방사선 상호작용 탄성,비탄성산란/브래그곡선/저지능/비정

I. 중하전입자

하전입자(Charged particle)는 전하를 띤 입자로 질량이 중간 정도이며 하전된 입자를 의미하며 물질과 상호작용하여 이온화를 일으키고 에너지를 잃으면서 비정(Distance)을 형성한다는 특징이 있다. 이러한 무거운 중하전입자의 종류로는 양성자(Proton), 중양성자(Deuteron), 알파입자(Alpha particle), 중이온(Heavy ion), 핵분열조각(Fission species)등이 있다. 

 

I-1. 탄성산란(Diffusion élastique)

쿨롱산란이라고도 하며 알파입자로 이를 설명하자면, 입사입자와 물질의 핵이 정면충돌 안하더라도, 반발력이 미칠 정도로 근접한 후에 입사입자가 진로를 변경한다. 

쿨롱의 법칙에따라, 입자와 핵과는 거리의 제곱에 반비례하고 에너지보존법칙이 성립되며, 전 운동에너지도 보존된다.단순하게 반발력이 미칠 정도로 근접한 후 진로만 바뀌는 것일 뿐으로 이것이 탄성산란이며 질량차이가 매우 크게 나서(전자의 1/7000정도) 아주 가깝게 접근하지 않는 이상, 탄성산란이 잘 일어나지 않는다는 특징이 있다.

 

I-2. 비탄성산란(Diffusion inélastique)

전기적 인력이 작용하는 오비탈(궤도)에서 아래표와 같이 설명된다. 

인력이 큰 경우(전리현상)	인력이 작은 경우(여기현상)
바닥상태에 있던 전자 -> 원자 바깥으로 탈출하여 이온화됨	에너지준위가 더 높은 바깥쪽 궤도로 들뜨게 됨

비탄성산란은 운동에너지가 보존되지 않으나, 총 에너지는 보존(변형에 사용된 에너지)되며, 전리와 여기에 해당하는 만큼의 운동에너지를 잃게 되는 경우 비탄성산란에 해당한다. 

 

I-2(1). 저지능(프랑스어:Le pouvoir d'arrêt, 영어Stopping power)

역시 한글로 보면 저게 무슨단어지 하겠지만, 영어나 프랑스어 단어로본다면 이해가 될 것이다. 저지능은 단위길이당 방사성을 가진 하전입자들의 평균에너지 손실도를 나타내는 것으로, 상호작용간 발생하는 이온화손실을 수반하는 초기조건은 필수다.

	알파입자 에너지(eV)	비탄성산란1회당 잃는 에너지(eV)
에너지	4000000eV ~ 8000000eV (4MeV ~ 8MeV)	100eV ~ 200eV (0,1KeV ~0,2KeV)

4~5만번의 비탄성산란을 거치면서, 이온화능력을 잃고 중성의 He로 되거나 멈춘다. 전리작용의 결과로 2차전자가 생성되고, 반복적인 전리, 여기를 일으키며 만들어진 선이 델타(δ)선. 알파(α)선에 의한 전리에서 총 이온쌍의 60~80%가 델타(δ)선에 의해 발생된다.

 

I-2(2). 비정(Distance)

물질에 입사된 중하전입자가 전리,여기를 되풀이하며 정지(에너지를 전부 잃을 때까지)할 때가지 진행한 최대 거리(cm ou μm)이며, 비정은 저지능(Stopping power)이 클수록 짧아진다는 특징이 있다.

	α입자 2.5MeV 이상일 때	α입자  2.5MeV 이하일 때
도달거리(cm)	0.75	0.5

공기중에서의 도달거리 식으로 표현해보면 아래 식과 같은 결과가 나온다. 

공기 이외의 물질에서의 비정

I-2(3). 비전리(프랑스어:Lonisation spécifique, 영어:Non-ionizing)

하전입자가 물질속 지날 때, 단위길이당 생기는 이온쌍의수로서 기체의 이온화는, 저지능과 비전리의 비율로 정의가 되며, 하전입자의 종류와 에너지엔 무관, 기체의 종류에 따라 결정된다. 또한 한쌍의 이온쌍을 만드는 데 필요한 평균에너지를 뜻하기도 한다. 

 

I-2(4). 브래그곡선(프랑스어:Courbe de Bragg, 영어:Bragg's curve)

중하전입자의 거리에 따른 저지능의 변화도를 나타낸 그래프 내의 곡선피크에 해당한다. 

에너지를 잃어가면 저지능 값이 근사적으로 증가하다가 입자가 정지상태에 이르면 최대도달거리(비정)에 도달한다는 특징이 있다.