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| 방사선 주의 표시[1] | 2010년 개정된 이온화 방사선 주의 표시 |
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1. 개요
| 원자력안전법 제2조(정의) 이 법에서 사용하는 용어의 뜻은 다음과 같다. 7. "방사선"이란 전자파 또는 입자선 중 직접 또는 간접으로 공기를 전리(電離)하는 능력을 가진 것으로서 대통령령으로 정하는 것을 말한다. (후략) |
우리가 흔히 아는 자외선, 가시광선, 적외선, 전파 등도 넓은 범위의 방사선의 범주에 포함된다. 인체에 직접적으로 전리(電離, 원자나 분자를 이온화시키는 것)로 인한 해를 주지 않는(즉, 세포나 분자를 파괴하지 않는) 방사선은 비전리 방사선이라고 하며, 흔히 아는 알파, 베타, 감마, X선은 전리 방사선이라고 한다. 휴대전화, 노트북, 기타 가전제품에서 나오는 전자기파도 이온화 능력이 없어 비전리 방사선에 속한다.[2] 위의 원자력 안전법상의 용어의 정의에서의 방사선은 전리 방사선에 국한되며, 통상적으로 사람들이 방사선이라고 지칭할 때의 방사선도 이러한 전리 방사선이다.
2. 종류
| 방사선의 종류 | |||||
| 전리 방사선 | 전자기파 | ||||
| 직접 전리 방사선 | 간접 전리 방사선 | ||||
| 알파선 | 베타선 | 중성자선 | 감마선 | X선 | 전자기파 |
원소의 붕괴와 직접 관계가 있는 것은 α선과 β선이다. α선과 β선은 모두 입자선(粒子線)이다. 원자핵에서 α입자, 즉 헬륨의 원자핵(4He) 하나를 방출하면 질량수 4, 원자번호 2가 감소한 원자핵이 된다. β입자(전자)를 하나 방출하면, 질량수는 같고 원자번호가 하나 증가한 원자핵으로 바뀐다. 이것은 원자핵 안에서 1개의 중성자가 1개의 양성자로 바뀌면서 전자(e-)와 전자 반중성미자가 방출되기 때문이다. γ선(감마선)은 X선과 같은 전자기파이며, 붕괴 때에 α선 및 β선과 함께 방출된다. 하지만 γ선을 수반하지 않는 붕괴도 있다. 원자핵의 붕괴 후 안정과정에서 나오는 것이 감마선이기 때문에 붕괴 전후 에너지 차이가 크지 않으면 감마선이 아니라 다른 전자기파나 입자의 형태로 방출될 수 있다.
방사선이라고 뭉뚱그려놨지만 아래에서 볼 수 있듯 다양한 입자나 전자기파를 아울러 이르는 말이고, 핵종과 붕괴반응에 따라 그 에너지도 천차만별이다. 어떤 붕괴는 방사성 연쇄반응을 일으킬 수 있으나 어떤 붕괴는 그렇지 않고 핵분열이냐, 융합이냐, 일반적인 핵종 붕괴냐에 따라서도 다르다.
2.1. 전리(이온화) 방사선
2.1.1. 직접 전리 방사선
2.1.1.1. 알파선
알파선은 속력이 빠르게 가속된 헬륨(He) 원자의 흐름을 가진 입자선(ray)이다. 방사성 원자의 핵으로부터 2개의 중성자와, 2개의 양성자를 가진 입자가 방출되어 나오는 붕괴 과정이며, 이 방출된 입자는 He 원자의 핵과 동일하다. 따라서 알파선을 방출하고는 원자번호가 2, 질량수가 4만큼 감소하니 이를 알파 붕괴라고 한다. 한 종류의 붕괴에서 나오는 알파 입자는 몇 가지의 특정한 불연속적인 값을 가지는데, 이는 방사성 붕괴에서 나오는 알파 입자의 에너지 자체는 모핵종과 딸핵종의 핵 결합에너지 차와 동일하지만 붕괴 과정에서 바닥상태의 핵이 아니라 몇 가지 다른 상태의 들뜬 핵으로 붕괴하기 때문에 나타나는 현상이다.알파 입자는 상대적으로 크기가 크고 2개의 양전하를 가지고 있으므로 비교적 일정한 공간에서 전기와 자기의 영향을 받지 않게 하기가 쉽다. 방사성 핵종으로부터 방출되는 알파선은 물질 투과를 할 때 물질 중의 원자와 분자를 전리시킨다. 이 과정에서 물질에 에너지를 주고 자신은 운동에너지를 쉽게 잃어버리지만 이온화 능력은 아주 강력해서 그 궤적 주변에서 풍부한 이온쌍을 형성한다. 그 결과 물질에 대한 투과력은 작고 종이 한 장 정도면 막을 수 있다. 그러나 운동에너지가 크기 때문에 물질의 표면, 특히 생체 세포의 표면에 심각한 피해를 유발한다. 하지만 공기 중에서 몇 센티미터만 움직여도 알파 입자가 공기 중의 전자를 흡수하여 완전히 무해한 헬륨 원자로 변해버린다. 이 때문에 헬륨이 천연가스층에서 많이 발견된다.
2.1.1.2. 베타선
베타선은 빠른 속도로 가속된 전자이다. 방사성 원자의 핵으로부터 뉴트리노 입자와 함께 전자가 방출되는 방사성 붕괴과정에서 발생하는 방사선이다. 뉴트리노는 질량이 거의 없는 입자이고 붕괴과정에서 일부 에너지를 가지고 방출된다.[3] 베타선 붕괴 과정에서 생긴 전자는 원자의 핵으로부터 방출된 것이기 때문에 원자의 궤도상에 있는 전자와 구별하기 위해서 베타선 입자라고 한다.2.1.2. 간접 전리 방사선
2.1.2.1. 중성자선
중성자는 원자핵 구성요소의 하나이고 이 질량은 양자의 질량과 거의 같지만 단독으로는 안정한 것이 아니다. 반감기 11.7분으로 붕괴하고 베타선(전자)과 전자 반중성미자를 방출하여 양성자가 된다. 중성자는 에너지에 따라 고속중성자, 중속중성자, 저속중성자, 열중성자 4가지로 구별할 수 있다. 중성자는 핵반응과 핵분열이 일어날때 많이 방출되고 방사선 동위원소로부터 직접 방출되는 경우는 드물다. 다만, 자발핵분열인 경우는 방사성 동위원소로부터 직접 중성자가 방출되기도 한다.2.1.2.2. 감마선
알파 붕괴나 베타 붕괴, 혹은 기타 핵반응에 의해 생성된 들뜬 상태의 핵이 바닥상태로 전이하는 작용에 의해 방출되는 방사선이다.[4] 투과력이 매우 강해서 납[5]이나 콘크리트같은 일부 금속물질이나 기타 물질을 제외하고 모두 투과할 수 있다. 알파, 베타, 감마 중 투과력이 제일 강하다.2.1.2.3. X선
전자가 급격한 가속운동을 하거나 들뜸상태에서 바닥상태로 오면서 방출되는 방사선이다. 전자가 핵의 전기장에 의해 급격히 감속될 때 생기는 제동 X선과 L각 궤도와 K각 궤도 등 에너지 준위가 다른 궤도 전자의 재배열에 의해서 고유 에너지 차를 전자파의 형태로 방출하는 특성 X선이 있다. 전자파 방사선은 물질과 쉽게 반응하지 않아서 투과력은 강하다.2.2. 비전리(비이온화) 방사선
||<:><-6><tablewidth=100%><tablebordercolor=#303030><tablebgcolor=#000><bgcolor=#fff,#000>전자기파·빛의 종류
| 이온화 전자기방사선 | 비이온화 전자기방사선 | ||||
⟵ 짧은 파장, 높은 진동수 긴 파장, 낮은 진동수 ⟶ | |||||
3. 방사성 동위원소
원자핵 속의 양성자와 중성자는 강한 핵력에 의하여 결합되어 있으며 동시에 양성자들은 서로 전기적으로 반발하고 있다. 대부분의 핵자들은 전기적 반발력보다 더 큰 핵력에 의하여 안정한 상태를 유지하고 있다. 그러나 양성자가 아주 많은 원자핵의 경우에는 양성자들 사이의 전기적 반발력이 중첩되는 반면, 핵력은 짧은 거리에만 작용하여 핵자의 수가 많아져도 세기가 한정적이기 때문에 정전기력에 비해 핵력이 상대적으로 작아지고 원자핵은 불안정한 상태가 된다. 질량수가 지나치게 큰 원자핵들은 불안정하므로 입자나 전자기파를 방출하고 보다 안정한 원자핵이 되려고 한다. 이와 같이 원자핵이 불안정한 원소를 방사성 동위원소라고 한다.우주상에 존재하는 모든 원소는 방사성 동위원소가 존재한다. 첫번째 원소인 수소의 동위원소인 삼중수소가 대표적으로 양성자 수는 1개지만 중성자를 2개 가지고 있다. 안정된 동위원소가 존재하는 가장 무거운 원소는 납(Pb)이며, 그 이후의 원소인 비스무트부터는 안정된 동위원소가 존재하지 않는다. 비스무트의 동위원소 중 가장 안정한 비스무트-209는 그 반감기가 2010경년이라 138억년에 불과한 우주의 역사보다도 길지만 엄격히 구분하면 방사성 동위원소로 취급한다.
46억년 전 태양계가 탄생할 때 생성되었지만 반감기가 너무 짧아서 현대에 자연에서 발견되지 않는 동위원소는 절멸 핵종이라 한다. 플루토늄까지는 지구상에 극미량 존재하기 때문에(가장 안정한 동위원소인 플루토늄-244는 지구 지각 전체에 9g 존재한다고 추정한다)절멸 핵종이 아니지만 아메리슘부터는 반감기가 극히 짧아 전부 인공합성을 통해 발견되었다. (테크네튬과 프로메튬은 예외로, 질량이 아주 무겁지는 않지만 안정 동위원소가 없고 반감기가 가장 긴 동위원소도 절멸 핵종이라 인공합성을 해낸 뒤에야 새로운 원소로 인정되었다)
4. 이용
방사선 연구가 어느 정도 이루어진 이후부터 그 강력한 투과력과 에너지는 여러 방면에 이용되고 있다. 기본적으로 방사선은 뛰어난 살균효과를 보이는데, 전리 방사선의 강력한 에너지는 DNA 사슬을 끊고 소기관과 효소 또한 파괴하여 죽일 수 있기 때문이다. # 따라서 각종 멸균소독에 이용되고 있으며 특히 밀봉 후 멸균 처리에 효과적이다.[6] 대표적인 사용례가 바로 전리 방사선중 하나인 감마선을 이용한 라면의 건더기의 살균. 우주식품이나 특수 환자용 식재료 살균에도 이용된다. 다만, 대중들이 방사선이라고 하면 반사적으로 거부감을 가지는 경우가 워낙 많아서 요즘은 다른 살균 방식을 쓰는 경우도 많다.같은 원리를 이용해서 사람의 체세포도 전리 방사선으로 죽일 수 있는데, 마리 퀴리가 실제로 암세포가 있는 부위만을 선택적으로 조사하여 암세포를 제거하는 데 쓰이기도 한다는 것을 발견했다. 특히 항암제와 마찬가지로 암세포나 골수세포 등 빠르게 분열하는 세포들이 가장 쉽게 파괴되는데 이를 이용한 항암 치료인 방사선 치료는 오늘날 대부분의 암에 적용될 수 있는 일반적인 치료법이 되었다. 척추동물이 방사선에 노출되면 가장 먼저 훼손당하는 것 중 하나가 바로 적색골수로서, 조혈작용을 하는 골수가 가장 먼저 치명적 피해를 입는다. 이를 응용하여 백혈병 등의 혈액암의 경우 골수 이식 전에 병든 골수를 제거하기 위하여 집중조사하는 방법을 쓰기도 한다.[7] X선은 방사선의 최초 발견이기도 했지만 동시에 의학적 이용 가능성도 보여주었는데, 사람을 직접 갈라 보지 않고서도 뼈의 구조와 모양을 알아볼 수 있게 하여 의료 발전에 크게 공헌했다. 지금은 더욱 발전하여 CT영상으로는 뼈 이외의 다른 장기까지 관찰할 수 있다.[8] 핵의학과 분야에서는 방사성 물질을 주사해서 몸속에서 나오는 방사성 물질을 관찰해 정보를 얻는다. 몸에 좋은 것은 아니지만 방사능 홍차처럼 치명적이지는 않으니 걱정하지 말자.
이외에 산업 분야에서도 여러 곳에 걸쳐 절찬리에 이용 중이다. 삼중수소를 이용한 야광물질은 지금도 군사적 용도로 생산되고 있으며[9], 투과력을 이용해 비파괴검사를 수행한다든지 원자핵 구조를 분석하는 데에도 쓰이고 있다. 육종학에서는 돌연변이를 유발시켜 작물의 품종을 개량하는 데에도 이용한 적이 있다.
그 독성을 악용하여 암살용도로도 사용한다. 폴로늄 자체가 중금속이라 독성이 크고 내부 피폭, 그것도 알파선에 내부피폭 당하면 장기가 완전히 걸레짝이 돼버린다. 사실 한국에서도 살해 목적으로 이용된 사례가 있다.
담배에도 들어가 있다. 담배(식물)가 자랄 때 인산질 비료에 함유된 미량의 폴로늄을 계속 흡수하여 축적하기 때문이다. 이 사실이 1960년대에 처음 발견된 이래 담배 제조사들이 엄청난 돈과 노력을 퍼부었음에도 완전히 제거하는 방법을 찾지 못했다.
5. 방사선의 척도와 단위
방사선의 세기와 양, 생명체에 미치는 위험도를 평가하는 물리량에는 여러 가지가 있다.5.1. 방사능(radioactivity) A
방사능은 방사성 핵종이 기준시간 동안 핵붕괴반응을 일으킬 때 방출하는 방사성을 의미한다. 단위로는 베크렐(Bq)과 퀴리(Ci)가 있으며, 둘 모두 개/s의 SI단위를 가진다.- 베크렐(Bq): 1초 동안 1번 핵붕괴 반응을 일으킬 때 1 Bq로 정의한다. 이는 진동수의 헤르츠(Hz)와도 같은 개념으로 빈도수를 나타내는 단위이다.
- 퀴리(Ci): 1 Ci = 3.7 × 1010 Bq로, 평형 상태의 라듐-226 1g이 1초 동안 핵반응한 횟수로 정의되었다. 이는 1910년 정의 당시 네이처 월간지에 따르면 마리 퀴리의 업적을 기리기 위해 단위에 그의 이름을 붙인 것이라고 한다.[10] 하지만 이후 정확한 측정으로 라듐-226 1g의 초당 핵분열 횟수가 3.66 × 1010 (366억)Bq로 밝혀지면서 국제도량형기구는 이 단위를 사용하지 말라고 하고 있지만 일부 공업자에게서는 아직 널리 쓰이고 있다고 한다.
5.2. 방사선량(radioactive dose)
방사선량은 방사선에 피폭된 생체나 물질에 흡수된 에너지의 양을 의미한다.5.2.1. 흡수선량(absorbed dose) D
기준물질에 방사선의 에너지[11]가 흡수된 정도를 의미한다. 단위는 그레이(Gy)와 라드(Rad)로, J/kg의 SI단위를 가진다. 1 Gy = 1 J/kg = 100 Rad.5.2.2. 조사선량(radioactive exposure) χ
단위 질량의 기준물질 내에서 방사선으로 인해 발생한 자유전하의 양을 의미한다. 단위로는 뢴트겐(R)을 사용하며, C/kg의 SI단위를 가진다. 1 R = 0.000258 C/kg.5.2.3. 등가선량(equivalent dose) H
방사선의 생물학적 효과를 나타내며, 흡수선량에 생물별 보정치를 고려하여 계산한다. 단위로는 시버트(Sv)를 사용한다.5.2.4. 유효선량 E (피폭량)
유효선량(effective dose) E는 방사선의 생체 조직별 효과를 나타내며, 생물별 가중치가 고려된 등가선량에 추가적으로 생체 조직별 보정치를 고려하여 계산한다. 단위로는 시버트(Sv, Sievert)를 사용한다.일반적으로 생체에 노출된 방사능의 양인 피폭량(被曝量,Sv)은 이것을 말한다. 표적조직단위면적당 노출량이다.
5.2.5. 반감기(half life) τ, N1/2
5.2.5.1. 시간
방사성 물질의 양이 현 시점의 절반으로 줄어드는데 걸리는 시간이다.[12] 반감기를 통해 방사성 물질의 위험도와 성질을 대략적으로 파악할 수 있기 때문에 매우 중요한 척도이다. 참고로 방사성 동위원소 연대 측정은 탄소-14의 반감기를 이용하여 고생물 화석의 생존 시기를 파악한다.5.2.5.2. 차폐물
알파선, 베타선, 감마선(또는 X선)에 따른 차폐물은 각각 종이, 알루미늄, 납(Pb)이 대표적이다. 차폐물의 두께에 따른 반감기는 저마다 다르다.[13][14]6. 방사선 노출
일본 서브컬쳐 작품들을 보다 보면 '하늘에서 날아오는 독전파' 운운하는 것들이 있는데, 실제로도 우리 주변에서는 끊임없이 방사선이 쏟아져 들어오고 있는 중이다. 사실 우리는 매일 활동할 때마다 소량의 방사선에 노출되고 있다. 이러한 방사선의 대부분은 우주에서 날아오는 것들이다. 소량으로는 땅에서 올라오는 라돈(Rn 222) 같은 방사성물질의 붕괴에서 생기거나, 덩달아 핵실험과 원자력 사고에서 나온 것도 포함된다. 우주선의 경우 지구 자기장과 대기권으로 인해 대부분의 방사선이 필터링 되고 있어서 굉장히 극소량이다.[15] 물론 환경방사능 정도로는 건강에 이상이 없으니 안심해도 된다.지구 외 자연방사선에 대한 음모론들이 상당히 많은데 대부분 아폴로 계획 음모론으로 이어진다. 인간이 우주복을 입고 있거나 우주선 안에 있을 때, 그리고 때때로 그 둘 다 하고 있을 때 실질적으로 크게 위협이 될 수 있는 방사선은 감마선이나 X선뿐이다. 이 둘은 투과성 높은 빛의 형태를 띠기 때문에 납 이외의 물질 차폐로는 쉽게 막아낼 수가 없기 때문. 따라서 '밴앨런대를 통과하면 방사선에 피폭' 운운하는 것도 헛소리다. 지구자기장에 잡히는 것은 전하를 띤 '입자'들이다. 그리고 이것이 지구의 자극을 따라 대기권이 쏟아지면 오로라가 만들어지는 것. 극지방에서 측정되는 방사선은 알파파 등 미립자로, 전자기파인 감마선 같은 경우 극지방이나 적도나 비슷하게 측정된다. 지구자기장에 의해 잡히는 방사선은 쉽게 막히는 것들이고, 정작 위험한 감마선은 지구자기장과는 아무런 상관이 없다.
지구 대기층도 감마선 차폐 능력은 상당히 약한 수준이고[16], 우주방사선 음모론을 들고 나오는 경우 어떤 종류의 방사선인지 언급하길 피한다. 밴 앨런대를 통과하고 달에 착륙해서 태양방사선을 직빵으로 받은 우주인들 중 몇 명이나 암에 걸렸는지 생각해 보자. 이름은 다 같은 방사선이지만 아래 서술된 바와 같이 그 종류에 따라 정체는 전혀 다르다.
단, 우주에서 방사선에 더 많이 노출되는 것은 사실이다. 일반인의 경우 연간 피폭량은 1mSv이지만, 우주 비행사들의 경우 이 수치는 이틀 정도면 초과하는 경우가 많다. 우주 비행사들의 경우 연간 허용량을 200mSv 정도로 잡고 있기도 하다.
사실 잘 차폐된 환경에서 짧은 시간의 임무를 수행하는 우주 비행사들보다 고고도에서 일상적인 직업 활동을 수행하는 항공기 승무원들이 더 많은 방사능 피폭을 받고 있으며 이에 관한 관리를 받는다. 과거 90년대 영국에서 스튜어디스 여성들의 불임율이 모든 직업군 중 비정상적으로 높게 나타나는 사실을 발견하고 면밀히 연구 분석 한 결과 우주 방사선 노출이 큰 원인으로 밝혀졌다. 이후 유럽은 노출 선량을 계산하여 스튜어디스들의 비행 한계 시간을 설정하고 일정 시간 이상의 비행을 수행하면 은퇴하도록 규정하고 있다. 러시아와 미국에서도 2000년대 들어서부터 항공기 승무원들의 불임, 암과 비행시간에 인과 관계가 있음을 데이터로 확인하고 피폭을 철저하게 관리하는 중이다. 국내의 경우는 2000년대 중반부터 문제성을 인지하고 항공기 승무원의 노출 선량을 6mSv/year 로 제한하고 있다고 알려졌다. 그러나 꼼꼼한 관리 여부에 대한 의심을 받고 있다.
실제 첫 산재 신청자가 나왔으며 실제로 환자가 상당수 나오고 있지만 쉬쉬하는 분위기.[17] 2021년 5월, 근로복지공단은 기나긴 조사 끝에 해당 승무원에 대해 산업재해를 인정했다. 대한항공은 피폭선량을 전산화하고 승무원의 비행 스케쥴을 자동으로 안전하게 조정하는 시스템을 구축하기로 하였다. 2022년 기준으로 언론의 관심과, 한국천문연구원학자들의 연구, 국회의원의 의정활동 등 많은 사람의 노력이 모여 승무원 안전에 대한 제도가 자리 잡혀가고 있다.
반면에 지구자기장에 의해 포착된 방사선은 당연히 지표면에 사는 우리에겐 아무 영향을 못준다. 하지만 아이러니하게도 이들 포착 방사선 속에서 1년내내 헤엄치며 살아가야 하는 존재가 있다. 바로 인공위성들이다. 따라서 인공위성의 배터리셀, 센서, 전자회로, CPU 등은 극심한 방사선 피폭에 의해 일정 시간이 지나면 망가질 가능성이 올라간다. 이러한 전자제품의 수명은 태양 활동의 세기에 따라 달라진다. 보통 가장 강할 때를 기준으로 수명을 설계하기 때문에 일반적으로 목표 수명 3~5년으로 잡고 우주에 올라간다. 하지만 태양 활동은 크게 오락가락 하므로 보통 2배 정도 버틴다. 그리고 목성은 지구와는 비교가 안될 정도로 막대한 방사선을 내뿜는다. 목성에서 22만 km정도 떨어진 위성 테베에서도 하루 180Sv의 무지막지한 수치를 자랑한다. 그래서 목성 탐사선이나 목성이 목적은 아니지만 목성을 스윙바이하는 탐사선들은 방사선에 견딜 수 있게 차폐를 최대한 한다. 또한 전자부품들도 방사선에 버틸 수 있게 선별 작업과 더불어 방사선을 씌어서 내성을 기르게 만든다. 아예 이 목적으로 만들어지는 군사 & 우주용 CPU 같은 경우가 대표적이다.
6.1. 자세한 설명
위의 설명을 통해 방사선이 무엇인지 대충 감 잡았으면, 좀 더 상세한 설명을 시작해보자. 방사선은 여러 전자기파와 입자선을 포함하지만, 이 항목에서의 방사선은 전리작용을 일으키는 "전리 방사선"을 이야기하고 있으며, 그 특징은 대표적으로 다음과 같다.- 목표에 에너지를 전달한다.(transfer energy to target)
- 물리적 구조를 깨뜨린다.(disturb physical structure)
- 화학적 특성을 변화시킨다.(change chemical characteristics)
- 생체의 기능을 저해한다.(interrupt biological functioning)
방사선은 입자의 크기가 원자보다 작으며(subatomic), 매질이 없는 공간에서도 전달될 수 있는 전자기파(electromagnetic wave)[18]를 총칭하는 단어이다.[19]
알파선, 베타선, 감마선, X선, 중성자선, 양성자, 핵분열파편, 하전 파이온, 중이온 이 전리 방사선의 범주에 포함되며, 대략 다음과 같이 구분할 수 있다.
- 에너지가 전달되는 형태에 따른 구분
- 가지고 있는 에너지의 크기에 따른 구분
참고로 감마선과 X선은 발생 근원이 다를 뿐, 모두 전자기파에 속하며 에너지가 같다면 성질 또한 같다. 다만 감마선은 원자핵 내에서 나오는 전자기파이고 나오는 에너지의 세기는 동위원소의 종류에 따라 하나 혹은 몇 가지의 선스펙트럼으로 정해져 있는 반면, X선은 전자의 감속 및 충돌 또는 궤도전자의 에너지 준위 차이에 의해 발생하는 전자기파(특성 X선)이며 선스펙트럼을 나타내는 특성 X선을 제외하면 전자의 속도나 충돌 각도 등에 의해 다양한 에너지를 가진다. 따라서 흔히 감마선이 X선보다 강한 에너지(짧은 파장)을 가지고 있다고 알려져 있지만 엄밀히 말하면 틀린 말이다. 감마선과 X선의 차이는 발생근원일 뿐이며 X선의 에너지 범위는 엄청나게 다양하기 때문이다. 입자가속기를 이용해 가속한 전자를 충돌시켜 만드는 X선은 일반적인 감마선보다 훨씬 강한 에너지를 가질 수 있는데 예로 들면 코발트-60에서 나오는 감마선은 1.17, 1.33MeV의 에너지를 가지는데 현재 병원에서 널리 이용되는 의료용 선형가속기만 해도 대부분 10MV 이상의 전자가속능력을 가지고 있다.
방사선이 물체, 또는 생체조직에 미치는 영향은 단위질량 당 흡수된 선량(線量)에 의해 결정된다. 이를 측정하는 단위에는 그레이(grays, 1 Gy = 1 Joule/kg = 100 rads), 라드(rads, 1 rad = 100 ergs/g) 등이 있다.[23]
우리 주변에도 어느 정도 자연방사선이 존재하지만, 그 양은 무시할 수 있는 수준이다. 허나 강력한 방사선에 노출되면 그 에너지에 의해 생체조직(세포 등)이나 유전자를 반달당할 수 있으므로 주의해야 한다. 나무위키나 컴퓨터 문서의 경우, 반달당해도 백업으로 고칠 수 있지만 세포나 유전자가 반달당하면 현대의학으론 못고친다. 고자나 암환자가 될 수 있는 것은 물론이고, 최악의 경우 사망한다.[24] 사실 자연방사선이 안전하다는 것도 세포의 분열-소멸 사이클 도중의 에러나 음식과 섭취한 화학물질 등 기타 여러 요인으로 인해 사멸하는 세포들에 비해 자연방사선에 의해 피폭당하는 세포의 양이 '유의미하지 않은 수준'이라는 이야기이지 세포독성이 있는 것 자체는 사실이다.[25]
아래는 방사선 방호에 대한 세 가지 기본 원칙이다.
- Justification of practice
얻을 수 있는 이익이 충분히 크지 않은 이상, 방사선에 노출되는 것은 허용되지 않음. - Optimization of protection
경제적, 사회적 여건이 허락하는 한 방사선에 노출되는 양을 최소화할 것. - Limitation of exposure
방사선에 노출되는 양은 기준치를 넘지 않도록 할 것.
이 세가지 기본 원칙을 간단히 하나로 묶어 ALARA(As Low As Reasonably Achievable)
재료공학, 생명공학, 산업 각 분야 등에서 방사선은 무척 유용하고 강력한 도구로 사용된다.[26] 하지만 방사선을 보다 안전하고 효율적으로 이용하기 위해서는 충분한 이해와 주의가 필요하다. 명심하도록 하자.
덧붙이자면 방사선과 관련된 현상 중엔 체렌코프 현상이 있다. 에너지가 높은 하전입자가 물 등의 투명한 물질을 통과할 때 그 물질 중에서의 빛의 위상 속도(빛의 속도가 아니다.)보다 빠른 속도를 가지고 있는 경우에 하전입자가 청백색의 빛을 발하는 현상을 말한다. 대체로 나타나는 곳은 원자로. 원자로 노심 안에 파란색 전등을 단 게 아니고, 저 효과로 인해서 파랗게 보이는 것이다. 방사선 물질이 액체 속에서 푸르스름한 빛을 방출하는 이유도 이 때문. 단, 대기중에서 체렌코프 현상이 일어나길 기대하긴 힘들고 일어난다고 해도 인간의 눈으로 감지하기엔 대단히 미약하다. 대기중에서의 빛의 속도는 0.9997c이고 베타입자의 선속은 보통 0.999c이하이다.
7. 방사선으로 인한 피해
7.1. 방사선 피폭
Radiation poisoning. 방사선에 노출되어 생체조직에 피해가 미친 경우이다. 자세한 내용은 방사선 피폭 문서로.7.2. 방사선 화상
Radiation burn. 방사선에 의해 화상을 입는 경우이다.고에너지 방사선의 경우 인간을 불태우게 되는데, 특히 베타선의 경우가 그렇다. 베타선의 관통력은 그리 대단하지 않아서 피부에 막히는 경우가 많지만, 에너지량 자체는 많기 때문에 그 힘이 피부 겉면에 모두 집중되어 그만큼 화상을 일으키기 쉽다.
일반적인 화상과 비슷하지만, 방사선 화상은 나중에 암이나 피부병을 유발하기 쉬우므로 주의해야 하며, 화상이 심할 경우 높은 수준의 방사선에 노출되었다는 뜻이므로 그만큼 사망할 가능성도 높아진다. 또한 방사선에 노출된 시점에서 해당 환부의 유전자가 변이되거나 파괴되기도 하여 일반적인 화상과는 달리 피부 이식을 해도 이식이 안 되고 도로 벗겨지거나 심지어는 기존의 환부마저 붕괴하는 경우도 있어서 더 위험하다.
일반적으로 원자력 사고나 핵무기의 폭발 등이 원인이지만, 간혹 방사선 치료를 받던 도중에 당할 경우도 있다.
8. 방사선을 피하는 방법
가장 좋은 방법은 방사성 물질 근처에 가지 않는 것이지만, 원자로를 다룬다거나, 방사성 동위원소를 이용한다거나 하는 경우 어쩔 수 없이 접근해야 한다.결국 남은 길은 방사선을 차폐하는 것. 그러니까 방사선이 우리 몸에 닿지 못하게 가로막거나, 닿더라도 영향을 줄 수 없을 만큼 약화시키는 것이다. 그런데 위에서 설명했다시피 방사선은 표적에 에너지를 전달한다. 그러니 표적에 닿기 전에 에너지를 빼앗아버리면 된다는 것인데...이러한 역할을 가장 잘 수행하는 물질은 방사선의 종류에 따라 다르다.
- 알파선: 투과력이 정말 약하므로 종이 한 장으로도 막을 수 있다. 웬만한 일에는 신경쓸 필요 없지만 방사성 물질이 인체 내부에 흡수되어 몸 안에서부터 알파선을 쏘이면 매우 위험하다. 투과력은 약해도 생체파괴력은 감마선보다 훨씬 강하다. 시버트 문서로. 참고로 특수한 향을 사용하면 알파선이 튀어나오는 것을 육안으로 관찰 할 수 있다.
- 베타선: 비교적 투과력이 약하다. 베타선 자체는 대충 막아도 되지만, 제동 복사라는 놈을 조심해야 한다. 베타선에 의해 2차적 방사선이 튀어 나오기 때문에, 고 에너지 베타선은 일단 플라스틱이나 알루미늄 같은 가벼운 물질로 막고, 다시 무거운 물질로 막아야 한다.
- 중성자선: 투과력이 강하다. 차폐 물질을 방사성 물질로 바꿔 버리기 때문에 더 골치 아프다. 무거운 물질이라고 잘 막는 것도 아니다. 중성자가 차폐물질을 만났을 때, 일정 부분 뚫고 들어간 다음, 내부에서 마치 고무공처럼 통통 튀면서 점차 감속이 되기 때문이다. 따라서 중성자와 비슷한 질량의 원자가 차폐에 효율적이다. 이런 원자는 대표적으로 수소나 탄소가 있다. 그래서 대표적인 중성자 차폐재는 수소를 많이 함유한 물 분자이다. 그래서 수조(water tank)를 중성자 차폐설비로 쓰기도 하며, 탄소나 수소를 많이 함유하고 있는 폴리에틸렌, 파라핀도 차폐물질로 많이 쓴다. 콘크리트도 차폐물질로 쓰이는데, 이는 콘크리트가 내부에 물 분자를 함유하고 있기 때문이다. 다만 그 양이 많지 않아서 콘크리트로 중성자 차폐를 하려면 매우 두껍게 만들어야 한다.
- 감마선: 투과력이 강하다. 감마선을 잘 막는 것은 무거운 질량을 가진 원자핵으로 구성된 물질이다. 그래서 간혹 우라늄(원자량 238)으로 막기도 한다. 실용적으로는 가격 및 취성 문제로 (싸고 안 깨지는) 납이 많이 쓰인다. 목성에 놀러갈 때는 납으로 만든 옷을 입으라는 우스갯소리가 있을 정도. 그러나 방사선은 에너지를 전달하며, 차폐 물질에 전달된 에너지는 열이 된다. 납만 믿고 있다가는 그것이 녹을 수도 있다.
자세한 건 여기로.
이것 저것 대충 다 막을 수 있으므로, 두꺼운 콘크리트 등으로 철저하게 벽을 치는 방법도 있다. 아무리 강력한 방사선도 두꺼운 벽으로 막아버리면 그만이다. 원자로의 격납용기가 괜히 두꺼워진 게 아니다.[27]
갑작스런 원자탄 폭발, 방사선 누출 등의 사고가 발생하였을 경우에는
- 외부와 연결된 모든 통로 봉쇄: 모든 문과 창문을 걸어 잠그고[28], 환풍기를 꺼야한다. 방사성 낙진(=폴아웃)이 들어오는 것을 막기 위한 조치.
- 옷 입기: 피부 노출을 최대한 줄여야 한다. 겹겹이 껴입는 것도 도움이 되지만 방사선 감쇄는 단순히 두께에만 영향을 받는 것이 아니므로, 노출만 최대로 줄인 상태에서 추가 피폭이나 낙진 흡입을 방지하기 위해 빨리 피하는 것이 좋다. 그냥 노출만 가려도 알파선은 대부분 방어가 가능하므로 축적 피폭 선량을 상당히 감소시킬 수 있다.
- 음식 섭취 유의: 피폭 반경 내에 있던 모든 음식은 먹으면 안 된다. 약한 방사선은 피부가 막아주지만, 그걸 섭취한 뒤 내부에서 피폭되면 답이 없다.
- 지하로 대피: 대부분의 지하 시설은 붕괴 위험 때문에 지상 건물보다 견고하게 설계되어 있다. 공기보다 가벼운 낙진 확산 방지의 효과도 있다. 방공호나 지하 연구 시설로 대피하면 금상첨화. 연구 시설에는 화학 물질 노출에 대비한 비상 샤워기도 존재하며, 시설이 괜찮은 곳은 응급 처치 킷과 방독면도 구비되어 있다. 지하철도 괜찮은 선택.
- 아이오딘 약물 복용: 갑상선은 방사선에 매우 취약한데, 방사성 물질인 아이오딘-131이 축적되기 때문이다. 미리 비방사성 아이오딘 약물을 복용하면 갑상선이 여분의 아이오딘을 소변으로 배출해버리기 때문에 갑상선암 위험을 크게 줄일 수 있다. 다만 허용량을 초과할 경우나 피폭이 없는데도 먹으면 오히려 부작용이 나타나게 되므로 주의할 것.
- 약물 복용 : 아이오딘화칼륨[29](위의 아이오딘), 프러시안블루[30], 칼슘디티피에이[31], 아연디티피에이[32] 등을 섭취하면 피폭으로 인해 몸안에 쌓인 방사성 동위원소를 배출시킬수 있다. 하지만 모든 종류의 원소를 배출시키는건 아니고 특정 방사성 동위원소만 배출시킬수 있는데다가 그것조차도 완전 말끔하게 몽땅 배출하는게 아니라 피폭으로 인한 피해를 ‘아주아주아주아주 조금’ 줄여주는 수준으로 임시방편에 불과하다. 이거 먹어봤자 피폭으로 인한 피해는 그대로 들어오며 결국 중요한건 방사능 피폭 자체를 안당하는 것이다.
- (외부에 있을 시) 차량 탑승: 콘크리트나 납 만큼은 못하지만, 차량의 철제 골격도 방사선을 감쇄시키는 훌륭한 소재가 될 수 있다. 당연히 창문은 닫고 환풍기는 꺼야 한다. 차량의 유리만 해도 폭발에서 발생하는 자외선을 차단하는 방벽 역할을 할 수 있다.[33]
[1] 원자에서 에너지가 나오는 것을 형상화한 것으로, 1946년 미국 버클리 대학교의 방사선 연구실의 낙서에서 유래되었다.[2] http://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/681269.html[3] 때문에 한 종류의 붕괴에서 나오는 베타선의 에너지는 알파선과 달리 연속적인 분포를 보인다. 뉴트리노가 붕괴 에너지 중 일부를 무작위의 비율로 갖고 방출되기 때문이다.[4] 핵자의 준위가 전이하는 작용인데, 원자의 오비탈 사이에서 일어나는 전자 전이와 유사한 형태이다. 반감기는 대개 ns(나노초) 수준이며, 준위차는 일반적으로 MeV 단위이나 특정한 몇몇 붕괴는 자외선 수준인 수 eV의 준위차를 갖기도 한다.[5] 대부분의 방사선이 납을 뚫지 못하는 데다 구하기와 가공이 쉬워 방사능 차폐재라고 하면 십중팔구는 거의 다 납이다.[6] 다만, 식품의 영양소는 다소 감소하게 되고 분자구조의 파괴로 생기는 부수적인 물질들도 극소량이지만 생길 수 있다.[7] 방사능 관련 직종 종사자의 재생불량성 빈혈 발병률이 비교적 높은 이유도 이 때문이라고 한다.[8] 참고로 자기공명영상도 전자기파를 이용하지만 FM라디오 대역이다.[9] 군필자들은 자신의 K-2 소총 가늠쇠에서 확인할 수 있다. 참고로 방사성 물질이기 때문에 가늠쇠 밑에 방사성 물질 마크가 새겨져있다. ACOG 스코프에서도 사용된다. 물론 삼중수소의 방사선은 매우 미약하므로 문제가 없다. 모 쓰레기총에서는 총을 쏴 적을 맞히는 것보다 삼중수소가 함유된 스코프를 깬 다음 적에게 던져서 적이 암에 걸리길 기도하는 게 낫다는 개드립도 있었다.[10] #[11] 해당 방사선 붕괴 화학식의 dE=dmc2로 계산되는 에너지[12] 방사성 붕괴는 dN/dt = -kN의 first order kinetics를 따르기 때문에, 남아있는 물질의 양과 무관하게 반감기는 항상 일정하다.[13] \[pubmed\] Keio J Med. 2012;61(1):28-34. doi: 10.2302/kjm.61.28. Nuclear disaster after the earthquake and tsunami of March 11 ,Naoyuki Shigematsu 1 , Junichi Fukada, Toshio Ohashi, Osamu Kawaguchi, Tetsuya Kawata PMID: 22410537 DOI: 10.2302/kjm.61.28 #[14] Asia Pac J Public Health. 2012 Jul;24(4):689-96. doi: 10.1177/1010539512453258. Epub 2012 Jul 11. Fukushima nuclear incident: the challenges of risk communication ,Andrew G Robertson 1 , Andrew Pengilley PMID: 22790356 DOI: 10.1177/1010539512453258 #[15] 지구 입장에서 두드려 맞는 방사선은 태양 활동에 의한 전자기파와 알파선, 양성자 등이 방사선의 90%이상을 차지한다. 다행스럽게도 이는 대부분 지구 자기장이 막아준다. 이를 제외한 방사선 중 생명체에 치명적인 감마선이나 중이온과 같은 우주방사선의 주요 완충 역할을 하는 것은 지구 대기권이다. 애초에 감마선은 전하가 없기 때문에 자기력으로 막을 수 없다. 그래서 어느 심심한 천체학자들은 이걸 이용하여 체렌코프 현상을 관측하는 망원경을 박아놓기도 한다고 한다.[16] 그나마 농도가 짙은 대류층은 두께 4km 정도밖에 안 된다. 그리고 4억 4500만 년 전에 이미 한 번 휩쓸린 선례가 있는 것으로 추정된다.[17] 특히 국제선의 경우 고고도를 다니는데다 최단거리 효과를 위해 대기가 엷고 자기장을 통과해야하는 북극 근처로 항로(Polar Route)를 짜는 경향이 있어 문제가 크다. 국내 항공사 중에는 대한항공이 북극항로를 매우 공격적으로 활용하고 있다.[18] 전기파&자기파. 흔히 일상생활에서 '전자파'라고 부른다. 여기서의 전자파는 電磁波이지 電子波가 아니다.[19] Knoll's Radiation Detection and Measurement에서 정의[20] 양성자 2개, 중성자 2개로 구성된 헬륨 원자핵이다. 다만 실제로 헬륨 원자에서 전자를 떼낸 것이 알파선이 아니다. 무거운 원자핵이 방사능 붕괴하면서 핵자를 하나하나씩 방출하는 게 아니라 양성자 둘 + 중성자 둘 이렇게 묶어서 방출한다는 이야기다.[21] 사실 그 정체는 전자와 양전자다. 다만 궤도전자가 아니라, 베타 붕괴의 결과물로 나온 것.[22] 비 이온화 방사선까지 포함한다면...나무위키를 한다거나 책을 읽는 것도 모두 피폭이라고 불러야 할 것이다. 다시 한 번 전자에 속하는 비 이온화 방사선에 무엇무엇이 있는지 보라.[23] 그러니까 X선이나 감마선이 표준상태의 공기 중에서 몇 개의 이온쌍(ion pair)을 만들어내는지를 기준으로 방사선량을 표시하는 뢴트겐(Roentgen) 등...[24] 그것도 몹시 고통스럽고 끔찍한 몰골로 가버리는 수가 있다. 궁금한 사람은 인터넷을 잘 찾아볼 것. 대표적으로 1999년 일본에서 발생한 도카이 촌 방사능 누출사고. 그때 피폭당한 뒤 사망한 직원 2명이 어떤 꼴이 되었는지를 사진으로 볼 수 있다.[25] 혹은 지구 환경에서 진화를 거듭한 고등생명체들은 지구의 자연방사선 수준 안에서 발생 할 수 있는 세포 파괴나 변이는 스스로 감당하거나 복구 할 수 있도록 진화해 왔다고 볼 수도 있다.[26] 예를 들어 육종학에서는 종자에 방사선을 쬐어 돌연변이를 만들기도 한다.[27] 얼마나 두꺼운가 하면, 격납용기는 대략 20센티미터 두께의 강철 판으로 만들어진다. 그리고 원자로를 둘러싸고 있는 격납건물(원자력발전소 사진에서 흔히 볼 수 있는 회색 돔)의 벽 두께는 2미터에 달한다. 그것도 사람 팔뚝만한 철근이 빼곡하게 들어차 있는, 견고한 철근콘크리트 구조물이다. 비행기가 충돌해도 멀쩡하다. 실제로 미국에서 낡은 F-4 팬텀기를 가지고 충돌실험을 했고 프랑스에서는 열차를 정면 충돌시킨 적이 있다.[28] 반드시 잠가야한다. 피난오는 사람이 살려달라고 문 벌컥 열어버리면 둘 다 죽는다. 실제 상황에선 영화처럼 모두를 구할 수 없다.[29] 아이오딘화포타슘이라고도 한다.[30] Cs(세슘), Th(토륨)의 치료에 사용[31] 아메리슘(americium), 플루토늄(plutonium), 퀴륨(curium), 캘리포늄(californium), 버클륨(berkelium)과 같은 방사성핵종 의 내부오염에 대한 치료 시 사용[32] 아메리슘(americium), 플루토늄(plutonium), 퀴륨(curium), 캘리포늄(californium), 버클륨(berkelium)과 같은 방사성핵종 의 내부오염에 대한 치료 시 사용[33] 미국의 물리학자 리처드 파인만은 핵 폭탄 실험에서 실제로 이것을 시전하고 핵 폭발 장면을 맨눈으로 봤다.