선량은 체내에 존재하는 방사성 핵종으로 인하여 그 사람이 일정기간 동안에 받게 되는 내부 피폭 방사선량. 예탁선량은 예탁등가선량이나 예탁유효선량으로 나타낼수 있으며 피폭을 고려하는 시간이 사전 지정되어 있지 아니할 경우에 일정기간은 성인에 대해서는 50년 아동에 대해서는 70년으로 한다.

8).선질계수(Q, QF ; Quality factor), 상대적 생물학적 효과비 (RBE ; Relative Biologic Effectiveness) ①. radiation-type에 따른 생물학적 효과를 상대적으로 비교, 수치 표현 ②. 1R에 X-ray 또는 γ-ray를 표준으로 하여 비교 ③. X-ray의 RBE=1, 중성자의 RBE = 10 X-ray 1 ray의 효과는 중성자 0.1rad의 효과는 같다. 즉, 중성자는 X선의 10배 효과

RBE = 생물학적 효과를 나타내는데 필요한 표준방사선의 조사량

같은 생물학적 효과를 나타내는데 필요한 시험 방사선의 조사량

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9) 선량당량 (Dose Equivalent ; H) Sievert(Sv) ; rem(rad[roentgen]equivalent mammal[man]) 1 roentgen의 X-ray,혹은 감마선을 인체조직이 흡수했을 때 사람 이나 포유류에서 나타나는 생물학적 효과와 동일한 효과를 나타내는 Ionizing radiation의 양 단위 rem = rad(Gy) × Q(선질계수) × N(수정계수) SI unit = sievet(Sv) = Gy × RBE = J․Kg-1 × RBE = 10-7erg/10-3 RBE = 102 rad × RBE = 100 rem

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※. 방사선 측정단위

선량 ; 방사선이 물질에 흡수 영향으로 일어나는 장해와 화학작용 등을 일으킬 때 사용되는 개념

1). 방사능

2). 조사선량 (C/kg , R)

3). 흡수선량 (Gy, Rad)

4). 등가선량 (Sv, Rem)= 흡수선량×방사선 가중치

5). 유효선량 (Sv) =등가선량×조직가중치

6). 집단선량 (man-Sv)

7). 예탁선량 (Sv)

8). 선질계수(Q, QF ; Quality factor)

9). 선량당량 (Dose Equivalent ; H)

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※. 방사선 관련 단위

항목 단위명 기호 정의 비고

조사선량 coulomb C/kg

공기 1kg중에 1쿨롱(Coulomb)의 이온을 만드는 γ(X)선의 양

SI단위

rontgen R 공기 1kg중에 2.58×10-4쿨롱의 에너지 흡수가 있을 때의 선량

1C/kg=3,876R

흡수선량 gray Gy 1kg당 1주울( joule)의 에너지 흡수가 있을 때의 선량

SI단위

rad rad 1kg당 1/100 주울의 에너지 흡수가 있을 때의 선량

1Gy=100rad

등가선량 sievert Sv 흡수선량(Gy)×방사선 가중치 SI단위

rem rem 흡수선량(rad)×방사선 가중치 1Sv=100rem

방사능 becqurerl Bq 1초간에 1개의 원자핵 붕괴 SI단위

큐리 Ci 1초간에 3.7×1010개의 붕괴 1Bq=2.7×10-11Ci

방사선의 에너지

전자볼트 eV 전자가 1volt의 전압으로 가속되어 얻게되는 운동에너지

1eV=1.6×10-19J

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방사선 관련 단위 환산

1). 렘(rem) → 시버트(Sv) 100rem = 1 Sv 10rem = 100mSv 1rem = 10mSv 100mrem = 1mSv 10mrem = 0.1mSv 1mrem = 0.01mSv

3). 큐리(Ci) → 베크렐(Bq) 1Ci = 37GBq 27pCi = 1Bq

2). 라드(rad) → 그레이(Gy) 100rad = 1Gy 10rad = 100mGy 1rad = 10mrad 100mrad = 1mGy 10mrad = 0.1mGy 1mrad = 0.01mGy

4).렌트겐(R) → 클롱/Kg(C/kg) 1R = 2.58 x 10-4C/kg 3.88 x 103R = 1C/kg

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※전리 방사선의 양과 단위

Quality SI unit tranditional unit conversion

exposure dose (조사선량)

C/Kg Roentgen(R) 1C/Kg=3.88×103R

absorbed dose (흡수선량)

Gray(Gy) rad 1 Gy=100rad

1 rad=0.01Gy

Dose equivalent (선량당량)

Sivert(Sv) rem 1 Sv=100rem

1 rem=0.01Sv

Radioactivity Becqueral(Bq) Curie(Ci) 1 Ci=3.7×1010Bq

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방사선의 이용

공업계측분야 Radiography 두께 계측

화학분석 형광 X선 분석 GAS chromatography 방사화학 분석

의료분야 X선에 의한 진단 체내 검사 체외검사 치료 방사성 의약품(형태, 순도, 반감기, 부작용, 멸균)

방사선 조사분야 화학공업분야 멸균 농산물 및 식품 조사

신약개발 유전공학 분야 품종개량 해충방제

연대측정

THE END

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