X-ray

강한 복사선(전자기파)이 방출되는데, 이 복사선을 X선이라고 한다. 뢴트겐이 발견했다고 하여 뢴트겐선이라고도 부른다.

파장은 10 ~ 0.01나노미터이며, 주파수는 30 페타헤르츠 ~ 120 엑사헤르츠[1] 전자기파의 형태를 말한다. 이는 자외선보다 짧은 파장의 영역이고, 감마선보다 긴 파장의 영역에 속한다.

X선과 감마선을 파장의 길이[2]로 구별하는 것은 사실상 어렵다기보단 의미가 없다. X선과 감마선은 에너지가 아니라 발생 원인으로 구별하는 것뿐이다. 위에도 썼듯이 겹치는 영역이 있다. 더 쉽게 말하자면, 낮은 에너지의 감마선도 있고, 마음만 먹으면 메가전자볼트(MeV) 단위의 X선도 낼 수 있다. X선과 감마선을 구별하는 중요한 차이는 발생원에 의한 차이이며, 에너지 분포가 어떠한가에 따라서도 구별할 수 있다.[3]

여기서 짚고 넘어가야 할 점은 전자기파의 파장별 분류는 단순히 임의적으로 구분된 것일 뿐이며, 말그대로 파장의 길이(바꿔 말하면 에너지 혹은 진동수)가 다르다는 것 외에는 본질적으로 아무런 차이도 없다는 사실이다. 즉, 흔히들 하는 착각과는 달리 X선이라고 특출난 다른 뭔가가 있는 것은 아니다. 파동임에 의심의 여지가 없는 전파와 아무리 살펴봐도 입자처럼 보이는 감마선은 분명히 다른 것처럼 보여도 말이다.[4]

특히 X선과 감마선의 경우엔 심지어 파장이 겹치기까지 하는데, 이는 X선과 감마선을 발견할 당시 이들이 전자기파인 줄조차 몰랐기 때문이다. X-ray라는 이름 자체도, 일단 발견은 했는데 그 정체를 알 수 없어서 미지의 x를 넣은 것이니 그 상황을 알 만하다. 당시 시대가 양자역학은 커녕 물질파 가설이나 광전 효과가 발표되기 수십 년전이었으니. 결론적으로 말하자면, 똑같은 것을 몇몇의 우연이 겹쳐 그저 다르게 명명한 것뿐이라고 해도 과언이 아닐 정도다.[5]

예를 들어, 러더퍼드가 베타선의 정체가 전자인 줄 처음부터 알았으면, 베타선이라고 부르지 않고 그냥 전자라고 불렀을 것이다. X선과 감마선이 발견 당시부터 전자기복사인 줄 알았더라면, 그저 각각 XX파장 영역의 전자기파 혹은 아예 뭉뚱그려 고에너지 전자기파 혹은 전부 다 자외선이라고 불렸을지도 모를 일이다.[6] 이처럼 정체도 잘 몰랐던 주제에 X선은 발견된 지 얼마 지나지 않아 곧바로 활용되었는데, 이유는 현대와 다를 바 없다.

주로 정형외과에서 뼈의 이상을 확인하기 위해 많이 이용하며, 결핵 검사와 같이 내장의 이상을 확인할 수도 있다. 물론 이러한 발전은 그동안 수많은 의학 석박사들이 수많은 X선 사진을 보고 연구하면서 나온 것임을 잊지 말자. 이 X선의 발견 덕에 의료학계에 엄청난 새 바람이 분 것은 두말하면 잔소리.

의사들 사이에서는 X선 사진보다는 뢴트겐 사진이라고 더 많이 불린다. 미국과 일본에서 많은 영향을 받은 국내 의학계, 특히 방사선학이라고 불리는 의료 방사선 관련 학문은 일본에서 많은 발전이 있었으며 일본에서는 방사선학 대신에 뢴트겐 학이라는 이름을 많이 사용한다. 방사선을 다루는 학문에서는 유독 일본에서 유래한 단어가 많은 것도 이 때문. 요즈음은 X선, X레이라고 더 많이 하지만 아직 일본에서 유학을 하고 온 사람이나 그런 스승 혹은 상관 밑에서 수학한 의사들을 중심으로 간간이 쓰인다.

1895년 뢴트겐이 크룩스관을 이용하여 기체의 방전 현상을 연구하고 있을 때, 바륨을 바른 마분지가 발광하는 걸 보았고, 이 현상을 알아보기 위해 책을 차폐막으로 썼다가 책 안에 책갈피로 끼워놓은 열쇠와 책을 든 자기 손뼈가 투과되어 비치는 것을 보고는 소스라치게 놀라는 것으로 발견되었다. 신경증적이고 편집증적인 성격을 가지고 있어 일시적인 현상이나 증거가 부족한 현상을 부정하던 뢴트겐은 이후 그때를 회상하면서 자신이 미쳐 환각을 보는 게 아닌가? 하며 끊임없이 의심했다고.

이후 조수들도 다 내보내고 일주일 동안 연구실에 처박혀 자신이 무엇을 실수했는가, 혹 자신이 미친 거 아닌가? 끊임없이 고뇌하고 연구하다가, 이후 부인 베르타를 실험실로 불러서 음극선관에서 나오는 눈에 보이지 않는 이 빛으로 부인의 손 사진을 찍어 감광지에 감광함으로써, 손 안에 있는 뼈는 물론이고 손가락에 끼고 있던 반지도 선명하게 찍히는 것으로 자신이 미치지 않았다는 사실을 알고는 겨우 안심하고 수척해진 모습으로 학계에 새로운 방사선 현상을 발표했다고 한다.[7]

또한, 방전관에 수만 볼트 정도의 전압을 걸고 바륨 염을 관 가까이 가져가면 형광이 발생한다는 것도 앞서 발견 시 일어난 바륨 마분지 발광현상을 통해 확인되었다.

다만, 자신이 미쳤을지도 모른다는 의심은 채 떨치지 못해서, 당시 발표 논문을 보면 그 모습을 볼 수 있다.

모든 전자기파가 그렇듯이 전하를 가진 물질을 가속하면 발생한다. [8]

진공관 안쪽에 구리 음극과 텅스텐 양극을 매우 가깝게 설치한 뒤 구리에 열을 가하여 열음극으로 사용한다. 열 음극에서 전자가 방출되는데, 이를 고전압필드를 통해 가속해 빠른 속도로 텅스텐에 부딪히면 텅스텐에서 X-선이 나온다. 이것이 최소한의 구조이며, 부가적으로는 콜리메이터, 차폐벽 등 더 복잡한 구조를 가진다.

기본적 구조는 CRT와 비슷하다. 전자를 좀 세게 때려서 그렇지.

이 방법은 전자를 가속해 빠른 속도로 타겟 물질에 충돌시키고(1차 X선 발생: 일반 방사선 또는 제동 방사선), 이를 통해 전자를 야기 시켜 X선을 발생시킨다(2차 X선 발생: 특성 방사선). 1차로 전자가 타겟 물질에 충돌하면서 발생하는 X선은 물질 자체에 의한 것이 아니라 전자가 정지하면서 발생하는 것으로, 이렇게 발생한 X선을 "bremsstrahlung(제동복사선)"[9]이라 한다. 이 빛은 전자가 고전적으로 정지하면서 발생했기 때문에, 파장대가 아주 넓은 것이 특징이다. 후자는 "characteristic radiation(특성방사선)"이라 불리는데, 원자핵 레벨에서 발생하는 것은 아니고 전자각(전자껍질)에서 발생한 빛으로, 물질에 따라 특정 파장의 값을 가지는 센 빛이 발생한다. 조금 더 자세히 설명하자면, 원자 내 전자는 특정 전자껍질 내에 속하게 된다. 즉, 전자는 임의의 위치 에너지를 가질 수 없고 전자껍질에 의해 정의된 값만큼의 위치 에너지만 가질 수 있다. 다시 말해, 에너지가 '양자화' 되어 있다. 특성방사선은 전자가 이 전자껍질 사이를 오갈 때 발생하는 X선으로, X선 스펙트럼에서 좁고 높은 피크로 나타난다. 당연히 전자껍질의 에너지 준위는 원자마다 다르며, 이를 이용해 물체의 원소분석이 가능하다. 이 원리를 이용한 것이 XRF(X선 형광분석). 특성방사선은 피크는 높지만 전체 스펙트럼에서 자치하는 양은 굉장히 작다. (1-2% 수준) 따라서 병원이나 산업현장에서 일반적으로 사용하는 X선은 우선 양이 많고 봐야 하기 때문에 제동복사선과 특성방사선을 딱히 구분하여 사용하지 않는다. 좀 더 정확히 말하자면 제동복사선만 사용한다고 봐도 된다. 특성방사선은 기여하는 부분이 적기 때문. 하지만 회절분석 등 물리분야에서는 X선의 단색성이 중요한 경우가 많으며, 이럴 땐 X선속(X-ray flux)을 어쩔수 없이 포기하면서라도 특성방사선만을 사용한다. 물론 단색성이 높은 X선이 필요하다면 굳이 X선 관이 아니라 입자가속기에서 실험하는 것이 좋다. 입자가속기의 선속은 X선관보다 1,000~10,000배 정도 셀뿐더러, 이 정도 세기의 단색 X선을 얻을 수 있다. 문제는 한번 실험하기가 드럽게 어렵다는 것. (국내에는 포항가속기밖에 없으며 그마저도 줄이 많이 밀려있어서 스케쥴 잡기가 어렵다.)


X선 관의 에너지에 따른 X선 세기 그래프.[10] 완만한 언덕처럼 보이는 부분이 bremsstrahlung, 중간중간 α,β등으로 표기된 피크가 타겟 물질에 의한 X선이다. K-는 K각(가장 안쪽 전자껍질)으로 전자가 떨어지면서 발생한 것을 의미하며, α,β는 전자가 어디에서 떨어졌는지를 구분하는 데 사용한다. 참고로 전자껍질은 가장 안쪽부터 K, L, M, N, ...로 이름을 붙인다.

이렇게 발생한 X-선은 방사선 치료나 의학 영상, 산업 영상 등에 쓰이고, 실험실에서는 X선을 이용한 반사도 측정이나 회절 패턴을 측정하는 데 사용된다.

흔히 생각하는 그 입자가속기 맞다. LHC만큼 거대한 건 아니더라도 일반적으로 사용하기엔 엄청나게 큰 그 입자가속기이다.

물리학자들이 원형으로 입자가속기를 만든 이유는 원형이 기하학적으로 아름다워서가 아니다. 원형 가속기의 경우 같은 라인을 돌리면서 하전 입자를 계속 가속시킬 수 있지만, 선형가속기의 경우 계속해서 가속을 시키기 위해선 같은 선형 가속기를 쭈욱 연결해 놓아야 하기 때문에, 큰 에너지를 필요로 하는 실험에서 하전 입자를 원하는 만큼 가속시킬려면 가속기의 길이가 대책없이 길어지기 때문이다. 원형으로 가속시킬 경우 싱크로트론 복사가 발생하여 에너지를 잃어 버리게 되는데, 이는 특히 질량이 아주 가벼운 하전입자인 전자에 있어서 큰 문제가 된다. 따라서 현재 양성자나 이온 등의 실험 연구등에서는 원형가속기의 가장 발전된 형태인 싱크로트론에서 이뤄지지만, 전자의 충돌에 관한 실험 연구 등은 선형가속기로 이뤄지고 있다(따라서 선형 가속기는 전자 가속기라고도 불린다).[11]

전술된 싱크로트론 복사는 전영역대에서 발생할 수 있으며, 인위적으로 조절하는 것도 가능하다. 즉, 원형 가속기를 전자의 충돌 실험이나 연구 등에 이용하는 것은 불가능하지만, 전자를 원형가속기에 넣어 각종 전자기파를 뽑아내는 용도로 사용할 수 있다는 것이다. X선을 연구하던 과학자들이 이것을 눈여겨봤다. 이놈들을 측정해봤더니, 나오라는 빛(X선)은 성에 찰 만큼 나오질 않건만 안 나와도 되는 빛(가시광선)은 연구실에서 발생시킨 X선과는 비교가 안 될 정도로 크고 아름다웠던 것.[12] 안 그래도 빛의 세기가 모자라서 못 봤던 실험이 많았는데 잘됐다 싶은 X선 과학자들은 입자 실험을 할 때 가속기 근처에 모여서 실험을 진행했고, 여기서 엄청난 양의 논문이 쏟아져 나왔다.

위의 일들을 지켜보던 과학자들은 "이럴 바엔 그냥 빛 발생용으로 가속기를 짓는 게 어때? 입자 물리학자들은 빛을 안 내려고 하지만 우리는 이 빛을 내고 싶잖아?" 이런 식으로 의견을 모아서, 빛 발생용으로 사용하는 입자 가속기인 방사광 가속기를 짓게 된다. 그래서 일반적인 방법으로는 강하게 만들기 어려운 전자기파(X선, 마이크로파)를 발생시키는 용도로 사용하게 된다.

2세대 방사광 가속기에서 빛이 발생하는 대략적인 모식도. 전자들이 휨자석(Bending Magnet)을 통과하면서 접선 방향으로 빛을 발생시킨다.

2세대 X선 발생기는 단순히 입자가속기를 말 그대로 방사광 가속기라는 "이름"만 붙인 것이나 다름이 없었다. 가속기 내부에서 전자가 원 운동을 하면서 나오는 빛은 접선방향으로 딱 한 번만 발생하는 빛이었고, 이는 물론 일반적인 X선 발생기와는 비교도 못할 만큼 세기가 크긴 했지만 과학자들은 이 빛을 조금 더 세게 만들고 싶었다.


그래서 나온 아이디어가 위에서 보여준 휨자석(Bending Magnet)을 연속으로 여러 개 위치시켜, 한 방향으로 "접선"을 여러 개 만들어 빛을 더욱 세게 만들자는 것이었다. 이 아이디어는 입자 가속기에서 전자가 회전하지 않는 부분[14]에서도 사용할 수 있었기 때문에 방사광 가속기의 가동 효율(실험이 가능한 빔라인 개수 증가)에도 도움이 되었고, 추가적인 성질도 발견이 되어서 결과적으로는 성공적인 아이디어라고 할 수 있었다.

현재 우리나라에 있는 가속기 중 포항공대에 있는 가속기도 이 3세대 방사광 가속기로 쓰인다.[15] 방사광 가속기는 센 빛이 나온다는 것도 있지만, 그 외에도 발생하는 에너지 범위(= 파장 범위)를 조절할 수 있다든가, X선 관에서는 가지고 있지 않은 "결맞음성"을 가지고 있다든가 하는 특징 때문에 많은 과학자가 연구에 쓰고 있다. 단지 X선 자체를 연구주제로 하는 실험실은 손에 꼽는다. 안습.

현재 미국[16](2008년 보유), 일본[17](2010년 보유), 대한민국[18](2016년 보유)만 소유, 가동 중이다. 국외로는 스위스, 독일 등이 건설 중에 있다. 우리 나라에서는 2013년 5월9일 기공식을 하였고, 2014년 12월 완공. 2015년도 후반기까지 테스트를 거쳐 공식 오픈[19]은 2016년 10월 가동 개시하였다. 들어간 추경예산은 약 4000억 원이다.[20]

X선 발생기로서의 특징은 3세대 가속기인 Wiggler 구조를 직선으로 매우 길게 배치하여[21], 발생하는 비 결맞음성 광선이 전부 상쇄되고 결맞는 빛만 남도록 한다는 점이다. 결과적으로 레이저랑 같은 성질을 가지면서, 선속(Flux)도 매우 높다는 것이 특징. 장점은 매번 전자를 가속할 때마다 X선이 발생하는 방식이기 때문에 펄스 형태로 만들기가 쉽고[22] 한 펄스에서 나오는 선속이 3세대 가속기에서 1초 동안 얻을 수 있는 선속과 맞먹는다는 점, 그리고 100% 결맞는 빛이 나온다는 점이다. 반면 단점은 나머지 전부. 매번 새로운 전자를 쏘아주고, 사용한 전자는 버리는 방식이기 때문에 얻을 수 있는 선속량이 일정하지 않고 들쭉날쭉하며, 같은 궤도를 반복해서 돌게 만들어 빔 위치가 안정된 3세대 가속기와 비교했을 때 빔의 위치가 상대적으로 불안정하다. 거기에 빛이 도달하는 방향이 단 한 방향이기 때문에, 하나의 가속기에 여러 개의 실험실이 위치한 2, 3세대와 달리 하나의 가속기에 단 하나의 실험만 가능하다는 점도 큰 단점.[23] 한마디로 요약하자면 선속과 결맞음성을 위해 나머지를 포기했다.

사람들이 잘 모르는 경우가 있는데, X선은 엄연한 방사선이다. 에너지가 약한 자외선도 피부암을 유발할 가능성을 높이는데, 에너지가 높아서 뼛속까지 투과하는 X선은 당연히 암을 유발할 가능성이 있다. 다만 일반인이라면 자외선처럼 사람들이 항상 피폭되고 있는 것도 아니고 대부분 기껏해야 일 년에 한 번[26]맞을까 말까 하기 때문에 현실적으로 무시해도 되는 정도이므로 신경쓰지 않는 것일 뿐, 짧은 기간에 반복적으로 여러 번 맞게 되면 당연히 위험할 수 있다.[27] 단 장비 설정 오류로 X선을 찍으려던 환자가 그야말로 X선에 구워지는 바람에 사망자가 발생한 사례도 있긴 하다.

게다가 애초에 방사선과 암 발생은 확률적이다. 방사선을 조사받은 수치인 조사선량이 높아진다고 암 발생률이 무한정 높아지는 것도 아니고, 오히려 X선보다 스트레스, 음주, 흡연 등의 다른 발암원인을 걱정하는 게 낫다. 즉, 여러 번 많이 조사받으면 당연히 암에 걸릴 확률은 높아지겠지만 꼭 암에 걸리는 건 아니다.

그러나 임산부 같은 경우는 방사능에 특히 취약한 태아를 보호하기 위해 X선 촬영은 무조건 피해야만 한다. 이는 태아 같은 경우 방사선에 상당히 민감하기 때문인데, 임신한 개월수에 따라 또 나뉘어 진다. 우선 착상기에 방사선을 조사받을 경우, 죽거나 살거나다. 죽으면 당연히 유산되는 것이고, 살게 될 경우에는 다른 영향은 나타나지 않는다. 기관 형성기의 경우, 이때 방사선 조사를 받게 되면 기형이 된다. 방사선은 활발히 분열하는 세포에 영향을 더 많이 준다. 그러기에 막 기관이 형성되어 분열하는 시기인 이때 기형이 발생한다. 태아기의 경우, 태아상태에서는 이미 기관들이 다 형성되었으므로 기형은 나타나지 않는다. 하지만, 조사를 받으면, 출산 때 태아의 체중이 감소하고, 발육지연이 일어난다.

단 직업적인 이유로 X선을 많이 다뤄야 하는 사람은 다르다. 의료인은 물론 입자 가속기 등을 다루는 연구실에서도 언제든지 X선 피폭의 위험이 있다. 그래서 납을 채워넣은 앞치마(에이프런)를 입곤 하는데 외과계열 의사나 간호사 등이 귀찮다고 안 입었다가 나중에 피부암이 발병하는 등의 경우가 있다. 보통 주기적으로 x-ray 혹은 CT촬영실에 출입하는 보건인력은 대부분 방사선피폭량측정기를 옷에 지니고 다닌다. 보통 CT를 찍는 환자의 경우 상태가 불량한 경우가 많기 때문에 의사, 간호사, 응급구조사 등은 CT촬영 시 환자옆에서 상태를 계속해서 확인하는 경우가 많기 때문에 더욱 위험하다(외과계열 또는 응급의료종사).

아울러 CT촬영실에는 CT촬영 시 "조영제"를 사용하는 경우 반드시 조영제 주입 전(정맥주사) 피부반응검사를 해야하기 때문에 보통 방사선사와 더불어 간호사가 상주한다(또는 간호조무사)

뭐, 그래도 엑스선 촬영이 자연 방사선보다 더 높은 방사선인 건 사실이다. 요즘은 저선량으로도 촬영이 가능하도록 기술이 발전했지만, 저선량 기기가 모든 곳에 다 퍼진 것도 아니고, 원자력 사고 발생 시 엑스선 촬영 몇 번 찍었을 때의 피폭량과 동일하다는 비유도 많이 나오기도 하고..

엑스선 촬영을 할 때 피폭을 조금이나마 줄이고 싶은 위키러들은 촬영 전에 납 앞치마를 요구하자. 어지간한 엑스선 촬영 시설에서는 피폭방지를 위한 방호도구를 갖추고 있으며, 폐 엑스레이 촬영 시 납 앞치마를 요구하면 하반신(생식기 부분)을 가릴 수 있도록 준비해 준다.

X선 발견 이후, 뢴트겐에게 X선을 특허 내지 않겠냐라는 제안이 들어왔지만, 뢴트겐은 쿨하게 거절한다. 자신은 원래 있던 빛을 "발견"했을 뿐이지 발명한 건 아니기에 전 인류의 재산이 되어야 한다고.

X선이 인체를 효과적으로 볼 수 있는 특성이 알려지면서, 초기에는 신발을 제작하는 제화공들이 맞춤 신발을 잘 만들기 위해 매번 고객들의 발을 촬영해서 제작했다고 한다. 당시엔 아직 X선을 비롯한 방사선의 위험이 제대로 알려지지 않은 데다가, X선 이란 놈이 일종의 "유행"처럼 언론에 번지면서 나타난 현상이다. 물론 한두 번 찍는 걸로 노출되는 방사선량은 그렇게까지 많진 않았지만, 대중의 무지가 이런 일도 가져올 수 있는 일이다. 이 현상은 마리 퀴리의 라듐 발견 시에도 나타났다.

한편 X선이 몸 속을 찍을 수 있다는 성질이 알몸을 찍을 수 있는 성질로 잘못 알려지고 한 술 더 떠 평범한 카메라가 그런 성질을 가진 것으로 와전되면서 애꿎은 사진가들이 곤욕을 치러야 할 때도 있었다고 한다. (...) 또 이렇게 X선에 알몸이 찍힌다는 소문에 숙녀들이 두려워하자 약삭빠른 장사꾼들이 X선을 차단해서 알몸을 볼 수 없도록 한다는 납 성분이 든 팬티를 비싼 값에 팔아치우기도 했다.

X선을 쏘는 무기도 있는데, 인도주의적인 비난을 받을 우려 때문에 인체에 치명적인 무기들은 거의 없고 pain-gun 과 같이 직접적으로 통각을 일으켜서 쫒아내는 용도로 주로 쓰인다. 하지만 그런 거 없는 테러리스트들이 여러 차례 방사선을 이용한 무기를 개발하려고 시도하였다. 특히 X선은 상업적으로 많이 사용되기 때문에 다른 방사능 물질에 비해 폐기물 입수 등이 쉬우므로 여러 차례 범죄에 이용되거나 시도 중 붙잡히고 있다. 몇 년마다 한 번씩 사망을 일으킬 수 있는 인체에 치명적인 X선 총을 만들다가 잡힌 사람의 뉴스가 뜨며, 2016년 말에는 무슬림에 대한 증오로 이슬람 사원에 작동 시 1~2주 내에 반드시 사망하게 되는 치명적인 X선을 내뿜는 일종의 방사능 폭탄을 제조하다가 다행히 사전에 잡혀서 30년형을 선고 받은 사람도 있다. 이 경우, 계획이 미리 밝혀지지 않았더라면 실제로 엄청난 인명피해를 냈을 것이라고 한다. 즉, 방사능 총으로 멀리서 아무도 모르게 몇 시간 동안 조사하는 것만으로도 사람을 병에 걸리게 해서 암살시키는 것이 결코 공상과학 속의 이야기는 아니라는 것.